[东瀛版“GPS”]解读日本“准天顶卫星”导航系统

[东瀛版“GPS”]解读日本“准天顶卫星”导航系统2010年1月20日，日本宇宙航空研究开发机构发布公报称，有日本版“GPS”卫星系统之称的“准天顶卫星”计划在2010年七八月发射首颗卫星“指路”号。这个所谓的“准天顶卫星”究竟是一个什么样的系统，与其它类似系统相比有什么特点?其潜在的军事意义又会是什么呢?“准天顶卫星”的发展日本很早就开始谋求自主卫星导航技术的发展。1972年开始了卫星与地球赤道成45。夹角运行的轨道控制技术研究，到1992年基本确认了这一控制技术的可行性。1997年3月。日本科技厅向日本宇宙开发事业部提出要求，用7年时间研制开发导航定位卫星所需的关键技术，如氢原子时钟和时间同步技术等。经过长期筹划，日本政府从2002年开始酝酿建立自己的卫星导航定位系统，并委托日本经济团体联合会设立以民间为主导的官民一体化新公司。新公司于2002年10月成立，被称为“日本新卫星商业公司”，共有43家企业出资，启动资金为1亿日元。三菱电机公司、日立制作所和丰田汽车公司等7家企业持股占77％。日本宇宙探索局(JAXA)除了与相关的研究组织合作开发高精度定位实验系统、OZS总线系统和跟踪控制系统，还负责系统的集成。根据初步技术方案的特点，该系统被称为“准天顶卫星”系统(QZSS)，整个系统的费用约为2000亿日元，其中民间企业负担1500亿左右。当时计划2008年度和2009年度发射3颗导航卫星。“准天顶卫星”系统的发展目前主要分为两个阶段。首先，将用“准天顶卫星”(QZS-1)演示用于增强GPS可用性和性能及其应用的技术验证，然后，用3颗“准天顶卫星”演示全系统的能力。虽然日本在研发“准天顶卫星”系统并加载GPS服务问题上，没有不可逾越的技术难题。但该项目启动初期，日本政府首先面临了资金严重短缺的问题。研究生产1颗“准天顶卫星”约需500多亿日元，3颗卫星加上地面设备共需约2100亿日元，而日本目前经济低迷，税收减少，拿出这笔巨额经费存在困难，其次，该系统使用的无线电频段资源也引起各方关注，因为日本“准天顶卫星”使用的以S波段发送的移动电视转播信号会对中国日后使用2GHz频带提供的第三代移动通信造成干扰，而韩国担心该系统会对其移动电视转播和通信服务产生干扰，法国同样也担心穿越北极上空的卫星电波会对法国的移动电话服务造成影响。但日本通过世界无线电通信会议(WRC)等机构与各方进行谈判和协调最终解决了“准天顶卫星”的轨道和频率问题。2009年10月，日本航天机构通过互联网和明信片征集的方式确定其首颗“准天项卫星”的名称为“指路”。由于运载火箭和卫星技术协调问题，该卫星发射时间从最初的2008年一推再推，最终确定在2010年七八月份。按照计划在1～3年内，所需3颗卫星全部发射完毕，整个系统将在2015年前全部开通使用。此后日本可能发展规模更加庞大的导航卫星计划。日本官房长官河村建夫曾宣称，如果把日本现在开发的“准天项卫星”导航系统的卫星数量从3颗追加到6颗，再加上1颗静止卫星，就能构成覆盖亚洲和太平洋大部分地区的日本自主区域卫星导航系统。“准天顶卫星”导航系统的特点根据日本目前透露的情况，日本“准天顶卫星”系统由3颗运行在不同轨道的导航卫星和1颗定位精度达0.25米的S波段通信卫星组成。它们在距地面约3.6万千米的圆形轨道上以每天绕地球一周的速度运行，这3颗卫星的轨道都与地球赤道所在平面呈45°夹角(题图)。从日本本土来看始终有1颗卫星停留在靠近天空顶点的地方。所以日本称之为“准天顶卫星”系统该系统具有通信、广播和卫星定位等多种服务功能，为新一代综合卫星系统。它与其它卫星导航系统相比有着显著的特点。定位精度高，发展潜力大日本“准天顶卫星”系统一旦服役，将可能成为目前定位精度最高的导航系统之一，据《日本经济新闻》报道，三菱电机公司在美国GPS的基础上开发出新的定位技术，能使汽车、火车在速度100千米，小时的情况下，定位精度达到0.2米。日本海上保安厅甚至宣称，如果新系统与美国GPS的24颗卫星配合使用，定位精度可提高到0.1米左右。目前美国新的GPS系统正在将定位精度提高到1米以上，俄罗斯GLONASS系统即使恢复到24颗星的水平，也只能在2011年达到1米精度，而前途尚渺茫的“伽利略”系统免费信号精度只有6米。当然，“准天顶卫星”系统的这种精度只限于日本范围内，还无法像前面几种系统扩展到全球范围，但在巨大经济利益的诱惑下，也不排除将来升级为全球定位系统的可能。受地形影响小，信号覆盖广日本“准天顶卫星”系统最大的特点之一是其在日本境内受到地形和高层建筑的影响较小。由于日本城市高层建筑众多，加之其国土纬度较高，传统系统中的定位卫星与地面夹角较小，因此地面接收器常常受建筑或山岳遮挡而无法找到卫星信号，或收到的GPS卫星信号不足，难以定位。据日本科研机构测算，现在广泛使用于通信的地球同步轨道卫星与日本本土大部分的地面仰角不超过48°，其发出的信号由于受地面高层建筑物的遮挡，实际只能覆盖城市面积的30％：而“准天顶卫星”的仰角在60。以上，能与GPS卫星系统配合。有效减少高楼和大山等障碍物的影响，提供高精度定位服务，对日本本土地点的覆盖率可达100％。抗干扰能力强，频率利用率高由于“准天项卫星”的轨道各不相同，因此即便使用相同的频率也不至于相互干扰，这样可大大提高“准天顶”系统频率的利用率，而且由于“准天顶卫星”定位于日本本土上空，通信仰角在60。以上，信号被遮挡率几乎为零，这使通信距离缩短，恶劣天气特别是降雨时对卫星信号的干扰也大幅降低，从而大幅提高了通信性能，覆盖区域集中，综合功能强目前，传统卫星定位系统由于受到卫星轨道限制。大多对地球南北两极的信号覆盖不佳，而“准天顶卫星”系统由于卫星轨道特殊，可较好地覆盖两极地区，这将为科学研究提供更多的宝贵资料。此外，作为综合卫星系统，“准天顶卫星”系统的通信能力也十分强大，其无线通信技术数字化程度和图像处理能力在现有通信卫星系统中也首屈一指。3颗“准天顶卫星”在日本领土上空轮回运行，不仅向地面发送兼容GPS的定位信号，还将使用2，6GHz前后的s波段向移动终端发送广播电视信号。这样被建筑遮蔽的用户和车辆就可以轻松享受这些服务。“准天顶卫星”导航系统的发展动因在已有众多卫星导航系统的同时，日本为什么还要耗费重金发展独立的卫星导航系统呢?解决本土定位精度低的问题日本是南北狭长的岛国，有众多远离本岛的离岛，这里定位卫星数量较少，是各种传统定位系统信号覆盖较少的地区，因此定位精度较低。例如，日本海上保安厅从2001年6月开始，用一年时间对美国GPS进行调查测试，结果表明GPS在该地的精度会随着季节、纬度和时间不同而变化，每年10月份在冲绳地区的定位误差最大，达到28米。而“准天顶卫星”系统最大的特点之一就是可以集中覆盖日本及附近地区，确保了在这一狭小地区的较高定位精度。发展自主导航卫星技术目前，全球范围内美国的GPS和俄罗斯的GLONASS系统已经建成并应用，但都开始了新的升级换代，正在建设的系统除日本的“准天顶卫星”系统外，还有中国的“北斗”系统、欧洲的“伽利略”系统。俄罗斯的GLONASS系统虽然卫星还没有全部发射到位，但作为系统建设已经基本完成。正在建设的3个系统中只有中国的“北斗”系统已经能够实时提供区域性定位功能，欧洲的“伽利略”系统也有两颗试验卫星升空。卫星导航定位技术具有重要的军民两用价值，对于一个国家的国防和军事发展具有重要意义，因此主要国家均采取措施，加快定位技术发展。而日本目前主要使用的是美国技术的GPS系统，这使日本军事和经济对美国产生了强烈依赖。发展自主的“准天顶卫星”系统是日本占领这一技术高地，摆脱依赖的无奈选择。竞争亚太卫星导航市场全球定位与导航系统在经济生活中应用越来越广泛，已经成为人们日常生活中的一项重要信息源，相关产品和服务市场迅速扩大，发展成了一个重要产业。面对具有如此巨大作用的技术和产业，有着先进航天技术的日本不甘心落于人后、失去市场，因此开发自己独立的卫星导航定位系统就成为日本政府刺激经济可持续发展的重点。日本政府预测“准天顶卫星”系统投入使用后的12年间，日本将牢牢控制本国市场，并会产生6万亿日元以上的经济效益。此外，在“准天顶卫星”系统应用方面，日本一直致力于说服韩国等亚太国家加入，或将该服务推广到中国、韩国及诸多西太平洋国家和地区，以占领亚太地区的卫星导航市场。发展国家综合通信服务能力日本“准天顶卫星”系统是兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统。日本联合邮政省在2000年6月向日本宇宙开发委员会提交了一份题为《改进日本航天开发体制，扩展航天利用新领域》的报告，提出了研制和发射国际互联网卫星的建议。经日本宇宙开发委员会同意，决定执行“完善高级互联网的空间基础设施”(i-space)计划，推进日本的高级互联网技术的发展，占领该领域的领导地位。“准天顶卫星”系统投入使用后，将使日本在卫星数字通信领域处于世界领先地位。“准天顶卫星”导航系统的军事意义日本之所以不遗余力地发展导航卫星系统除了上述可言表的原因外，还隐藏着深刻的军事动机。加强了日本本土作战的协调性冷战结束后，日本一直在谋求军事大国地位，军事战略也由“本土防御”向“海外干预”转变，要由立足于“本土防御”转向“御敌于国门之外”、“歼敌于海上”。为此，日本在推进防卫力量“合理、高效、精干”的同时，重点增强海军的远洋作战和空军的洋上防空能力。但众所周知，日本国土南北狭长，岛屿众多，军事力量被分割在南北无法相顾的几个主岛上。二战时期、美军在进攻日本时，日本决策层就曾不得不下令各战区自行作战。长期以来军事力量的整体协调行动一直是日本军事力量发展的重点，虽然采用美国GPS定位系统基本实现了军事力量的战略和战役级协调，但由于Gig在日本各岛屿上的误差太大，加之日本诸多离岛采用的坐标系也不同，因此部队和火力的战术协调无法实现。而当在本土精度非常高的“准天顶卫星”系统“嵌入”到指挥自动化系统(c4ISR)后，不但可以为其提供时间、空间坐标基准，还可以利用其优越的数字通信能力，传送侦察与指挥图像等信息，提升整个C4ISR系统性能，协调整个指挥系统的运转，增强指挥官实时了解各部队和各种作战平台位置的能力。提高了日本的区域精确打击能力为落实“先发制人”的战略，日本当前正大力加强其远程攻击能力。远程攻击力的关键便是精确度，因此，日本将提高武器的精度作为自卫队建设的当务之急。与其它制导方式相比，卫星导航定位系统的制导精度更高、成本更低廉、使用更方便。从前面分析可以看出，日本“准天顶卫星”系统具有覆盖范围集中、全天候、连续、实时的精确导航与定位能力，可为战机、舰船、战车等作战平台与武器系统和指挥员提供精确的位置、速度和时间信息，并可用于对敌目标的侦察定位以及导弹制导等。因此，日防卫厅研究部门也参与了“准天项卫星”系统的研究与建设。届时，使用“准天顶卫星”系统的精确制导弹药将比GPS等系统更加适用于日本高层建筑众多、山岳密布的地理。增强了日本对邻国的军事优势大家都知道，限制GPS信号的使用已经成为美国控制战争的一个重要手段。美国的GPS卫星系统有军用和民用两种，各国可免费使用的是民用部分，定位误差为20米。海湾战争爆发后，美担心GPS系统被伊拉克利用，降低了定位精度。日本与韩国等盟国与地区也都大量使用了美国的GPS系统，而日本与韩国等国由于领土和领海问题，军事关系复杂，一旦日本与这些同是美国军事盟友的国家和地区发生军事冲突。日本很难保证美国政府的立场，因此依赖美国GPS的军事机器就成为了无法相信的力量。而一旦日本的定位与导航能力取得了自主权，日本即占有了对周边的美国军事盟友的军事优势，日本把卫星导航系统作为经济发展和技术进步的手段无可厚非，但其潜藏的军事价值不能不引起人们的注意和警惕。编辑李海峰