准天顶卫星系统
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准天顶卫星系统（日语：準天頂衛星システム，英语：Quasi-Zenith Satellite System；缩写：QZSS）是以人造卫星透过时间和频率转换完成全球定位系统区域性功能的卫星扩增系统。此系统具有4颗卫星，主要服务日本，亦覆盖东亚、澳洲等地。[1]于2018年11月1日正式启用[2]。通过使用专用接收设备可以提供10厘米以下的定位精度。
| 国家或地区 |  日本 |
|---|---|
| 运行组织 | 宇宙航空研究开发机构 |
| 类型 | 民用 |
| 状态 | 实施中 |
| 覆盖范围 | 区域性 |
| 精度 | 0.01－1米 |
| 星座规模 | |
| 卫星总数 | 11 |
| 在轨卫星数量 | 5 |
| 首次发射 | 2010年9月 |
| 上一次发射 | 2021年10月26日 |
| 轨道类型 | |
| 轨道构型 | 3x GSO |
| 其他信息 | |
| 造价 | 1,700亿日元 |
准天顶卫星系统是针对移动应用系统提供视讯基础服务（影像、声音和资料）和定位资讯。对于其定位服务，在独立模式下工作时，QZSS目前只能提供有限的精度，因此他将被视为是全球导航卫星系统扩增服务。它的定位服务还将与目前日本还在发展中的多功能运输卫星（Multi-Functional Transport Satellite）结合。这是一个类似美国联邦航空管理局的广域增强系统。
历史
日本政府在2002授权，由先进空间商业公司（Advanced Space Business Corporation）开始发展准天顶卫星系统，原本设计由三枚卫星组成。这个团队包括三菱电机、日立、伊藤忠商事、日本电气、三菱商事、丰田汽车等59家相关企业、和全球导航卫星系统技术公司 （GNSS Technologies Inc）。然而，由于所需资金庞大，这项工作于2007年由卫星定位研究与应用中心（Satellite Positioning Research and Application Center ）接手。卫星定位研究与应用中心由日本政府文部科学省 、总务省、经济产业省和国土交通省四个部门组成[3]。
2010年9月11日，首枚卫星“引路”成功发射。2013年，日本内阁府宣布将卫星由三枚增加至四枚。其后，日本在2017年6月、8月及10月先后发射了第二、三及四枚卫星，初步建成了准天顶卫星系统。2021年10月26日，首颗卫星的替补卫星发射成功。日本政府计划在2025年把准天顶系统扩建到7枚卫星，令系统可在没有GPS讯号的情况下独立运作。[4][5]
2023年5月，日本政府宣布计划扩建到11枚卫星。独立及完整的日本系统能在没有美国卫星讯号的情况下，继续提供高精确度的定位服务，以保障国家安全。身兼太空政策委员会成员及东京大学教授的铃木和人称，11枚卫星可视为一套全整的（区域型）卫星导航系统。[6]
QZSS和定位扩增
QZSS可在两方面增强全球定位系统的效能：可用性，增进GPS信号的可用性；其次为效能改善，增加GPS导航的准确度和可靠度。
准天顶卫星发送的GPS可用性增强讯号和现代化的GPS讯号相容，因此确保了两系统的互通性。QZS将发送L1C/A 信号、L1C信号、L2C信号和 L5信号。这将大大减少对于规范及接收机设计的改动。
QZS能经由L1-SAIF及LEX次米级效能增强讯号，提供测距校正资料。因此相较于独立的GPS，GPS加上QZSS组成的联合系统可提供更好的定位效能。另外，通过故障监测和系统健康资料的通报，提高了可靠度。QZSS还提供使用者其他辅助资料，改善GPS信号撷取。
依据原本的计画，QZS携带两种类型的太空用原子钟：氢迈射和铷原子钟。但被动式氢迈射的发展已于2006年终止。定位信号将由铷原子钟生成，采用类似GPS报时系统的体系结构。QZSS将使用双向卫星时间和频率传输架构（TWSTFT，Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer），这将可以获得卫星原子钟在太空中的标准行为和一些其它研究的基础知识。
QZSS 的计时和远端同步
虽然第一代QZSS的计时系统（TKS，timekeeping system）使用铷原子钟，但第一个QZS将携带一个实验性质的晶体时钟同步系统原型。在两年轨道测试阶段的第一年，这个系统将进行初步的测试，研究无原子钟技术的可行性，其成果将使用于第二代的QZSS上。
此QZSS TKS技术是一种新的卫星计时系统，它不需要像现存的导航系统如GPS、格洛纳斯系统和伽利略系统使用机载的原子钟。此系统的特点在于采用了一种结合轻量化可调式机载钟及地面同步网路的同步框架，使用机载钟转发由地面网路得到的精确时间。在卫星可以直接联系地面站的情况下，这个系统可以得到最好的效能，因此适合像日本QZSS这样的系统使用。这种新系统的最大优势在于低卫星质量、低卫星制造和发射成本。此概念的大纲和两种可能的实现方法，发表于Fabrizio Tappero的博士研究[7]。
卫星参数
| — | 1号 | 2号/4号 | 3号 | 1号替补 |
|---|---|---|---|---|
| 轨道 | 准天顶轨道 | 准天顶 | GEO | 准天顶 |
| 轨道位置 4星模式 |
东经135° | 东经135° | 东经127° | 不适用 |
| 轨道位置 7星模式 |
东经148° | 东经139° | 东经127° | 东经148° |
| 测位信号 | L1-C/A, L1C, L1S, L2C, L5, L6 |
L1-C/A, L1C, L1S, L2C, L5, L5S, L6 |
L1-C/A, L1C, L1S, L1Sb, L2C, L5, L5S, L6 |
L1-C/A (L1-C/B*1), L1C, L1S, L2C, L5, L5S, L6 |
| L波段天线 | ||||
| 功率 | 5.3kW | 6.3kW | 6.3kW | 6.3kW |
| 卫星重量 | 约4t | 约4t | 约4.7t | 约4t |
| 设计寿命 | 10年以上 | 15年以上 | ||
| 发射时间 （UTC+9） |
2010年9月11日 20时17分 |
2017年6月1日9时17分46秒 2017年10月10日7时01分37秒 |
2017年8月19日 14时29分 |
2021年10月26日 11时19分37秒 |
| 发射载具 | H-IIA F18（202） | 2号：H-IIA F34（202） 4号：H-IIA F36（202） |
H-IIA F35（204） | H-IIA F44（202） |
参考文献
引用
- ^ Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO). Quasi-Zenith Satellite System(QZSS). [2019-07-08]. （原始内容存档于2019-07-08） （英语）.
- ^ 日本版GPS启用 误差10厘米以下. 日经中文网. [2018-11-02] （日语）.
- ^ Service Status of QZSS (PDF). 2008-12-12 [2009-05-07]. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-25）.
- ^ Japan mulls seven-satellite QZSS system as a GPS backup. SpaceNews. 15 May 2017 [10 August 2019].
- ^ Kriening, Torsten. Japan Prepares for GPS Failure with Quasi-Zenith Satellites. SpaceWatch.Global. 23 January 2019 [10 August 2019]. （原始内容存档于2019-04-19）.
- ^ Kawahara, Satoshi. Japan plans expansion of homegrown GPS network to 11 satellites. Nikkei Asia. 2023-05-08 [2023-05-22]. （原始内容存档于2023-09-02）.
- ^ Fabrizio Tappero. Remote Synchronization Method for the Quasi-Zenith Satellite System: study of a novel satellite timekeeping system which does not require on-board atomic clocks. VDM Verlag. 2009-05-24. ISBN 978-3-639-16004-8.
来源
- Quasi-Zenith Satellites System （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
- High Accuracy Positioning Experiment System Using Quasi-Zenith Satellites System（JAXA）（日语）
- Petrovski, Ivan G. QZSS - Japan's New Integrated Communication and Positioning Service for Mobile Users. GPS World Online. June 1, 2003.
- Kallender-Umezu, Paul. Japan Seeking 13 Percent Budget Hike for Space Activities （页面存档备份，存于互联网档案馆）.] Space.com. September 7, 2004.
- QZSS / MSAS Status （页面存档备份，存于互联网档案馆） Kogure, Satoshi. Presentation at the 47th Meeting of the Civil Global Positioning System Service Interface Committee（CGSIC）. September 25, 2007.
参见
- 全球定位系统(GPS)
- 格洛纳斯系统(GLONASS)
- 多普勒卫星涮轨和无线电定位组合系统(DORIS/朵丽丝系统)
- 北斗卫星导航系统(BDS)
- 伽利略定位系统(Galileo)
- 印度区域导航卫星系统(IRNSS)
- 辅助全球卫星定位系统(AGPS)
- 北斗卫星导航试验系统
- GPS误差分析(Error analysis for the GPS)
- 卫星导航系统（GNSS）
- 多功能运输卫星（MSAS）