準天頂衛星

準天頂衛星系統計畫是一個利用準天頂衛星衛星的高精度定位試驗系統轉發完善和增強的美國GPS各種信號，試驗、驗證並提高衛星定位系統可套用性和完好性的計畫。

準天頂衛星由公用平台和飛行任務儀器兩部分組成。公用平台包括遙測跟蹤和指令、電源、太陽電池翼、姿態軌道控制、雙組元液體推進系統、結構、熱控和儀表共8個分系統；飛行任務儀器包括定位有效載荷和二次有效載荷。

基本介紹

• 中文名：準天頂衛星
• 外文名：Quasi-Zenith Satellite，QZS
• 國家：日本
• 功能：導航定位、通信和廣播功能

簡介

準天頂衛星系統計畫是一個利用準天頂衛星衛星的高精度定位試驗系統轉發完善和增強的美國GPS各種信號，試驗、驗證並提高衛星定位系統可套用性和完好性的計畫。通過執行這項計畫，日本能掌握衛星定位系統的基本技術，增加民間機構為準天頂衛星系統提供搭載設備和利用準天頂衛星系統的機會，為日本正式啟動導航衛星計畫奠定基礎。

準天頂衛星系統首期計畫在天頂軌道位置配置3顆衛星，其運行軌道呈“8”字形，這樣可確保至少有1顆衛星能以高仰角觀測日本上空，確保在稍受或不受任何障礙物影響的情況下，可獨自、不間斷地提供定位服務，即便是在高樓林立的街心或群山環繞的農舍也能正常通信。QZS系統的3顆衛星均採用三菱電機公司的DS-2000衛星平台。三菱電機公司已積累了用這一衛星平台開發多用途運輸衛星、工程試驗衛星的經驗。用這一平台開發QZS，不但可大幅度縮短研製周期，降低研製成本，確保可靠性以及運行安全性，而且能大幅度提高衛星的有效載荷比(可高達56.1%)。

QZS由公用平台和飛行任務儀器兩部分組成。公用平台包括遙測跟蹤和指令、電源、太陽電池翼、姿態軌道控制、雙組元液體推進系統、結構、熱控和儀表共8個分系統；飛行任務儀器包括定位有效載荷和二次有效載荷。

系統建設背景

近年來，以汽車導航為代表的大量GPS 套用在日本迅速增加， GPS 正在成為日本人生活必不可少的工具。儘管如此， GPS 還是遠不能滿足用戶對它的需求，如在峽谷之間、在高樓大廈密集區域，因收不到足夠的衛星信號，使定位準確度大幅下降，甚至有時根本無法使用GPS 進行導航。基於這樣的背景，日本人提出了建立準天頂衛星系統(QZSS) ，以期改進GPS 系統的可用性和完整性，補充和增強GPS 系統功能。

早在1972 年，當時的日本電波研究所(現為信息與通信研究所) 就提出了準天頂衛星系統的概念，論證了這種系統很適合日本這樣地處中緯度、國土狹小的國家；1997 年，日本政府發表報告，要求對建立衛星導航定位系統中的三項基本技術進行自主研發，即星載原子鐘的研製、系統時間的管理和衛星的精密定軌。2002 年，日本政府綜合科學技術會議正式決定開發建立國家項目準天頂衛星系統，為導航定位、新一代移動通信等提供技術手段 。系統建成後，它將成為日本高精度定位和移動通信的中心。

在日本，廣泛套用於通信的是地球同步軌道衛星，但是它們與地面的觀測仰角普遍較低，如在東京地區，觀測仰角不超過48°，衛星發出的信號實際只能覆蓋城市面積的30 %，這樣，對於汽車等移動體的通信盲區時常發生。如果信號從天頂衛星上來，將有效解決這個問題。現在，衛星導航定位系統已經成為人類生存不可或缺的社會基礎設施，如此重要的系統完全依靠外國將是一種極大的冒險。從自己的地理環境、用途等國情出發，最終建立獨立自主的衛星導航定位系統是相當重要的。

美國政府對日本開發準天頂衛星系統給予讚許，認為準天頂衛星定位系統是對GPS 系統的補充，其操作具有互通性，並將大大改善日本及其周邊地區GPS 用戶在定位、定時和導航方面的服務質量，為該地區的經濟與公共運輸安全提供新的保障。

星座構成

準天頂衛星系統由3 顆衛星組成，它們在環繞地球的圓形軌道上以每天1 周的速度運行。每顆衛星各自有不同的軌道，分布在不同平面上，並且這3 條軌道都與地球赤道所在的平面成45°的夾角。從日本本土來看，將始終有1 顆衛星停留在靠近天空頂點的地方。衛星在地面上的投影都是同一個大8 字形。

準天頂衛星的特異軌道

在2010年完成QZS系統計畫中的首顆衛星QZS-1的發射，並經在軌運行與套用來獲得基本經驗；接著，於2012和2013財年分別發射QZS-2、3，實現三星組網運行與套用。根據套用情況，日本可能會考慮再發射4顆QZS(QZS-4~7)，從而實現七星組網運行與套用。

研發計畫與進展

準天頂衛星系統計畫採用了一種全新的開發體制，採取政府與民間企業合資的方式進行。總費用約為2 000 億日元，其中民間企業負擔1 500 億日元左右。投入的研發力量也是日本戰後空前的，除了有近十個國立研究機構參加外，還有由43 家日本企業出資組建的“新衛星企業株式會社”參與準天頂衛星系統的建設與運營：國家(即JAXA )負責衛星平台的輕型、輕量化技術研究與開發；以新衛星商業股份公司(三菱電機公司擔任主承包商)為首的民間機構負責通信廣播飛行任務和衛星平台開發；國家和民間機構共同承擔發射、跟蹤管理和控制系統的開發經費。

日本還希望通過執行QZS系統計畫來積累研究、開發、套用和管理經驗，為儘快啟動日本導航衛星計畫奠定基礎。

根據日本官方推算，系統運營後，在12 年裡將能夠產生近6 萬億日元的直接經濟效益、21 萬億日元的間接經濟效益和2. 4 萬個就業崗位。

系統的預定發展進程是：從2002 年下半年到2005 年為設計規劃階段，2006 年到2010 年為建設階段，2009 年開始發射衛星，2009 年到2010 年為在軌測試階段，到2011 年，系統開始正式服務運行。

系統功能分析

準天頂衛星系統具備以下一些優點：

首先，現在的通信衛星系統所採用的無線通信技術數位化程度和圖像處理能力偏低，新的系統將彌補這一缺陷；

其次，該系統將增強和補充GPS 系統的導航功能，實現更加精確的定位；

再次，該系統用戶有較高的觀測仰角，在日本主要地區大於70°、全日本大於60°；

最後，如果增加三顆地球靜止衛星，該系統即可擴建成為一個獨立的導航系統，而沒有任何的資源浪費。

在導航定位中，準天頂衛星系統與GPS 系統關係密切。事實上，它是一種GPS 增強系統。其主要功能有兩個，一是加強GPS 系統的完整性。準天頂衛星系統將發射類GPS 信號，頻率與GPS 相同。在僅能收到三顆GPS 衛星信號的地方，再加上準天頂衛星信號就能定位。這樣， GPS 的可用性將得到很大的改善。以東京的新宿區為例，用GPS 對汽車導航的可用時間僅為40 % ，加上準天頂衛星系統後，可用時間將提高到80 %。

另一個功能是改進GPS 系統的性能。準天頂衛星的加入將使得用戶的觀測幾何精度衰減因子GDOP 減小。對於日本其他地區，各地的觀測幾何精度衰減因子GDOP 情況與東京地區的基本上差別不大，但在日本南部和北海道地區的GDOP減小得更為明顯，這主要是由於準天頂衛星在此地更接近天頂方向的緣故。另外，準天頂衛星系統還能提供GPS 衛星的異常預警信息，給出各種GPS 系統的補正信息，如衛星鐘精密時間改正、電離層的準確數據等重要信息。

現在，中國已經發展了北斗系統，將來可以考慮它與準天頂系統合作的可能性，若能聯合使用，GDOP 將有較大的降低。特彆強調的是，在導航功能上，QZSS 僅僅是一種GPS 增強系統，現在還不是獨立的導航系統(預計將來很可能發展為獨立的) 。其發射的導航信號與GPS 相同，準天頂衛星起到的作用相當於GPS 衛星。當然，準天頂系統還具有高速通信功能，這是GPS 不具備的。

時間系統

對於準天頂衛星系統中的時間同步問題，將由位於東京都小金井市的時間管理主站與星載原子鐘、與在沖繩的時間管理副站以及與設在日本境內和海外的8～9 個衛星定軌站之間的時間保持準確同步。星載原子鐘與地面站之間的時間同步將由雙向比對方法完成。對於系統內各個部分時間的同步，針對具體的情況和條件限制，也可能採用不同時間傳遞技術相結合的方法。由於該系統衛星的運動速度將達到3 km/ s ，所以還需要對衛星跟蹤天線和信號傳遞的精密時間進行控制。

星載原子鐘定為小型氫鐘，它的研製由信息與通信研究所(NICT) 擔任 。對這種原子鐘的性能要求較高，要輕量化、長壽命化、低耗電力化和耐震性好。

準天頂衛星系統的時間溯源為日本的標準時間，由日本信息與通信研究所(NICT) 維持和發布，它將通過衛星雙向方法與GPS 的時間源U TC(USNO) (由美國海軍天文台(USNO) 維持與發布) 保持同步，目標是要使系統時間與GPS時間在任何24 h 內的同步準確度小於3 ns。該系統將採用與GPS 系統相同的秒計數方式，不加潤秒，與GPS 有相同的秒數。兩系統的時間差在準天頂衛星系統發播的導航信息中加播，發給用戶。在進行時間管理和時間同步等試驗研究的部分內容包括： ①星載鐘與地面標準時間的時間同步試驗； ②在軌時間比對單元性能的監測； ③對星載鐘時刻誤差的推定方法； ④系統時間與GPS時間之差的推定方法。

性能參數

QZS-1的主要性能參數

軌道	偏心率：小於0.099
	升交點赤經：210°(軌道初期)
	軌道傾角：39°~47°
	軌道長半軸：42156km
	中心(升交點與降交點經度之中心)經度：(135±5）°(E)
	近地點自變數：（270士2) °
	周期：23h56min
質量/kg	4100(乾質量：約1800；可搭載有效載荷：2300)
設計壽命	12年(目標)
衛星尺寸	發射時：2.9m x 3.0m x 6.0m; 在軌運行時：2.9m x 25.3m x 6.0mm
衛星功率/kW	5.3(實際功耗：4.3)
電池容量/Ah	350(鋰離子蓄電池)
有效載荷面積/平方米	約8
脈衝轉發器數量/台	12(行波管放大器)
定位有效載荷	L頻段定位信號; Ll-C/A(完善GPS技術)：中心頻率1575.42MHz；頻寬21 MHz; Ll-SA1F(增強GPS技術)：中心頻率1575.42MHz；頻寬21 MHz; L1C(完善GPS技術)：中心頻率1575.42MHz；頻寬21MHz; L2C(完善GPS技術)：中心頻率1227.60 MHz；頻寬21 MHz; L:i(完善GPS技術)：中心頻率1176.45 MHz；頻寬42.OMHz; LEX(增強GPS技術)：中心頻率1287.75 MHz；頻寬21 MHz; 時間比較信號(日本信息通信研究機構開發); 上行：14.43453GHz ； 下行：12.30669 GHz
二次有效載荷	CAM：對太陽電池翼和地球方向進行監控; TEDA：輕粒子觀測裝置、帶電電位監控器和磁強計