QZSS系统的简介和发展简史

准天顶卫星系统（日语：准天顶卫星システム，英文：Quasi-Zenith Satellite System；）是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统，旨在为在日本上空运行的美国GPS卫星提供“辅助增强”功能，提高导航定位信号接收的质量和精度。目前的计划是将民用信号的精度从十米级别提升一个数量级，控制在一米以内。

日本的准天顶卫星导航系统QZSS第一阶段包括3颗倾斜同步轨道卫星和1颗地球同步轨道（IGSO）卫星，目前已经完成4颗卫星的部署。第一颗技术试验卫星“指路者Michibiki”于2010年9月11日发射，剩下3颗QZS-2、QZS-3、QZS-4分别于2017年6月1日、2017年8月19日、2017年10月10日发射，其中QZS-3是地球同步轨道卫星，其余3颗是倾斜同步轨道卫星。三颗IGSO卫星分置于相间120°的三个轨道面上，轨道周期为23小时56分钟，倾角45°，偏心率0.1，轨道高度为31 500～40 000 公里。

图1  QZS卫星

这3颗不同高倾角轨道面的地球同步卫星，具有相同的星下点轨迹。通过选定合适的偏心率和倾角，可以使 24 h 服务区内用户观测卫星最小仰角大于 70°。这对用户来说，意味着他们可以在任何时间在天顶附近区域都可以高仰角接收到至少一颗 QZSS 卫星的信号，这就是准天顶卫星系统名称的由来。

QZSS系统由空间段和地面段组成。空间部分最初由单个 QZS（准天顶导航卫星）组成。地面部分主要包括主控站、监测站、跟踪和控制站以及其他国家研究机构的系统。将在日本和海外放置大约 10 个主控站，以更精确地估计和预测 QZS 轨道和时钟。

图2 QZSS卫星发射时间表

 为了实现QZSS计划，日本经济团体联合会决定设立以民间为主导的官民（政府与产业）合作新公司。2002年11月1日正式成立了先进空间商业公司，共有宇航、通信、广播和汽车领域内的43家企业出资，启动资金为1亿日元。

QZSS与GPS的关系

为了实现QZSS与GPS的高度兼容，在日本境内大幅度改善卫星定位服务质量，日本一直在QZSS建设之初就加强与美国GPS的合作。在2006 年 2 月 27 日，成立了美日联合机构——GPS-QZSS 技术工作组。技术工作组决定 GPS 和 QZSS 设计为可以协调互用，确保下一代 GPS 星座与日本准天顶卫星系统 (QZSS) 之间的互操作性。QZSS 采用了与 GPS 和 SBAS 信号相同的信号结构、频率、数据信息格式。

图3 GPS和QZS的协同工作模式

近年来，越来越多的国家正在开发和建立原始的卫星定位系统。只有日本的QZSS与GPS高度兼容，可以与GPS集成使用；QZSS 和 GPS 可以作为一组卫星使用。简单来说，有了 QZSS，就好像 GPS 卫星的数量增加了一样。由于QZSS可以与GPS集成使用，增加了可以同时发射卫星信号的卫星数量，从而实现了高精度、稳定的定位。这也减少了所描述的定位误差。这是日本国在以较低的成本实现一个可以对本国实现较好覆盖，并且具备正常功能的区域导航系统的一个重要措施。值得注意的是，QZSS本质是只能依附在GPS系统上工作，但这也无疑是将影响本国时间位置基本服务的基础设施的控制权放在他国手中。

中国在发展北斗系统以前，也尝试过日本的思路，投资参与欧盟伽利略的建设，从而享受伽利略的PNT服务。然而，经过上世纪海湾战争和与欧盟的磋商，大量的经济投入却无法换回对应的技术和资源，我国意识到依靠别人的导航服务不是自己的，自己国家的时空服务基础设施的控制权必须牢牢掌握在自己的手里，中国人并在20年间迅速从无到有发展北斗。

QZSS的信号与精密改正服务体制

QZSS与GPS在信号体制上是高度兼容的。在基本导航服务体制方面，QZSS卫星信号与GPS相同的有L1 C/A、L1C、L2C和L5信号，还有在1575.42MHz频率上的L1S（L1-SAIF）和在1278.75MHz频率上的L6（LEX）信号。此外在2020年以后，计划为星基增强加上L1Sb信号。

图4 导航卫星系统的信号体制差异

而其比较有特色的是QZSS 的增强服务，通过高轨卫星播发针对于GPS和QZS的精密改正信息，用户获取改正信息来获取更高质量的定位服务。具体来说有 4 种，分别是区域性增强服务 QZSS 亚米级增强服务（SLAS）和 QZSS 厘米级增强服务(CLAS)，增强日本及沿海区域的 GNSS 定位性能；广域增强服务 MADOCA-PPP 增强服务和 MSAS 星基增强系统，增强日本及周边亚太区域的 GNSS 定位性能。

图5 MSAS和SLAS服务范围

SLAS 最初由 QZSS 卫星上调制的 L1-SAIF 信号播发，信息类型与 L1 SBAS 信息类型相同。2015 年 7 月 16 日，QZSS 对服务接口文件进行更新，不再使用 L1-SAIF 信号 提供亚米级增强服务。新版接口文件声明QZSS亚米级增强服务的改正信息将通过QZSS 卫星 L1 频段上调制的 L1S 信号播发。

表1  QZSS L1S 电文信息

QZSS 卫星上的 L6 信号用于进行高精度的增强服务，播发 PPP（精密单点定位技术，精度在cm级） 增强信息、PPP-RTK （实时动态精密单点定位，精度在cm级）增强信息。发射的首颗卫星“Michibiki-Ⅰ”的L6 信号在当时被称为 LEX 信号。目前 L6 信号有两种信号结构 Block I 和 Block II，依次分为 L61 和 L62 信号，L61 和 L62 信号又分为 L6D 与 L6E 两种增强信号类型。CLAS 服务通过 L6 频段上的 L6D 信号播发增强信息实现，用于 PPP-RTK 增强，当前四颗 QZSS 卫星的 L6D 信号均提供厘米级定位增强服务，暂时仅支持 GPS、Galileo 和 QZSS 系统。称 MADOCA-PPP 增强服务，通过 L6 频段上的 L6E 信号播发增强信息实现增强服务，用于 PPP 和 PPP-AR 增强。MSAS 由日本民航局负责建设，是为日本航空提供服务的星基增强系统，其空间段由两颗 GEO 卫星组成。

综上，日本以其独有的方式，以较低的建设成本，结合GPS星座的特点和信号体制，针对自己岛国的基本国情发展了一个区域的卫星导航星座。同时，利用高轨卫星提供丰富的，不同层级的改正值服务，大大提供本国境内的导航服务性能。