“2023年日本要建成獨立于GPS之外的自主衛星導航系統。”

之前不是說好隻做一個基于美國GPS的輔助導航星座麼？怎麼突然之間日本也要搞衛星導航“獨立自主”了？

全球衛星導航系統出現的幾十年來，已經深刻地改變了人類的生活。外賣、導航、測繪、建築、航運等方面，全球導航系統都發揮着不可替代的作用，可以說是“大國标配”。

目前世界四大衛星導航系統，是美國的GPS，中國的北鬥，俄羅斯的格洛納斯和歐洲的伽利略系統。其中GPS是目前使用和覆蓋範圍最廣的定位系統，24顆GPS衛星覆蓋了全球98%的地域。中國的北鬥系統由北鬥一期的三個高軌道靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，在亞太地區的穩定性和導航精度均要強于GPS系統。

而格洛納斯和伽利略系統相對于前面兩位大哥就差了不少。俄羅斯的格洛納斯因為财政問題一直處于半停滞狀态，很多衛星已經是幾十年的老星了，系統升級緩慢，最近幾年定位效果愈發下降。而歐洲的伽利略系統則是一個民用标準的定位系統，核心部件原子鐘三天兩頭出問題，穩定性一直令人诟病。

除了這四個完善的定位系統之外，印度、日本等國家也紛紛完成了自己的區域衛星導航系統。這些系統由3-7顆衛星組成，分别可以支持南亞或者亞太地區的高精度導航任務。

日本的區域衛星定位系統叫做“準天頂系統”（QZSS），由日本衛星定位研究和應用中心（SPRAC）負責。由于定位系統具有非常大的非民用應用潛力，日本很難像印度一樣公開宣布要開發自己的定位系統。所以準天頂系統的初期目标是作為美國GPS系統在亞太地區的補充，增強GPS在亞太地區的定位精度。

如上圖所示，目前已經建成的準天頂系統由3顆IGSO衛星組成，這些衛星使用大橢圓軌道，這種軌道可以保證三顆衛星長期在日本上空徘徊，與日本在亞太地區的定位需求是相當的。

為什麼要使用三個衛星呢？衛星導航技術就是根據地面接收器接受測算接受導航衛星的時差來确定位置的。地面的一個位置有三個未知數，就需要三顆衛星的數據來構建三個方程。再加上地面接收系統的時間精準程度無法與原子鐘授時的導航衛星相比，這又出現了一個“時差”的未知數。這也是為何純粹的空中衛星導航，需要至少4顆衛星同時出現在頭頂。

但是，中國在2003年5月建成的第一代北鬥導航系統卻隻有三顆衛星，其中的一顆還是備份星，隻使用兩顆衛星又如何解算三個未知數據呢？

這時候就需要地面站的輔助了。北鬥地面終端首先向地面站發出定位請求，地面站開始向兩顆北鬥衛星進行廣播。兩顆北鬥衛星接到廣播後，經由衛星轉發器向指定區域内的用戶進行廣播，終端接受到衛星廣播之後，再向兩顆衛星返回響應信号。在這期間地面站測試兩個時間延遲：地面站-衛星-終端-衛星-地面站和地面站-衛星-終端-另一顆衛星-地面站的時間。再結合指定區域的高度圖，給出最終定位結果。

北鬥初代系統的問題在于為了保證定位精度，北鬥一号的衛星高度非常高，先天累積了大量誤差。再者是這種定位依賴地面站和高精度地圖，許多野外場景本來就是地面站覆蓋不好再加上地圖模糊，這使得北鬥一代在野外場景的定位精度隻有100米左右。

但是作為一款完全獨立自主的定位系統，再加上編碼完全保密，可以講北鬥一号誕生之初就是朝着世界一流定位系統去的。

回到日本的準天頂系統，目前日本導航系統的定位連北鬥一号的定位也不如。主要體現在以下三點：

首先準天頂系統當初是作為GPS系統的補充系統使用的，為了避免GPS終端需要升級才能兼容準天頂系統，系統的定位編碼初期就采用了和GPS相同的編碼形式。連星載原子鐘都和GPS相同，完全受制于GPS時（GPS time scale GPST）。

準天頂系統使用的JGS坐标系統，相對于GPS使用的WGS48地理坐标參考系統的誤差隻有0.02米，也是聊勝于無。

最後，由于準天頂系統目前隻有3顆衛星，從前文知道高精度的定位至少要4顆衛星才能完成。所以準天頂系統需要GPS主監測站、QZSS和GPS聯合主檢測站、遙測控制和導航電報上行注入站共同工作。和北鬥一代一樣，準天頂系統也是通信衛星兼任定位系統，對地面站依賴的情況是骨子裡帶來的。但是不同的是，北鬥能完成完全的自主，但是準天頂的每一次主動定位請求都要過GPS主監測站，沒有什麼隐私可言。對GPS的依賴使之難以獨立進行定位任務。

日本QZSS控制中心和地面站

就在2021年10月26日，日本使用H2火箭發射了新一代的準天頂系統衛星，這是準天頂衛星的第四個衛星，作用已經超過了作為GPS增強星座的定位。緊接着日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣布日本将在2023年前，完成一個7顆星的獨立定位系統。

7星定位星座不少國家在搞，第一個明确提出了實際上是“有聲有色的大國”印度。印度就準備建設一個由3顆同步軌道衛星和4顆中軌道衛星構成的印度區域衛星導航系統。但是，印度的執行能力一直為人诟病，目前這個計劃處在不停地跳票中。

日本想把準天頂系統改成7星定位星座目前有以下幾個難點：

有沒有能力，敢不敢和GPS完全分割出來。如果确定分割，這意味着從原子鐘到編碼形式都必須有一套區别于已有的4大導航系統的新标準，并且之前的GPS增強任務能不能兼容又成了新的問題。

“獨立”的衛星導航系統究竟有多獨立？目前準天頂系統需要QZSS和GPS聯合主檢測站的支持，如果日後的準天頂系統所以信息都從日本自己的QZSS走，GPS方會不會有意見。7星定位方案肯定不如目前的GPS增強方案，執意進行“獨立”的衛星導航系統到底想用在什麼地方呢？

車載QZSS終端

說到底就是目前日本的導航技術發展之初給自己的定位就是GPS打打下手，已經完全是GPS的形狀了，這個時候指望再加四顆衛星就能“獨立”自主，技術和非技術的難題可遠超過射4顆衛星這麼簡單了。

當年日本GPS定位精度遠超世界其他區域時，不知道有多少國家也想搞一個類似的增強星座。但是咱們不，即使定位精度落後GPS一個時代，咱們也要搞正真獨立自主的定位系統。現在中國北鬥已經發展成世界四大導航系統之一，穩穩地保二争一的水平，但日本現在還在GPS的陰影下苦苦掙紮。

有句話怎麼說的來着：年輕的時候她并不知道，所有命運的饋贈早在暗中标好了價格。

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