资讯首页   焦点新闻   国内新闻    国际新闻   产经新闻    深度解读    技术前沿   航天政策法规     视频    

【空间瞭望】日本卫星导航能力发展分析(上)

时间:2018年03月27日 信息来源:空间瞭望 点击: 【字体:

2017109日,日本第4颗“准天顶卫星系统”(QZSS)成功发射,至此,日本完成了QZSS系统空间星座第一阶段的部署,为QZSS系统投入初始运行创造了条件,是日本谋求独立的卫星导航能力建设征程上的重要里程碑。按计划,在完成系统测试与试运行后,QZSS系统将于2018年初投入初始运行。

一、探索卫星导航技术,发展、部署GPS增强系统

1. 积极探索卫星导航技术

1972年,日本即启动了卫星导航技术的探索,开始了轨道倾角为45°的轨道控制技术的研究,1992年基本确认了这种方案的可行性。19973月,日本科技厅向日本宇宙开发事业部提出要求,用7年时间研究、开发导航定位卫星所需的关键技术,如星载原子钟技术、时间同步技术、卫星导航系统星座构型、系统控制等。

在上述研究的基础上,20世纪90年代初在美国GPS系统即将完成初始运行能力部署的背景下,日本启动了“多用途运输卫星增强系统”(MSAS)的发展计划,与美国劳拉空间系统公司(SS/L)合作,研发集气象观测、GPS系统天基增强、航空通信等功能于一体的多功能运输卫星。

2. 借力美国,增强卫星研发能力

20世纪90年代初,日本气象厅(JMA)与日本民用航空局(JCAB)即决定联合发展支持航空通信与导航、气象观测的地球静止轨道卫星,该计划提出了通过改善民用航空通信、导航能力提升空中交通管理与监测能力设想。这与国际民用航空组织于1991年批准并启动的通信、导航、监测/空中交通管制(CNS/ATM)计划具有较好的一致性,因而得到了国际民用航空组织的支持。

20世纪90年代,日本独立研发卫星的能力比较薄弱,因而采取了合作研发的方式。首颗MTSAT卫星的承包商为美国劳拉公司,日本工程技术人员全程参与,籍此积累工程研发经验。199911月因运载火箭(H-2)第1级燃烧不正常导致首颗MTSAT卫星发射失败。此后,日本即启动了“多用途运输卫星”(MTSAT)的独立研发工作。2005年、2010年日本独立研发的2MTSAT卫星成功发射,提供GPS增强服务(其中MTSAT1R仅提供GPS系统C/A码民用信号的增强服务,MTSAT1RMTSAT1的替代卫星)。

二、增强与自主相结合,发展独立的卫星导航能力

在自主研发GPS增强系统的同时,发展独立的卫星导航能力成为日本卫星导航领域发展的新目标。2002年,日本政府授权包括三菱电气、日立等公司在内先进卫星商业机构(ASBC)组成的团队研究、制订日本区域卫星导航系统(JRANS)——QZSS的发展方案。

QZSS系统的发展经历了多次调整,从最初的以增强GPS系统服务为目标,逐步发展到以增强GPS服务为主,兼顾自主导航能力,到目前的增强GPS服务与提供自主导航服务并举。星座卫星数量由最初的3颗发展至4颗,最终发展至7颗;星座构型也从3颗倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)卫星,演变为3IGSO卫星+1GEO卫星,最终演变为5IGSO卫星+2GEO卫星。至此,QZSS完成了从GPS增强系统向兼顾GPS增强与自主导航服务的转变。

1. GPS增强系统——MSAS系统的接替者

日本是一个多城市峡谷和多山地形的国家,在观测导航卫星时,用户接收机需要较高的仰角才能观测、锁定并接收到导航卫星播发的导航信号。这就使日本的卫星导航应用服务受到不利的影响,这是日本很早就发展卫星导航增强系统最重要的原因。日本希望通过发展、部署GPS天基增强系统改善日本的卫星导航服务;同时在GPS系统发生信号中断时,仍能为日本提供基本的卫星导航能力。此时,QZSS系统方案为采用高倾角地球同步轨道,卫星数量为3颗,服务区内用户观测卫星最小仰角大于70°,即用户可在任何时间以高仰角接收到至少1QZSS系统的卫星信号,这也是QZSS名称的由来。20119月,在3星组网方案调整为4星组网方案,即在3IGSO轨道卫星的基础上,增加1GEO轨道卫星,改善系统的服务能力。

2. GPS增强与自主导航并重——构建独立的区域卫星导航能力

2004年初,在原QZSS系统方案的基础上,日本科学与技术委员会(CSTP)首次提出了关于日本区域卫星导航系统的建议。该建议提出应将由3颗卫星组成的QZSS系统扩展至7颗卫星,构成日本自主的区域导航卫星系统(RNSS),为日本提供天基定位、导航与授时服务。20049月,日本科学与技术委员会发布了关于日本航天政策的报告,提出在卫星导航领域,日本的长期目标――建立自主的、补充GPS系统的区域导航卫星系统。

20075月,日本议会批准了日本政府投资研制QZSS系统3颗卫星中的第1颗卫星的法案,投资750亿日元(6.19亿美元)研制一颗质量不超过4t的“准天顶卫星”(QZS),卫星由日本宇宙航空开发机构(JAXA)研制,要求最迟于2010331日前发射。

2015年,日本发布新的《航天基本法》,明确了建立由7颗卫星组成的区域卫星导航系统的发展目标。此后,日本制定了分两个阶段完成QZSS系统建设的计划。第一阶段:至2018年完成由4颗卫星的部署,并投入运行,即QZSS具备初始运行能力;第二阶段,至2022年完成由7颗卫星组成的QZSS,并投入运行,具备全面运行能力。

三、稳步推进的QZSS系统建设

2017年,日本加快了QZSS系统的建设步伐,成功发射QZSS卫星3颗,其中IGSO轨道卫星2颗、GEO轨道卫星3颗,完成QZSS系统第一阶段的部署,计划于2018年初投入初始运行。

1. QZSS系统组成

QZSS系统由空间段、地面运行控制段和用户段组成,其中空间段由2颗部署在GEO轨道、5颗部署在IGSO轨道的卫星组成。空间段的部署分为两个阶段进行,第一阶段部署3IGSO卫星+1GEO卫星,其中IGSO轨道的半长轴42164km,偏心率0.075,倾角41°的IGSO轨道,GEO轨道卫星定点位置为127°(E);第二阶段部署2IGSO卫星+1GEO卫星。

在系统论证阶段,日本提出了QZSS系统7星星座的2个部署方案。方案一:3GEO卫星+4IGSO卫星;方案二:2GEO卫星+5IGSO卫星。最初,方案一得到了广泛的关注与认可,因其可提供分布较为均匀的精度稀释因子,由于有3GEO轨道卫星。因而即使有1GEO轨道卫星处于维护状态,也不会对QZSS系统的服务产生明显影响,但最终却选择了方案二。虽然日本没有说明选择方案二的具体考虑,但普遍认为改善IGSO轨道卫星覆盖的连续性可能是重要原因。

2. QZSS系统卫星

QZSS系统卫星包括两种型号,即GEO型号与IGSO型号。两种型号卫星的主要区别在于GEO型号具有提供短信服务的能力,并增加用于S频段短信服务的抛物面天线。

两种型号的QZSS卫星均采用经改进的DS2000平台,该平台为三轴稳定平台,平台干质量1800kg,发射质量4100kg,设计寿命大于10年。按QZSS轨道和有效载荷的要求,平台进行了改进。平台电源系统可提供5.3kW的功率,其中分配给有效载荷系统功率约为2kW

DS2000平台的改进主要包括如下几个方面:采用技术先进、微小型化且满足抗辐射等空间环境要求的高可靠性器件;采用砷化镓太阳电池等,以达到降低平台质量,增加燃料携带量,提高有效载荷比,确保卫星15年的设计寿命要求。

IGSO型号卫星发射质量4000kg,干质量1600kg,有效载荷质量约320kg,设计寿命15年。轨道半长轴42164km±10km,偏心率不大于0.099,轨道倾角43°±4°,升交点赤经195°~210°,近地点角距270°±2°,周期23h56min

GEO轨道卫星发射质量增加至4700kg,干质量增加至1800kg,设计寿命15年。

3. QZSS系统信号与服务

QZSS系统播发GPS增强和自主导航两类导航信号,并在L1SS频段提供短信服务,其中GEO轨道卫星具有L1Sb的导航技术验证信号与S频段的短信服务能力,而IGSO轨道卫星不具备上述能力,详见表1

 

QZSS系统导航信号

信号

首颗卫星

24颗卫星

服务

频率/MHz

IGSO

IGSO

GEO

L1C/A

定位

增强GPS

1575.42

L1C

定位

增强GPS

1575.42

L1S

增强(亚米级)


1575.42

短信服务

L1Sb

SBAS

ICAO标准

1575.42

L2C

定位

增强GPS

1227.6

L5

定位

增强GPS

1176.45

L5S

增强实验应用


L6

增强(厘米级)


1278.75

S

短信服务(安全确认)


2GHz

注:短信服务用于灾难与应急管理,主要服务于政府部门。

从系统信号与功能设计的角度可以看出,日本QZSS是一个以GPS系统增强服务为主、自主导航为辅的区域民航卫星系统,其自主导航信号与功能大多存在试验、验证的成分,希望获得更高定位、导航性能,特别是如何提高定位精度,以满足高精度用户的需求。

短信服务是一种与“北斗”系统短报文服务类似的功能,主要为政府或相关部门、用户提供灾难管理和应急救援方面的短信息通信服务,以应对因灾害造成通信系统损失或失效情况下的应急通信服务。


(作者:刘春保)
返回顶部