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摘要：日本的“准天顶”卫星导航系统（QZSS）计划启动于2006年，截止到2012年底，该系统已开始提供服务。与此同时，其系统应用也已经成功推广到亚洲和大洋洲的许多国家，应用领域也得到了拓展。本文在介绍了日本QZSS的发展历程和现状的同时，对其“先增强，后独立，兼容渐进”的总体发展思路进行了剖析。最后，本文分别从系统建设与应用推广方面总结了QZSS的发展特点和成功经验，以供我国发展北斗卫星系统提供借鉴与参考。
关键词：准天顶卫星导航系统 北斗系统 发展
日本卫星导航系统发展与思考
+ 李作虎 北京跟踪与通信技术研究所 席欢 中国国防科技信息中心
一、 概述
二、 QZSS建设与应用
日本属于多山地区，为了满足GPS信号遮挡地区的导航服务需求，日本政府在1996年和2006年先后提出开发2个星基增强导航系统，即多功能卫星星基增强系统（MSAS）和“准天顶”卫星导航系统（QZSS），以提高日本及周边地区的GPS导航卫星信号覆盖范围和服务性能。2010年9月，第一颗准天顶卫星成功发射，各项性能指标均满足设计要求。与此同时，日本宇宙航空研发机构（JAXA）和经济产业省都积极拓展国内外卫星导航市场，取得了系统建设与应用推广并举的良好效果。QZSS系统建设发展迅速、服务性能稳步提升、应用推广有声有，无论其经验，还是其对亚洲卫星导航市场的竞争，都应该引起我们的重视与思考。
1. QZSS发展规划
2011年9月，日本内阁通过决议，批准实施QZSS 项目的基本政策。该政策指出，2012-2017年为研发阶段，2018-2032年为运营阶段。2018年建成4颗准天顶卫星组成的卫星星座，未来以QZSS系统为基础进行扩展，发展独立自主的区域卫星导航系统（JRANS）。要求JRANS能够独立连续地提供PNT服务，同时，要与当前和现代化后的GPS具有良好的兼容与互操作性。
JRANS将由4颗IGSO卫星和3颗GEO构成导航星座（见图1），可向亚太地区提供GPS信号增强和短消息服务功能。其中，该系统不仅可同时向所有手机用户
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发送自然灾害报警等消息，还将具备信息收集功能，如在灾难和危机事件中，用户可通过QZS卫星发送信息确认安全状态。这种星座使得亚太地区均可保持4颗卫星同时可见，澳大利亚等地区最多可实现7颗卫星同时可见，见图2。
根据2012年最新发布的“准天顶”卫星系统的需求和规范文件，下一阶段的“准天顶”卫星系统空间段将由首颗“准天顶”卫星、另外2颗“准天顶”卫星和1颗地球静止轨道卫星组成。
2. QZSS建设历程
2007年，日本议会批准了政府投资研制“准天顶”卫星系统第1颗卫星(QZS-1)的法案，2007年和2008年相继通过初步设计评审和关键设计评审。
日本标准时间2010年9月11日晚8点17分，日本三菱重工公司与日本宇宙航空研发机构（JAXA）利用18号H-IIA运载火箭（H-IIA F18）从种子岛航天中心成功发射了首颗“指路者”QZSS卫星。该卫星除了发射与GPS相同的信号以外，还发射与日本MSAS提供的GPS增强信号相似的日本区域广域差分信号L1-Safe，以及为研究而设置的专用信号LEX。
2011年6月，JAXA正式宣布，首颗“指路者”卫星的定位信号（L1-C/A、L2C）发送成功，并宣布已经解除了L2C定位信号的限制，将其设置为可用状态，同时，卫星广播星历和时钟参数精度均满足指定值。
2011年7月，日本宇宙航空研发机构确认L5和L1C信号
符合QZSS接口规范后，设置为“可用”。卫星实用型增强信号（L1C/A、L2C、L5和L1C）使用的PRN码为
图1. 日本JRANS设计星座
图2. 4颗QZS+3颗GEO星座的覆盖范围
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193。L1-SAIF（亚米级）增强信号使用PRN183，该信号目前仍处于测试模式，同样，使用PRN193的L波段实验增强信号（中心频率为1278.75MHz）目前也处于测试模式。
在轨验证期间，“指路者”的性能得到初步验证。2011年2月19日，JAXA-Melco联合研究试验进行了250分钟（6：00-12：00）的导航数据观测，东京银座地区单频DGPS定位可用性从39.5%提升至69.1%。2011年5月3日，日本川越GPS控制站观测结果显示，L1-SAIF可实现分米级增强，单独使用GPS和GPS+L1-SAIF两种模式下，水平定位误差分别为1.56米和0.46米，垂直定位误差分别为3.85米和0.57米。2012年1月1日至9月7日的监测结果显示，“指路号”空间信号用户测距误差（SIS �RE）符合其设计指标要求，在2.6米(95%)之内。3. 研发与管理机构
QZSS由日本政府和私营企业联合研发，图3展示了政府和私营企业的关系框架。其中，JAXA负责卫星平台的轻型化技术研究与开发；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QZSS计划来积累研究、开发、应用和管理经验，为尽快启动日本卫星导航计划奠定基础。
2012年2月，日本政府在内阁会议上通过《内阁府设置法》修正案，将在内阁府设立“空间政策小组”，负责就航天政策、航天项目等向首相和内阁成员提供建议，以加强日本对空间的开发利用。日本政府还酝酿在内阁府内设立“宇宙战略办公室”，统筹协调各省厅有关空间研发方面的政策措施，包括QZSS 卫星系统研发、维修和应用等相关措施。4. 系统组成
QZSS系统总体结构如图4所示。空间段由3颗
IGSO卫星组成，轨道平面半长轴为42164千米，偏心率为0.099，轨道倾角为45度，升交点赤经相差120度。卫星设计寿命为10年，采用Ku、C、S和L等4个波段，其中Ku波段（上行14.43453 GHz，下行12.30669 GHz）进行星地双向时间同步，C波段（上行5000-5010 MHz，下行5010-5030 MHz）和S波段（上行2025-2011 MHz，下行2200-2290 MHz）用于测控，L波段频率用于导航。地面运控段主要由主控站、卫星激光测距站、监控站、时间管理站以及遥测、跟踪和遥控（TT&C）站、导航电文上行注入站等构成，图5描述了地面运控段设施的组成。5. 空间信号
“准天顶”系统在4个频段播发6个导航信号，包括GPS 互操作信号和GPS增强信号，分别为L1频段的L1C、L1C/A 和L1-SAIF，L2频段的L2C，L5频段信号和E6频段的LEX信号（见表1）。其中，L1C、L1-C/A、L2C和L5能与GPS已有信号和未来现代化的信号兼容与互操作，其目标精度与未来现代化后的GPS信号相同。L1-SAIF信号具有“完好性功能”和亚米级定位精度服务性能，与GPS星基增强系统完全兼容。LEX信号是JAXA的实验信号，其数据速率为2千比
特每秒，可与伽利略E6信号兼容与互操作。
图3. QZSS系统政府和私营企业的关系框架
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汽车gps导航图4. QZSS系统总体结构
6. 服务性能
根据QZSS用户接口规范文档，GPS/QZSS用户终端采用QZS卫星发射的与GPS互操作的导航信号和GPS导航信号进行定位解算，定位精度可达到GPS现代化后的性能水平。L1-SAIF信号水平定位精度优于1米。首颗QZS卫星试验结果显示：汽车利用传统GPS接收机接收QZS-1“指路”号播发的差分校正信息，实现了精度达到3厘米的连续定位能力。7. 时空系统
QZSS时间系统（QZSST）秒长与国际原子时（TAI）相同。TAI的整秒偏移量与GPS相同，超前QZSST 19秒。QZSS卫星和GPS卫星的星载时钟都受GPS时（GPST）偏差的约束，与GPST的等效距离偏差小于2.0米（95%）。日本卫星导航测地系统JGS，即QZSS坐标系统，与国际地球参考框架（ITRS）相容，与GPS坐标系统WGS-84的偏差小于0.02米。QZSS与
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GPS在时空系统方面均具备了很好的互操作基础。8. 系统应用
日本经济产业省正向韩国、泰国、澳大利亚等9国推销QZSS。日本政府认为上述国家对GPS服务有相当大的需求。泰国去年遭遇特大洪水，政府正在构筑一个新的防灾减灾体系，急切希望通过卫星导航系统掌握河流堤坝与水位高度，及时收集受灾地区实际情况。QZSS具有精度高、管理细致的特点，已在农业机械无人驾驶方面
表1. QZSS信号参数
图5. 准天顶卫星地面运控段设施组成
取得一定的进展，该项技术也可应用到澳大利亚矿山机械自动化和新加坡、马来西亚高速公路自动收费系统建设。缅甸基础建设薄弱，土木工程建设领域对GPS的需求也逐渐旺盛。菲律宾、马来西亚希望QZSS能帮助其改善交通设施。韩国则希望QZSS能帮助其提高铁路系统运行效率。
日本经济产业省正着手创建QZSS在各使用国之间的国际规则，并希望将该系统应用到防灾减灾、汽车、铁路、测量等相关领域，计划向亚澳地区派遣官民联合考察团，并对QZSS的对外出口提供贸易保险和金融
支持。
2011年9月，在日本东京召开的国
际全球导航卫星系统委员会（ICG）第六次会议上，
日本政府邀请与会代表了解日本首颗QZSS卫星“指路者”号的功能，并重点体验了该系统在精准农业中的应用。拖拉机在“指路者”号QZSS卫星差分增强下，精确达到3厘米左右，只要设定好农田的地点和农田的长宽，拖拉机就会自动开到农田进行耕作，而且能够自行设定最节省时间的耕作线路。在日本社会日益老龄化的情况下，这种自动驾驶的拖拉机应用前景广阔。此外，QZSS也可以用于旅游，智能手机上的画面实时显示所处位置，游客们就可以随时知道自己所
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