[科普中国]-准天顶卫星

准天顶卫星系统计划是一个利用准天顶卫星卫星的高精度定位试验系统转发完善和增强的美国GPS各种信号，试验、验证并提高卫星定位系统可应用性和完好性的计划。通过执行这项计划，日本能掌握卫星定位系统的基本技术，增加民间机构为准天顶卫星系统提供搭载设备和利用准天顶卫星系统的机会，为日本正式启动导航卫星计划奠定基础。

准天顶卫星系统首期计划在天顶轨道位置配置3颗卫星，其运行轨道呈“8”字形，这样可确保至少有1颗卫星能以高仰角观测日本上空，确保在稍受或不受任何障碍物影响的情况下，可独自、不间断地提供定位服务，即便是在高楼林立的街心或群山环绕的农舍也能正常通信。QZS系统的3颗卫星均采用三菱电机公司的DS-2000卫星平台。三菱电机公司已积累了用这一卫星平台开发多用途运输卫星、工程试验卫星的经验。用这一平台开发QZS，不但可大幅度缩短研制周期，降低研制成本，确保可靠性以及运行安全性，而且能大幅度提高卫星的有效载荷比(可高达56.1%)。1

QZS由公用平台和飞行任务仪器两部分组成。公用平台包括遥测跟踪和指令、电源、太阳电池翼、姿态轨道控制、双组元液体推进系统、结构、热控和仪表共8个分系统；飞行任务仪器包括定位有效载荷和二次有效载荷。1

近年来，以汽车导航为代表的大量GPS 应用在日本迅速增加， GPS 正在成为日本人生活必不可少的工具。尽管如此， GPS 还是远不能满足用户对它的需求，如在峡谷之间、在高楼大厦密集区域，因收不到足够的卫星信号，使定位准确度大幅下降，甚至有时根本无法使用GPS 进行导航。基于这样的背景，日本人提出了建立准天顶卫星系统(QZSS) ，以期改进GPS 系统的可用性和完整性，补充和增强GPS 系统功能。

早在1972 年，当时的日本电波研究所(现为信息与通信研究所) 就提出了准天顶卫星系统的概念，论证了这种系统很适合日本这样地处中纬度、国土狭小的国家；1997 年，日本政府发表报告，要求对建立卫星导航定位系统中的三项基本技术进行自主研发，即星载原子钟的研制、系统时间的管理和卫星的精密定轨。2002 年，日本政府综合科学技术会议正式决定开发建立国家项目准天顶卫星系统，为导航定位、新一代移动通信等提供技术手段 。系统建成后，它将成为日本高精度定位和移动通信的中心。

在日本，广泛应用于通信的是地球同步轨道卫星，但是它们与地面的观测仰角普遍较低，如在东京地区，观测仰角不超过48°，卫星发出的信号实际只能覆盖城市面积的30 %，这样，对于汽车等移动体的通信盲区时常发生。如果信号从天顶卫星上来，将有效解决这个问题。现在，卫星导航定位系统已经成为人类生存不可或缺的社会基础设施，如此重要的系统完全依靠外国将是一种极大的冒险。从自己的地理环境、用途等国情出发，最终建立独立自主的卫星导航定位系统是相当重要的。

美国政府对日本开发准天顶卫星系统给予赞许，认为准天顶卫星定位系统是对GPS 系统的补充，其操作具有互通性，并将大大改善日本及其周边地区GPS 用户在定位、定时和导航方面的服务质量，为该地区的经济与公共交通安全提供新的保障。2

准天顶卫星系统由3 颗卫星组成，它们在环绕地球的圆形轨道上以每天1 周的速度运行。每颗卫星各自有不同的轨道，分布在不同平面上，并且这3 条轨道都与地球赤道所在的平面成45°的夹角。从日本本土来看，将始终有1 颗卫星停留在靠近天空顶点的地方。卫星在地面上的投影都是同一个大8 字形。

在2010年完成QZS系统计划中的首颗卫星QZS-1的发射，并经在轨运行与应用来获得基本经验；接着，于2012和2013财年分别发射QZS-2、3，实现三星组网运行与应用。根据应用情况，日本可能会考虑再发射4颗QZS(QZS-4~7)，从而实现七星组网运行与应用。1

准天顶卫星系统计划采用了一种全新的开发体制，采取政府与民间企业合资的方式进行。1总费用约为2 000 亿日元，其中民间企业负担1 500 亿日元左右。投入的研发力量也是日本战后空前的，除了有近十个国立研究机构参加外，还有由43 家日本企业出资组建的“新卫星企业株式会社”参与准天顶卫星系统的建设与运营：国家(即JAXA )负责卫星平台的轻型、轻量化技术研究与开发；以新卫星商业股份公司(三菱电机公司担任主承包商)为首的民间机构负责通信广播飞行任务和卫星平台开发；国家和民间机构共同承担发射、跟踪管理和控制系统的开发经费。

日本还希望通过执行QZS系统计划来积累研究、开发、应用和管理经验，为尽快启动日本导航卫星计划奠定基础。

根据日本官方推算，系统运营后，在12 年里将能够产生近6 万亿日元的直接经济效益、21 万亿日元的间接经济效益和2. 4 万个就业岗位。

系统的预定发展进程是：从2002 年下半年到2005 年为设计规划阶段，2006 年到2010 年为建设阶段，2009 年开始发射卫星，2009 年到2010 年为在轨测试阶段，到2011 年，系统开始正式服务运行。2

准天顶卫星系统具备以下一些优点：

首先，现在的通信卫星系统所采用的无线通信技术数字化程度和图像处理能力偏低，新的系统将弥补这一缺陷；

其次，该系统将增强和补充GPS 系统的导航功能，实现更加精确的定位；

再次，该系统用户有较高的观测仰角，在日本主要地区大于70°、全日本大于60°；

最后，如果增加三颗地球静止卫星，该系统即可扩建成为一个独立的导航系统，而没有任何的资源浪费。

在导航定位中，准天顶卫星系统与GPS 系统关系密切。事实上，它是一种GPS 增强系统。其主要功能有两个，一是加强GPS 系统的完整性。准天顶卫星系统将发射类GPS 信号，频率与GPS 相同。在仅能收到三颗GPS 卫星信号的地方，再加上准天顶卫星信号就能定位。这样， GPS 的可用性将得到很大的改善。以东京的新宿区为例，用GPS 对汽车导航的可用时间仅为40 % ，加上准天顶卫星系统后，可用时间将提高到80 %。

另一个功能是改进GPS 系统的性能。准天顶卫星的加入将使得用户的观测几何精度衰减因子GDOP 减小。对于日本其他地区，各地的观测几何精度衰减因子GDOP 情况与东京地区的基本上差别不大，但在日本南部和北海道地区的GDOP减小得更为明显，这主要是由于准天顶卫星在此地更接近天顶方向的缘故。另外，准天顶卫星系统还能提供GPS 卫星的异常预警信息，给出各种GPS 系统的补正信息，如卫星钟精密时间改正、电离层的准确数据等重要信息。

现在，中国已经发展了北斗系统，将来可以考虑它与准天顶系统合作的可能性，若能联合使用，GDOP 将有较大的降低。特别强调的是，在导航功能上，QZSS 仅仅是一种GPS 增强系统，现在还不是独立的导航系统(预计将来很可能发展为独立的) 。其发射的导航信号与GPS 相同，准天顶卫星起到的作用相当于GPS 卫星。当然，准天顶系统还具有高速通信功能，这是GPS 不具备的。2

对于准天顶卫星系统中的时间同步问题，将由位于东京都小金井市的时间管理主站与星载原子钟、与在冲绳的时间管理副站以及与设在日本境内和海外的8～9 个卫星定轨站之间的时间保持准确同步。星载原子钟与地面站之间的时间同步将由双向比对方法完成。对于系统内各个部分时间的同步，针对具体的情况和条件限制，也可能采用不同时间传递技术相结合的方法。由于该系统卫星的运动速度将达到3 km/ s ，所以还需要对卫星跟踪天线和信号传递的精密时间进行控制。

星载原子钟定为小型氢钟，它的研制由信息与通信研究所(NICT) 担任 。对这种原子钟的性能要求较高，要轻量化、长寿命化、低耗电力化和耐震性好。

准天顶卫星系统的时间溯源为日本的标准时间，由日本信息与通信研究所(NICT) 维持和发布，它将通过卫星双向方法与GPS 的时间源U TC(USNO) (由美国海军天文台(USNO) 维持与发布) 保持同步，目标是要使系统时间与GPS时间在任何24 h 内的同步准确度小于3 ns。该系统将采用与GPS 系统相同的秒计数方式，不加润秒，与GPS 有相同的秒数。两系统的时间差在准天顶卫星系统发播的导航信息中加播，发给用户。在进行时间管理和时间同步等试验研究的部分内容包括： ①星载钟与地面标准时间的时间同步试验； ②在轨时间比对单元性能的监测； ③对星载钟时刻误差的推定方法； ④系统时间与GPS时间之差的推定方法。2

QZS-1的主要性能参数1