【视野】日本准天顶卫星系统尽显其“高”招

创业 2024-12-20 16:16 上海

日本准天顶卫星系统（QZSS），真正体现日本这个民族，从“大处着眼，小处着手”的个性，以及成功在于细微之处的道理。最初，他们就把GPS用好，上世纪90年代初期，在全球最早形成导航仪产业，达到规模化商业化程度，实现生财之道比美国人还早。在若干大国建设GNSS星座的时候，他们把GPS作为基础星座，着力做星基增强系统和区域卫星导航系统，而且把亚米级、分米级、厘米级增强服务分的清清楚楚，系统的产出/投入比远远高于世界上任何一个系统，受益匪浅。而且技术上明显体现了与时俱进的概念，就以其卫星轨迹呈现非对称的“8”字来说，直接体现其精打细算的设计思路，和不同凡响之处。最近又计划将QZSS星座的卫星数量，从原来的4颗，到七颗，又增加至11颗，步步为营，实质上是步步为赢，以增加服务的稳定性和可靠性。凡此种种，这样一些高招，真正是高，实在高，高家庄的“高”。现将《GPS世界杂志》今年12月号上的“QZSS现状”一文翻译转述于此。

图 1 QZSS 的系统扩展

一、空间政策和 QZSS 计划

日本内阁府（CAO）目前正在开发准天顶卫星系统（QZSS）七颗卫星星座（7SV-const.）。日本内阁于 2023 年 6 月 13 日修订了其新基本太空政策计划。它指出，QZSS 卫星的数量应从 7 颗增加到 11 颗，以提高作为社会基础设施系统之一的稳定性和可靠性，确保即将到来的全面使用的备份功能，并减少精度稀释（DOP）。

2024 年 6 月 12 日，国家空间政策秘书处三年来首次修订了卫星定位系统行动计划。根据该计划，QZSS 11 卫星飞行器星座预计将于 2030 年代后期完成。

二、QZSS 简史

自 2006 年以来，文部科学省（MEXT）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、总务省（MIC）、经济产业省（METI）和国土交通省（MLIT）合作开发了世界上第一颗厘米级精度的定位卫星。第一颗 QZS 卫星于 2010 年 9 月发射，当时设想为四颗卫星的区域卫星导航系统，也称为 MICHIBIKI。2011 年 9 月，内阁批准了在 2010 年代后期建造四颗卫星星座（4SV-const.）的计划，目标是在未来建造 7SV-const.。预算于 JFY2012 年获得批准，以将其作为国家项目进行推广。

图 2：QZSS 星座扩展计划

2017 年，QZS-2、3 和 4 成功推出，并成功推出了 4SV-const.。2018 年 11 月 1 日，QZSS 正式开始服务。2021 年 10 月 26 日，第一款 MICHIBIKI 的继任者推出。

目前正在开发中，以发射另外三颗用于 7SV-const. 的卫星。依次从 JFY2023 到 JFY2024，具体取决于 H3 运载火箭的开发状态。为了提高弹性以实现更稳定的定位和改进 DOP，CAO 已经开始研究从 7SV-const. 过渡,转换为 11SV-const.（见图 1 和图 2）。

三、服务概述

4SV-const.提供 GPS 补充服务（PNT 服务）;GNSS 增强服务，即亚米级增强服务（SLAS）、厘米级增强服务（CLAS）、MADOCA-PPP 和星基增强服务（SBAS），以及短消息服务。QZSS 星座由一颗地球静止轨道（GEO）卫星、QZS-3 和三颗 QZO 卫星组成。

QZSS 的定位、导航和授时（PNT）服务和空间信号用户范围误差（SIS-URE）的性能远优于指定性能。评估结果如表 1 所示。评估期为“08/01/2023#07/31/2024”。规格小于 2.6 m （95%）。

表1. QZSS PNT 服务性能。

四、迈向七星座

另外三颗卫星将位于东经 90.5° 的倾斜对地静止轨道（IGSO）和西经 175° 的准对地静止轨道上。该星座旨在确保在高仰角下可以看到多颗卫星，目标是让四颗以上的卫星长时间可见，最终提高 DOP。表 2 所示为7SV-const.的结果。QZS 5 到 7 传输 L1C/B信号。

QZS-5 服务启动后，QZS1R 的信号将从 L1C/A 切换到 L1C/B L6E 信号中包含用于其他 GNSS 的 QZSS 导航电文身份验证（QZNMA）服务。

ZS5-7 的开发正在进行中。系统级测试正在进行中。计划在 2025 年左右推出 QZS 5-7。QZS-5 和 QZS-6 已基本完成系统级测试。QZS-7 已完成电气测试，目前处于环境测试阶段。

自 2023 年 8 月起发布的 SSV 用户的 QZSS 天线方向图，对应于 2019 年 12 月 11 日提交的 ICG WG-B 建议“发布，包括旁瓣在内的 GNSS 发射天线方向图”。用于精密轨道确定（POD）用户的 QZSS 卫星信息也已在线更新。能够与七颗卫星一起运行的 QZSS 地面系统已于 2023 年 8 月完工。剩下的唯一任务是进行卫星和地面无线电频率之间的兼容性测试。QZSS 地面系统由位于日立太田和神户的两个主控制站，以及主要位于西南岛屿的 10 个卫星跟踪和控制站（遥测、跟踪和指挥站）组成。此外，全球还有 30 多个监测站，这些监测站是与各国合作建立的。

以下附加服务于今年开始或将于明年开始：用户使用 7-SV const. 提供的测距信号获得位置、速度和时间（PVT）解决方案。导航电文身份验证（NMA）于 2024 年 4 月开始。多 GNSS 高级轨道和时钟增强 — 精密单点定位（MADOCA-PPP）覆盖东半球的大部分地区，并为 L6 信号提供 PPP 纠错。它通过提供增强数据来纠正一些 GNSS 误差，从而实现高精度定位，并提供两个服务级别，即（a）全球 PPP 和（b）带电离层校正的快速 PPP。运营服务于 2024 年 4 月 1 日开始，MADOCA-PPP 于 2024 年 7 月在互联网上分发，包括灾害和危机管理扩展卫星报告（DC 报告）、早期/紧急预警卫星服务（EWSS）。

图 3 MADOCA-PPP 服务评估结果

除了日本气象厅目前生成的 DC 报告服务外，其他与灾害相关的报告，称为 L-alert 和 J-alert，例如疏散令，于 2024 年 4 月 1 日开始。Global PPP 服务提供可以接收 QZSS L6E 信号的高精度定位。它通过 QZSS L6E 信号提供与卫星相关的误差校正（轨道、时钟、代码/相位偏置）。使用来自区域/全国连续运行参考站（CORS）的观测数据实现更快的 PPP。除全球 PPP 外，QZSS L6D（QZS-6 和 7）信号将提供区域误差校正（电离层校正）。MADOCA-PPP 于 2024 年 4 月 1 日开始运营服务。为了 MADOCA 的稳定运行，GNSS 综合数据共享系统（MIRAI）于 2022 年 4 月发布。从 2025 年开始，将广播电离层校正数据以减少初始收敛时间。

MADOCA-PPP 服务在 2022 年 3 月 17 日发布的 PS-QZSS003 中定义和描述。MADOCA-PPP 的互联网分发，包括电离层校正数据，于 2024 年 7 月开始，以促进 MADOCA-PPP 的利用。

MADOCA-PPP 的测试库 MADOCALIB 已开源并于今年 4 月在 GitHub 上提供，并于 2024 年 7 月更新以处理电离层校正数据。使用 IGS 监测站的 2024 年 5 月至 8 月的 MADOCA-PPP 性能结果如图 3 所示。确认了比定义的规格更好的初始收敛时间和大约 10 cm 的精度。多亏了合作国家，可以生成电离层校正数据，并在所有区域都确认了初始收敛时间的缩短。CAO 开始了 Internet 分发，包括这些区域的电离层校正数据。

五、QZNMA（准天顶导航电文身份验证）

QZNMA 于 2024 年 4 月 1 日开始，旨在增强该星座对欺骗攻击的抵御能力。以下信号中的导航电文使用椭圆曲线数字签名算法（ECDSA P256）进行身份验证。

■ QZSS信号（L1C/A（C/B）、L1C、L5）直接由自认证保护。

■ GNSS 信号（GPS：L1C/A、L1C、L5、Galileo：E1b、E5a）受到交叉身份验证（L6E）的保护。接口规范（IS-QZSS-SAS-001）现已在我们的网站上提供。所有验证都成功了。

六、QZSS 的应用

截至 2024 年 9 月，约有 434 款产品与 QZSS 兼容（见图4）。自动驾驶、无人机操作和实时海洋潮汐监测浮标等新应用正在出现。我们预计会出现许多使用 QZSS 的应用和设备。

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