2017年10月9日，日本第4顆“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”(QZSS)成功發(fā)射，至此，日本完成了QZSS系統(tǒng)空間星座第一階段的部署，為QZSS系統(tǒng)投入初始運(yùn)行創(chuàng)造了條件，是日本謀求獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航能力建設(shè)征程上的重要里程碑。按計(jì)劃，在完成系統(tǒng)測(cè)試與試運(yùn)行后，QZSS系統(tǒng)將于2018年初投入初始運(yùn)行。

　　一、探索衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，發(fā)展、部署GPS增強(qiáng)系統(tǒng)

　　1972年，日本即啟動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的探索，開始了軌道傾角為45°的軌道控制技術(shù)的研究，1992年基本確認(rèn)了這種方案的可行性。1997年3月，日本科技廳向日本宇宙開發(fā)事業(yè)部提出要求，用7年時(shí)間研究、開發(fā)導(dǎo)航定位衛(wèi)星所需的關(guān)鍵技術(shù)，如星載原子鐘技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座構(gòu)型、系統(tǒng)控制等。

　　在上述研究的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)90年代初在美國GPS系統(tǒng)即將完成初始運(yùn)行能力部署的背景下，日本啟動(dòng)了“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)”(MSAS)的發(fā)展計(jì)劃，與美國勞拉空間系統(tǒng)公司(SS/L)合作，研發(fā)集氣象觀測(cè)、GPS系統(tǒng)天基增強(qiáng)、航空通信等功能于一體的多功能運(yùn)輸衛(wèi)星。

　　20世紀(jì)90年代初，日本氣象廳(JMA)與日本民用航空局(JCAB)即決定聯(lián)合發(fā)展支持航空通信與導(dǎo)航、氣象觀測(cè)的地球靜止軌道衛(wèi)星，該計(jì)劃提出了通過改善民用航空通信、導(dǎo)航能力提升空中交通管理與監(jiān)測(cè)能力設(shè)想。這與國際民用航空組織于1991年批準(zhǔn)并啟動(dòng)的通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)/空中交通管制(CNS/ATM)計(jì)劃具有較好的一致性，因而得到了國際民用航空組織的支持。

　　20世紀(jì)90年代，日本獨(dú)立研發(fā)衛(wèi)星的能力比較薄弱，因而采取了合作研發(fā)的方式。首顆MTSAT衛(wèi)星的承包商為美國勞拉公司，日本工程技術(shù)人員全程參與，籍此積累工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。1999年11月因運(yùn)載火箭(H-2)第1級(jí)燃燒不正常導(dǎo)致首顆MTSAT衛(wèi)星發(fā)射失敗。此后，日本即啟動(dòng)了“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”(MTSAT)的獨(dú)立研發(fā)工作。2005年、2010年日本獨(dú)立研發(fā)的2顆MTSAT衛(wèi)星成功發(fā)射，提供GPS增強(qiáng)服務(wù)(其中MTSAT-1R僅提供GPS系統(tǒng)C/A碼民用信號(hào)的增強(qiáng)服務(wù)，MTSAT-1R是MTSAT-1的替代衛(wèi)星)。

　　二、增強(qiáng)與自主相結(jié)合，發(fā)展獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航能力

　　在自主研發(fā)GPS增強(qiáng)系統(tǒng)的同時(shí)，發(fā)展獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航能力成為日本衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展的新目標(biāo)。2002年，日本政府授權(quán)包括三菱電氣、日立等公司在內(nèi)先進(jìn)衛(wèi)星商業(yè)機(jī)構(gòu)(ASBC)組成的團(tuán)隊(duì)研究、制訂日本區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(JRANS)——QZSS的發(fā)展方案。

　　QZSS系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了多次調(diào)整，從最初的以增強(qiáng)GPS系統(tǒng)服務(wù)為目標(biāo)，逐步發(fā)展到以增強(qiáng)GPS服務(wù)為主，兼顧自主導(dǎo)航能力，到目前的增強(qiáng)GPS服務(wù)與提供自主導(dǎo)航服務(wù)并舉。星座衛(wèi)星數(shù)量由最初的3顆發(fā)展至4顆，最終發(fā)展至7顆;星座構(gòu)型也從3顆傾斜地球同步衛(wèi)星軌道(IGSO)衛(wèi)星，演變?yōu)?顆IGSO衛(wèi)星+1顆GEO衛(wèi)星，最終演變?yōu)?顆IGSO衛(wèi)星+2顆GEO衛(wèi)星。至此，QZSS完成了從GPS增強(qiáng)系統(tǒng)向兼顧GPS增強(qiáng)與自主導(dǎo)航服務(wù)的轉(zhuǎn)變。

　　日本是一個(gè)多城市峽谷和多山地形的國家，在觀測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)，用戶接收機(jī)需要較高的仰角才能觀測(cè)、鎖定并接收到導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)。這就使日本的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)受到不利的影響，這是日本很早就發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)最重要的原因。日本希望通過發(fā)展、部署GPS天基增強(qiáng)系統(tǒng)改善日本的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù);同時(shí)在GPS系統(tǒng)發(fā)生信號(hào)中斷時(shí)，仍能為日本提供基本的衛(wèi)星導(dǎo)航能力。此時(shí)，QZSS系統(tǒng)方案為采用高傾角地球同步軌道，衛(wèi)星數(shù)量為3顆，服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶觀測(cè)衛(wèi)星最小仰角大于70°，即用戶可在任何時(shí)間以高仰角接收到至少1顆QZSS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，這也是QZSS名稱的由來。2011年9月，在3星組網(wǎng)方案調(diào)整為4星組網(wǎng)方案，即在3顆IGSO軌道衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，增加1顆GEO軌道衛(wèi)星，改善系統(tǒng)的服務(wù)能力。

　　2004年初，在原QZSS系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，日本科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)(CSTP)首次提出了關(guān)于日本區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建議。該建議提出應(yīng)將由3顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)擴(kuò)展至7顆衛(wèi)星，構(gòu)成日本自主的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(RNSS)，為日本提供天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)。2004年9月，日本科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了關(guān)于日本航天政策的報(bào)告，提出在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，日本的長期目標(biāo)――建立自主的、補(bǔ)充GPS系統(tǒng)的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。

　　2007年5月，日本議會(huì)批準(zhǔn)了日本政府投資研制QZSS系統(tǒng)3顆衛(wèi)星中的第1顆衛(wèi)星的法案，投資750億日元(6.19億美元)研制一顆質(zhì)量不超過4t的“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”(QZS)，衛(wèi)星由日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)研制，要求最遲于2010年3月31日前發(fā)射。

　　2015年，日本發(fā)布新的《航天基本法》，明確了建立由7顆衛(wèi)星組成的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)。此后，日本制定了分兩個(gè)階段完成QZSS系統(tǒng)建設(shè)的計(jì)劃。第一階段：至2018年完成由4顆衛(wèi)星的部署，并投入運(yùn)行，即QZSS具備初始運(yùn)行能力;第二階段，至2022年完成由7顆衛(wèi)星組成的QZSS，并投入運(yùn)行，具備全面運(yùn)行能力。

　　三、穩(wěn)步推進(jìn)的QZSS系統(tǒng)建設(shè)

　　2017年，日本加快了QZSS系統(tǒng)的建設(shè)步伐，成功發(fā)射QZSS衛(wèi)星3顆，其中IGSO軌道衛(wèi)星2顆、GEO軌道衛(wèi)星3顆，完成QZSS系統(tǒng)第一階段的部署，計(jì)劃于2018年初投入初始運(yùn)行。

　　QZSS系統(tǒng)由空間段、地面運(yùn)行控制段和用戶段組成，其中空間段由2顆部署在GEO軌道、5顆部署在IGSO軌道的衛(wèi)星組成。空間段的部署分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段部署3顆IGSO衛(wèi)星+1顆GEO衛(wèi)星，其中IGSO軌道的半長軸42164km，偏心率0.075，傾角41°的IGSO軌道，GEO軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為127°(E);第二階段部署2顆IGSO衛(wèi)星+1顆GEO衛(wèi)星。

　　在系統(tǒng)論證階段，日本提出了QZSS系統(tǒng)7星星座的2個(gè)部署方案。方案一：3顆GEO衛(wèi)星+4顆IGSO衛(wèi)星;方案二：2顆GEO衛(wèi)星+5顆IGSO衛(wèi)星。最初，方案一得到了廣泛的關(guān)注與認(rèn)可，因其可提供分布較為均勻的精度稀釋因子，由于有3顆GEO軌道衛(wèi)星。因而即使有1顆GEO軌道衛(wèi)星處于維護(hù)狀態(tài)，也不會(huì)對(duì)QZSS系統(tǒng)的服務(wù)產(chǎn)生明顯影響，但最終卻選擇了方案二。雖然日本沒有說明選擇方案二的具體考慮，但普遍認(rèn)為改善IGSO軌道衛(wèi)星覆蓋的連續(xù)性可能是重要原因。

　　QZSS系統(tǒng)衛(wèi)星包括兩種型號(hào)，即GEO型號(hào)與IGSO型號(hào)。兩種型號(hào)衛(wèi)星的主要區(qū)別在于GEO型號(hào)具有提供短信服務(wù)的能力，并增加用于S頻段短信服務(wù)的拋物面天線。

　　兩種型號(hào)的QZSS衛(wèi)星均采用經(jīng)改進(jìn)的DS-2000平臺(tái)，該平臺(tái)為三軸穩(wěn)定平臺(tái)，平臺(tái)干質(zhì)量1800kg，發(fā)射質(zhì)量4100kg，設(shè)計(jì)壽命大于10年。按QZSS軌道和有效載荷的要求，平臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)。平臺(tái)電源系統(tǒng)可提供5.3kW的功率，其中分配給有效載荷系統(tǒng)功率約為2kW。

　　DS-2000平臺(tái)的改進(jìn)主要包括如下幾個(gè)方面：采用技術(shù)先進(jìn)、微小型化且滿足抗輻射等空間環(huán)境要求的高可靠性器件;采用砷化鎵太陽電池等，以達(dá)到降低平臺(tái)質(zhì)量，增加燃料攜帶量，提高有效載荷比，確保衛(wèi)星15年的設(shè)計(jì)壽命要求。

　　IGSO型號(hào)衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量4000kg，干質(zhì)量1600kg，有效載荷質(zhì)量約320kg，設(shè)計(jì)壽命15年。軌道半長軸42164km±10km，偏心率不大于0.099，軌道傾角43°±4°，升交點(diǎn)赤經(jīng)195°～210°，近地點(diǎn)角距270°±2°，周期23h56min。

　　GEO軌道衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量增加至4700kg，干質(zhì)量增加至1800kg，設(shè)計(jì)壽命15年。

　　QZSS系統(tǒng)播發(fā)GPS增強(qiáng)和自主導(dǎo)航兩類導(dǎo)航信號(hào)，并在L1S和S頻段提供短信服務(wù)，其中GEO軌道衛(wèi)星具有L1Sb的導(dǎo)航技術(shù)驗(yàn)證信號(hào)與S頻段的短信服務(wù)能力，而IGSO軌道衛(wèi)星不具備上述能力，詳見表1。

　　從系統(tǒng)信號(hào)與功能設(shè)計(jì)的角度可以看出，日本QZSS是一個(gè)以GPS系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)為主、自主導(dǎo)航為輔的區(qū)域民航衛(wèi)星系統(tǒng)，其自主導(dǎo)航信號(hào)與功能大多存在試驗(yàn)、驗(yàn)證的成分，希望獲得更高定位、導(dǎo)航性能，特別是如何提高定位精度，以滿足高精度用戶的需求。

　　短信服務(wù)是一種與“北斗”系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)類似的功能，主要為政府或相關(guān)部門、用戶提供災(zāi)難管理和應(yīng)急救援方面的短信息通信服務(wù)，以應(yīng)對(duì)因?yàn)?zāi)害造成通信系統(tǒng)損失或失效情況下的應(yīng)急通信服務(wù)。