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澎湃防务

高边疆之谋⑱|日本卫星导航系统,“民皮军骨”军用潜力大

澎湃新闻特约撰稿 张雪松

2020-01-13 11:12  来源:澎湃新闻

卫星导航系统是大国强国的标配之一。美俄的GPS和Glonass系统早已广为人知,新兴系统中国北斗卫星导航系统即将完成全球组网,而欧洲伽利略卫星导航系统去年先后遭遇原子钟故障和信号中断问题。
作为世界第三大经济强国,日本研制了自己的卫星导航系统,它虽然目前只是GPS增强系统,未来将扩展为独立的卫星导航系统,不仅具有很大经济价值,也有巨大的军用潜力。
“准天顶”步步为营,导弹精度可提高至1米内
美国空军的GPS是世界上最早建成的全球卫星导航定位系统,它也是卫星导航系统的代表作。GPS系统24颗运行卫星均匀分布在8个轨道面上,这虽然有利于提供全球导航定位信号,但绝对平均主义却不利于提高特定区域的信号强度和精度,为此美国又研制了陆基和天基的信号增强系统,最著名的是天基的广域增强系统(WAAS)。很多国家也跟进研制部署自己的GPS信号增强系统,包括欧洲的静止卫星导航重迭系统(EGNOS),印度的地球导航增强系统(GAGAN),日本的卫星增强系统(MSAS)等。
准天顶卫星
日本的MSAS利用多功能传送卫星为平台搭载GPS信号增强载荷,在当时有效提高了日本本土及周边的GPS信号质量。随着需求的增加和技术的进步,日本提出研制独立的导航增强GPS信号系统的想法,2002年日本政府正式授权发展准天顶卫星系统,不同于WAAS、EGNOS以及日本上一代的MSAS,准天顶卫星并不是部署到静止轨道,而是进入倾斜同步轨道,而且星下点轨迹是独特的变形8字形,这种轨道的特点是卫星在日本本土上空时高度更高,而且停留时间更长,这套卫星导航增强系统也被形象地称为准天顶卫星系统(QZSS)。高悬在天顶方向的准天顶导航卫星,地面终端的接收仰角更大,对于日本多山、街道狭窄而且高楼林立的地方,准天顶的加入提供了更好的导航卫星可用性,整套系统建成后日本领土内GPS信号可用性从90%提高到99.8%左右。
日本最早计划发射三颗准天顶卫星,为以日本为中心的西太平洋一带提供导航增强服务。第一颗名为指路号(Michibiki)的卫星于2010年9月11日发射,这颗卫星基于日本的DS-2000通信卫星平台,发射后的表现相当令人满意。2013年日本又决定将准天顶系统的卫星数量从三颗增加到四颗,2017年6月、8月和10月10日,日本使用H-2A火箭先后把三颗准天顶卫星送入太空,其中QZS-3卫星兼具灾害通信功能,定点于地球静止轨道,另外三颗都在独特的倾斜同步准天顶轨道上,2018年11月1日准天顶系统正式宣布建成提供服务。
准天顶卫星的星下点轨迹是独特的变形8字形,这种轨道的特点是卫星在日本本土上空时高度更高,而且停留时间更长
准天顶系统目前包括定位于东经127度的QZS-3卫星,以及3颗准天顶轨道卫星,日本在常陆太田(Hitachi-Ota)和神户(Kobe)建立了两个地面主控站,还有日本领土上的7个卫星测控(TTC)站以及全球范围的30多个监测站。准天顶系统卫星发射L1 C/A,L1C,L2C,L5,L1S/L1-SAIF等多种信号,为GPS系统提供信息和信号增强,还为救灾提供了通信管理服务。
根据日本的实际测试,凭借准天顶系统亚米级增强服务信号SLAS提供的信息增强,极大地提高了GPS终端的定位精度,日本本土GPS/QZSS终端的水平定位精度普遍达到了1米以内,而早期GPS民用终端定位精度只有10米,现在也只有2-3米。准天顶系统提供的GPS信号精度增强不仅具有很高的民用价值,也有巨大的军用潜力,只要导航芯片加入对准天顶信号的支持,美军的JDAM或JSOW炸弹在别处误差好几米的话,在西太平洋区域精度可能在1米以内。
测试中的准天顶卫星
准天顶自立门户,更好为军事服务
准天顶卫星系统经济价值很大,但却只相当于GPS的信号增强器,这让日本很不甘心。虽然日本没有了世界争霸的野心,但仍力图有所作为。准天顶卫星的信号设计很有特色,它最早设计兼容寄生于GPS系统,发送的L1 C/A到L5s等信号都服务于这一目标,尤其是2002年项目启动时不仅考虑到L1 C/A、L1和L2C这样的前两代民用信号,还考虑兼容未来的第三代民用信号L5,准天顶系统首星指路号上天,比首颗发送L5信号的GPS卫星上天就晚了一年。准天顶的L6b/LEX信号还和欧盟的伽利略卫星的E6信号频率重叠,在伽利略大规模组网开始前就考虑对伽利略导航信号进行增强。
准天顶卫星系统花小钱办大事,经济价值很高,日本还试图在军事领域有所作为。事实上,准天顶系统2013年增加一颗静止轨道卫星,以及挪用“辉夜姬2”月球着陆器的资金用于准天顶项目,都反映了日本政府对准天顶系统军事价值的看重。日本早已动了建设独立卫星导航定位系统的心思,新增加的一颗静止轨道卫星就是实证。这颗静止轨道上的QZS-3卫星,和其他三颗准天顶轨道卫星配合,已经具备了独立提供导航定位服务的能力,只不过美日两国关系十分密切,日本人不担心美国卡脖子,并没有用准天顶系统信号取代GPS的机会。
随着卫星数量的增多,准天顶未来可以为日本提供独立的卫星导航服务
现在准天顶星座才三颗准天顶轨道卫星,虽然能保证任何时刻都有一颗卫星高悬在日本四岛上空,但卫星数量还是太少了。日本在准天顶系统的研制和运行中尝到了甜头,打算进一步扩充准天顶星座,2018年日本政府宣布采购准天顶的第5、6、7颗卫星,并升级地面控制部分,提高准天顶系统的性能。目前日本计划2020年发射指路号的替代卫星QZS-1R,从这颗卫星开始根据美日协调不再发送L1 C/A信号,2022-2023年间日本将密集发射三颗准天顶卫星,平滑过渡到新的七星准天顶星座。
七星准天顶系统确保始终都有两颗卫星在日本本土上空,增加了导航卫星可见数量和可用性,进一步提高了准天顶系统的性能,包括作为独立卫星导航定位系统的性能。准天顶系统未来不止要发射三颗新卫星,还将使用大量新技术进行升级,尤其是星地双向测距和星间测距两项关键技术。日本计划通过扩充准天顶星座和技术升级,把准天顶系统的空间信号用户测距误差(SIS-URE)从2023年的2.6米逐步降低到1米,在2035年后全部七颗准天顶都具备星间测距和星地双向测距能力后,结合地面控制和监测设施的升级,将SIS-URE误差降低到0.3米,为日本经济和军事领域提供更好的卫星导航服务,所以说,准天顶虽然表面上披着民用的“皮”,但“骨子”上却有着日本军事方面的重要考虑。
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责任编辑:谢瑞强
校对:施鋆
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