衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是大國強(qiáng)國的標(biāo)配之一。美俄的GPS和Glonass系統(tǒng)早已廣為人知，新興系統(tǒng)中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即將完成全球組網(wǎng)，而歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)去年先后遭遇原子鐘故障和信號(hào)中斷問題。
作為世界第三大經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國，日本研制了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它雖然目前只是GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，未來將擴(kuò)展為獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅具有很大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也有巨大的軍用潛力。
“準(zhǔn)天頂”步步為營，導(dǎo)彈精度可提高至1米內(nèi)
美國空軍的GPS是世界上最早建成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它也是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代表作。GPS系統(tǒng)24顆運(yùn)行衛(wèi)星均勻分布在8個(gè)軌道面上，這雖然有利于提供全球?qū)Ш蕉ㄎ恍盘?hào)，但絕對(duì)平均主義卻不利于提高特定區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度和精度，為此美國又研制了陸基和天基的信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)，最著名的是天基的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）。很多國家也跟進(jìn)研制部署自己的GPS信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)，包括歐洲的靜止衛(wèi)星導(dǎo)航重迭系統(tǒng)（EGNOS），印度的地球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)（GAGAN），日本的衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）等。
準(zhǔn)天頂衛(wèi)星
日本的MSAS利用多功能傳送衛(wèi)星為平臺(tái)搭載GPS信號(hào)增強(qiáng)載荷，在當(dāng)時(shí)有效提高了日本本土及周邊的GPS信號(hào)質(zhì)量。隨著需求的增加和技術(shù)的進(jìn)步，日本提出研制獨(dú)立的導(dǎo)航增強(qiáng)GPS信號(hào)系統(tǒng)的想法，2002年日本政府正式授權(quán)發(fā)展準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)，不同于WAAS、EGNOS以及日本上一代的MSAS，準(zhǔn)天頂衛(wèi)星并不是部署到靜止軌道，而是進(jìn)入傾斜同步軌道，而且星下點(diǎn)軌跡是獨(dú)特的變形8字形，這種軌道的特點(diǎn)是衛(wèi)星在日本本土上空時(shí)高度更高，而且停留時(shí)間更長，這套衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)也被形象地稱為準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）。高懸在天頂方向的準(zhǔn)天頂導(dǎo)航衛(wèi)星，地面終端的接收仰角更大，對(duì)于日本多山、街道狹窄而且高樓林立的地方，準(zhǔn)天頂?shù)募尤胩峁┝烁玫膶?dǎo)航衛(wèi)星可用性，整套系統(tǒng)建成后日本領(lǐng)土內(nèi)GPS信號(hào)可用性從90%提高到99.8%左右。
日本最早計(jì)劃發(fā)射三顆準(zhǔn)天頂衛(wèi)星，為以日本為中心的西太平洋一帶提供導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。第一顆名為指路號(hào)（Michibiki）的衛(wèi)星于2010年9月11日發(fā)射，這顆衛(wèi)星基于日本的DS-2000通信衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射后的表現(xiàn)相當(dāng)令人滿意。2013年日本又決定將準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量從三顆增加到四顆，2017年6月、8月和10月10日，日本使用H-2A火箭先后把三顆準(zhǔn)天頂衛(wèi)星送入太空，其中QZS-3衛(wèi)星兼具災(zāi)害通信功能，定點(diǎn)于地球靜止軌道，另外三顆都在獨(dú)特的傾斜同步準(zhǔn)天頂軌道上，2018年11月1日準(zhǔn)天頂系統(tǒng)正式宣布建成提供服務(wù)。
準(zhǔn)天頂衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡是獨(dú)特的變形8字形，這種軌道的特點(diǎn)是衛(wèi)星在日本本土上空時(shí)高度更高，而且停留時(shí)間更長
準(zhǔn)天頂系統(tǒng)目前包括定位于東經(jīng)127度的QZS-3衛(wèi)星，以及3顆準(zhǔn)天頂軌道衛(wèi)星，日本在常陸太田（Hitachi-Ota）和神戶（Kobe）建立了兩個(gè)地面主控站，還有日本領(lǐng)土上的7個(gè)衛(wèi)星測控（TTC）站以及全球范圍的30多個(gè)監(jiān)測站。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射L1 C/A，L1C，L2C，L5，L1S/L1-SAIF等多種信號(hào)，為GPS系統(tǒng)提供信息和信號(hào)增強(qiáng)，還為救災(zāi)提供了通信管理服務(wù)。
根據(jù)日本的實(shí)際測試，憑借準(zhǔn)天頂系統(tǒng)亞米級(jí)增強(qiáng)服務(wù)信號(hào)SLAS提供的信息增強(qiáng)，極大地提高了GPS終端的定位精度，日本本土GPS/QZSS終端的水平定位精度普遍達(dá)到了1米以內(nèi)，而早期GPS民用終端定位精度只有10米，現(xiàn)在也只有2-3米。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)提供的GPS信號(hào)精度增強(qiáng)不僅具有很高的民用價(jià)值，也有巨大的軍用潛力，只要導(dǎo)航芯片加入對(duì)準(zhǔn)天頂信號(hào)的支持，美軍的JDAM或JSOW炸彈在別處誤差好幾米的話，在西太平洋區(qū)域精度可能在1米以內(nèi)。
測試中的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星
準(zhǔn)天頂自立門戶，更好為軍事服務(wù)
準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值很大，但卻只相當(dāng)于GPS的信號(hào)增強(qiáng)器，這讓日本很不甘心。雖然日本沒有了世界爭霸的野心，但仍力圖有所作為。準(zhǔn)天頂衛(wèi)星的信號(hào)設(shè)計(jì)很有特色，它最早設(shè)計(jì)兼容寄生于GPS系統(tǒng)，發(fā)送的L1 C/A到L5s等信號(hào)都服務(wù)于這一目標(biāo)，尤其是2002年項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)不僅考慮到L1 C/A、L1和L2C這樣的前兩代民用信號(hào)，還考慮兼容未來的第三代民用信號(hào)L5，準(zhǔn)天頂系統(tǒng)首星指路號(hào)上天，比首顆發(fā)送L5信號(hào)的GPS衛(wèi)星上天就晚了一年。準(zhǔn)天頂?shù)腖6b/LEX信號(hào)還和歐盟的伽利略衛(wèi)星的E6信號(hào)頻率重疊，在伽利略大規(guī)模組網(wǎng)開始前就考慮對(duì)伽利略導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。
準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)花小錢辦大事，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高，日本還試圖在軍事領(lǐng)域有所作為。事實(shí)上，準(zhǔn)天頂系統(tǒng)2013年增加一顆靜止軌道衛(wèi)星，以及挪用“輝夜姬2”月球著陸器的資金用于準(zhǔn)天頂項(xiàng)目，都反映了日本政府對(duì)準(zhǔn)天頂系統(tǒng)軍事價(jià)值的看重。日本早已動(dòng)了建設(shè)獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的心思，新增加的一顆靜止軌道衛(wèi)星就是實(shí)證。這顆靜止軌道上的QZS-3衛(wèi)星，和其他三顆準(zhǔn)天頂軌道衛(wèi)星配合，已經(jīng)具備了獨(dú)立提供導(dǎo)航定位服務(wù)的能力，只不過美日兩國關(guān)系十分密切，日本人不擔(dān)心美國卡脖子，并沒有用準(zhǔn)天頂系統(tǒng)信號(hào)取代GPS的機(jī)會(huì)。
隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，準(zhǔn)天頂未來可以為日本提供獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)
現(xiàn)在準(zhǔn)天頂星座才三顆準(zhǔn)天頂軌道衛(wèi)星，雖然能保證任何時(shí)刻都有一顆衛(wèi)星高懸在日本四島上空，但衛(wèi)星數(shù)量還是太少了。日本在準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的研制和運(yùn)行中嘗到了甜頭，打算進(jìn)一步擴(kuò)充準(zhǔn)天頂星座，2018年日本政府宣布采購準(zhǔn)天頂?shù)牡?、6、7顆衛(wèi)星，并升級(jí)地面控制部分，提高準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的性能。目前日本計(jì)劃2020年發(fā)射指路號(hào)的替代衛(wèi)星QZS-1R，從這顆衛(wèi)星開始根據(jù)美日協(xié)調(diào)不再發(fā)送L1 C/A信號(hào)，2022-2023年間日本將密集發(fā)射三顆準(zhǔn)天頂衛(wèi)星，平滑過渡到新的七星準(zhǔn)天頂星座。
七星準(zhǔn)天頂系統(tǒng)確保始終都有兩顆衛(wèi)星在日本本土上空，增加了導(dǎo)航衛(wèi)星可見數(shù)量和可用性，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的性能，包括作為獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)未來不止要發(fā)射三顆新衛(wèi)星，還將使用大量新技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，尤其是星地雙向測距和星間測距兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。日本計(jì)劃通過擴(kuò)充準(zhǔn)天頂星座和技術(shù)升級(jí)，把準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的空間信號(hào)用戶測距誤差（SIS-URE）從2023年的2.6米逐步降低到1米，在2035年后全部七顆準(zhǔn)天頂都具備星間測距和星地雙向測距能力后，結(jié)合地面控制和監(jiān)測設(shè)施的升級(jí)，將SIS-URE誤差降低到0.3米，為日本經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域提供更好的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，所以說，準(zhǔn)天頂雖然表面上披著民用的“皮”，但“骨子”上卻有著日本軍事方面的重要考慮。
