衛(wèi)星導航系統(tǒng)是大國強國的標配之一。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)星導航系統(tǒng)即將完成全球組網(wǎng)，而歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)去年先后遭遇原子鐘故障和信號中斷問題。
作為世界第三大經(jīng)濟強國，日本研制了自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它雖然目前只是GPS增強系統(tǒng)，未來將擴展為獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，不僅具有很大經(jīng)濟價值，也有巨大的軍用潛力。
“準天頂”步步為營，導彈精度可提高至1米內(nèi)
美國空軍的GPS是世界上最早建成的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它也是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的代表作。GPS系統(tǒng)24顆運行衛(wèi)星均勻分布在8個軌道面上，這雖然有利于提供全球?qū)Ш蕉ㄎ恍盘?，但絕對平均主義卻不利于提高特定區(qū)域的信號強度和精度，為此美國又研制了陸基和天基的信號增強系統(tǒng)，最著名的是天基的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）。很多國家也跟進研制部署自己的GPS信號增強系統(tǒng)，包括歐洲的靜止衛(wèi)星導航重迭系統(tǒng)（EGNOS），印度的地球?qū)Ш皆鰪娤到y(tǒng)（GAGAN），日本的衛(wèi)星增強系統(tǒng)（MSAS）等。
準天頂衛(wèi)星
日本的MSAS利用多功能傳送衛(wèi)星為平臺搭載GPS信號增強載荷，在當時有效提高了日本本土及周邊的GPS信號質(zhì)量。隨著需求的增加和技術(shù)的進步，日本提出研制獨立的導航增強GPS信號系統(tǒng)的想法，2002年日本政府正式授權(quán)發(fā)展準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)，不同于WAAS、EGNOS以及日本上一代的MSAS，準天頂衛(wèi)星并不是部署到靜止軌道，而是進入傾斜同步軌道，而且星下點軌跡是獨特的變形8字形，這種軌道的特點是衛(wèi)星在日本本土上空時高度更高，而且停留時間更長，這套衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)也被形象地稱為準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）。高懸在天頂方向的準天頂導航衛(wèi)星，地面終端的接收仰角更大，對于日本多山、街道狹窄而且高樓林立的地方，準天頂?shù)募尤胩峁┝烁玫膶Ш叫l(wèi)星可用性，整套系統(tǒng)建成后日本領土內(nèi)GPS信號可用性從90%提高到99.8%左右。
日本最早計劃發(fā)射三顆準天頂衛(wèi)星，為以日本為中心的西太平洋一帶提供導航增強服務。第一顆名為指路號（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，發(fā)射后的表現(xiàn)相當令人滿意。2013年日本又決定將準天頂系統(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火箭先后把三顆準天頂衛(wèi)星送入太空，其中QZS-3衛(wèi)星兼具災害通信功能，定點于地球靜止軌道，另外三顆都在獨特的傾斜同步準天頂軌道上，2018年11月1日準天頂系統(tǒng)正式宣布建成提供服務。
準天頂衛(wèi)星的星下點軌跡是獨特的變形8字形，這種軌道的特點是衛(wèi)星在日本本土上空時高度更高，而且停留時間更長
準天頂系統(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）建立了兩個地面主控站，還有日本領土上的7個衛(wèi)星測控（TTC）站以及全球范圍的30多個監(jiān)測站。準天頂系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射L1 C/A，L1C，L2C，L5，L1S/L1-SAIF等多種信號，為GPS系統(tǒng)提供信息和信號增強，還為救災提供了通信管理服務。
根據(jù)日本的實際測試，憑借準天頂系統(tǒng)亞米級增強服務信號SLAS提供的信息增強，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。準天頂系統(tǒng)提供的GPS信號精度增強不僅具有很高的民用價值，也有巨大的軍用潛力，只要導航芯片加入對準天頂信號的支持，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)。
測試中的準天頂衛(wèi)星
準天頂自立門戶，更好為軍事服務
準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)濟價值很大，但卻只相當于GPS的信號增強器，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。準天頂衛(wèi)星的信號設計很有特色，它最早設計兼容寄生于GPS系統(tǒng)，發(fā)送的L1 C/A到L5s等信號都服務于這一目標，尤其是2002年項目啟動時不僅考慮到L1 C/A、L1和L2C這樣的前兩代民用信號，還考慮兼容未來的第三代民用信號L5，準天頂系統(tǒng)首星指路號上天，比首顆發(fā)送L5信號的GPS衛(wèi)星上天就晚了一年。準天頂?shù)腖6b/LEX信號還和歐盟的伽利略衛(wèi)星的E6信號頻率重疊，在伽利略大規(guī)模組網(wǎng)開始前就考慮對伽利略導航信號進行增強。
準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)花小錢辦大事，經(jīng)濟價值很高，日本還試圖在軍事領域有所作為。事實上，準天頂系統(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天頂項目，都反映了日本政府對準天頂系統(tǒng)軍事價值的看重。日本早已動了建設獨立衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的心思，新增加的一顆靜止軌道衛(wèi)星就是實證。這顆靜止軌道上的QZS-3衛(wèi)星，和其他三顆準天頂軌道衛(wèi)星配合，已經(jīng)具備了獨立提供導航定位服務的能力，只不過美日兩國關(guān)系十分密切，日本人不擔心美國卡脖子，并沒有用準天頂系統(tǒng)信號取代GPS的機會。
隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，準天頂未來可以為日本提供獨立的衛(wèi)星導航服務
現(xiàn)在準天頂星座才三顆準天頂軌道衛(wèi)星，雖然能保證任何時刻都有一顆衛(wèi)星高懸在日本四島上空，但衛(wèi)星數(shù)量還是太少了。日本在準天頂系統(tǒng)的研制和運行中嘗到了甜頭，打算進一步擴充準天頂星座，2018年日本政府宣布采購準天頂?shù)牡?、6、7顆衛(wèi)星，并升級地面控制部分，提高準天頂系統(tǒng)的性能。目前日本計劃2020年發(fā)射指路號的替代衛(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，2022-2023年間日本將密集發(fā)射三顆準天頂衛(wèi)星，平滑過渡到新的七星準天頂星座。
七星準天頂系統(tǒng)確保始終都有兩顆衛(wèi)星在日本本土上空，增加了導航衛(wèi)星可見數(shù)量和可用性，進一步提高了準天頂系統(tǒng)的性能，包括作為獨立衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能。準天頂系統(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)進行升級，尤其是星地雙向測距和星間測距兩項關(guān)鍵技術(shù)。日本計劃通過擴充準天頂星座和技術(shù)升級，把準天頂系統(tǒng)的空間信號用戶測距誤差（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)測設施的升級，將SIS-URE誤差降低到0.3米，為日本經(jīng)濟和軍事領域提供更好的衛(wèi)星導航服務，所以說，準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。
