日本、印度衛星導航系統發展綜述

趙爽 （北京空間科技信息研究所）

目前，國際上幾個主要航天開發國家和區域組織都建立了或正在部署自己的衛星導航系統，如美國擁有已經部署完成的全球覆蓋的衛星導航系統—GPS系統和部署完成的星基增強系統“廣域增強系統”（WAAS）；俄羅斯擁有已經部署完成的全球覆蓋的衛星導航系統—GLONASS系統和正在發展的星基增強系統“差分校正和監測系統”（SDCM）；歐盟正在發展其全球覆蓋的衛星導航系統—“伽利略”（Galileo）導航衛星系統和正在發展的星基增強系統“歐洲地球靜止導航重疊服務”（EGNOS）系統；中國發展的全球覆蓋系統—“北斗二代”衛星導航系統目前已經實現區域覆蓋，同時這也是一個衛星導航系統與星基增強系統統一籌劃建設的系統。除了上述四大全球覆蓋的衛星導航系統之外，日本和印度正在發展的衛星導航區域覆蓋系統及星基增強系統，也是目前國際衛星導航領域一股不可忽視的力量。其中，印度發展的衛星導航區域覆蓋系統名為“印度區域導航衛星系統”（IRNSS），星基增強系統名為“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”（GAGAN）；日本發展衛星導航區域覆蓋系統名為“準天頂衛星系統”（QZSS），星基增強系統名為“多功能衛星星基增強系統”（MSAS）。

1 日本衛星導航系統發展

“準天頂衛星系統”

“準天頂衛星系統”是日本正在研發與建設的天基導航增強系統，也是日本建設自主區域導航衛星系統的第一步。按最初的設想，日本區域導航衛星系統的建設將分兩個階段進行：第一階段，建設由3顆衛星組成的“準天頂衛星系統”；第二，建設由4顆“準天頂”衛星和3顆靜止軌道衛星（共7顆衛星）組成的區域導航衛星系統。

2010年9月11日，日本首顆“準天頂衛星系統”衛星發射成功。目前，該衛星已經投入運行服務，有效地提高了日本衛星導航服務的能力。“準天頂衛星系統”衛星主承包商為日本三菱電機公司，衛星采用日本自主研發的靜止軌道通信衛星平臺DS－2000，衛星質量4100kg，設計壽命10年。

日本“準天頂衛星系統”衛星主要參數表

日本“準天頂衛星系統”衛星導航信號

“準天頂衛星系統”部署完成并投入使用后，將極大地改善日本衛星導航信號的可見性，特別是改善城市峽谷效應，提高導航信號的可用性，滿足日本日益增長的衛星導航服務需求。

2012年9月21日，日本政府批準了由1顆地球靜止軌道（G E O）衛星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星及其地面控制段組成的“準天頂衛星系統”建設計劃，投資總額約34億美元，計劃于2018年前完成部署。

2013年4月，日本政府簽署了3顆“準天頂衛星系統”衛星的采購合同，按計劃第2、3顆衛星部署在地球同步軌道，第4顆衛星部署在地球靜止軌道。目前，日本正在開展上述3顆衛星的研制工作，并積極開展國際合作，力爭在亞太地區推廣“準天頂衛星系統”的應用。

2014年，日本修改了“防衛航天開發利用基本方針”，將“準天頂衛星系統”的應用擴展至軍事領域，并積極謀劃利用GPS現代化改進提升日本軍事定位導航授時能力。

“多用途衛星星基增強系統”

日本“多用途衛星星基增強系統”是基于2顆多功能衛星的GPS星基增強系統，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務。系統覆蓋范圍為日本所有飛行服務區，也可以為亞太地區的機動用戶播發氣象數據信息。該項目由日本氣象局和日本交通部于1996年開始實施，合同承包商是阿爾卡特、東芝和三菱電機公司。

“多用途衛星星基增強系統”的空間段由2顆“多用途運輸衛星”（MTSat）組成，他們是日本發展的地球靜止軌道氣象和環境觀測衛星—“向日葵”（Himawari）衛星的第二代。“多用途運輸衛星”是日本國土交通省和日本氣象廳共同出資發展的氣象觀測與GPS系統導航增強衛星。除了為日本氣象廳提供氣象服務外，還為日本民航局執行航空運輸管理和導航服務。美國勞拉空間系統公司是多用途運輸衛星－1/1R的主承包商，日本三菱電機公司是多用途傳輸衛星－2的主承包商。截至目前，在軌運行的衛星包括多用途運輸衛星－1R、2，分別位于140°（E）和145°（E）上，采用Ku、L兩個頻段，其中Ku頻段主要用于播發氣象數據，L頻段與GPS L1頻段相同，主要用于導航服務。

“多用途衛星星基增強系統”的地面段包括8個參考站：2個主控站分別位于神戶和常陸太田，4個地面監測站（GMS）分別位于福岡、札幌、東京和那霸，2個監測測距站（MRS）分別位于夏威夷和澳大利亞。

日本“多用途衛星星基增強系統”構成

日本多用途運輸衛星－1R

“多用途衛星星基增強系統”已于2007年9月實現初始運行，完成了地面系統以及2顆多用途運輸衛星－2的集成、衛星覆蓋區域測試以及“多用途運輸衛星”位置的安全評估和運行評估測試（包括衛星信號功率測試、動靜態定位測試和主控站備份切換測試等）。測試表明，“多用途衛星星基增強系統”能夠很好地提高日本偏遠島嶼機場的導航服務性能，滿足國際民航組織（ICAO）對非精密近進階段（NPA）等方面的要求。

2 印度衛星導航系統發展

“印度區域導航衛星系統”

“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）由7顆位于地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道（IGSO）的衛星、地面控制段和用戶段組成，預計投資160億盧比（約合3.5億美元），覆蓋印度及周邊1500km以內區域，提供優于20m的定位精度。

“印度區域導航衛星系統”衛星采用與印度氣象衛星卡帕娜－1（Kalpana－1）相似的衛星平臺，質量約為1370kg，太陽電池總功率1600W。有效載荷包括2個40W的固態功率放大器、時鐘管理與控制單元、頻率發生與調制單元、導航處理器、信號發生器和原子鐘等。導航頻率選用S頻段（2492.08MHz）和L頻段（L5，1176.45MHz）。

“印度區域導航衛星系統”信號參數

“印度區域導航衛星系統”衛星的有效載荷大多從國外采購，如衛星采用與伽利略系統相同的銣原子鐘，從瑞士采購。衛星的碼分多址（CDMA）測距上行頻率為6712.0MHz，帶寬24MHz；下行頻率為3412.0MHz，帶寬24MHz。

目前，“印度區域導航衛星系統”已經發射了7顆中的前4顆衛星，而后續的3顆也預計將在2016年完成發射。因此，“印度區域導航衛星系統”的發展可能使印度成為全球第4個擁有自主衛星導航能力的國家，滿足其軍事衛星導航的需求。雖然，因星座構型和星座衛星數量的限制，其定位導航精度、服務范圍遠不及已經投入運行的GPS、GLONASS和“北斗”系統，但完全自主的衛星導航系統也將有效地增強印度的軍事能力，提升印度區域大國的地位。

“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”

“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”由印度空間研究組織和印度航空管理局（AAI）聯合組織開發。“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”的空間段由3顆位于印度洋上空的地球靜止軌道衛星構成，采用C頻段和L頻段，其中C頻段主要用于測控，L頻段與GPS－L1（1575.42MHz）和L5（1176.45MHz）頻率完全相同，用于播發導航信息，并可與GPS兼容和互操作。空間信號覆蓋整個印度大陸，能為用戶提供GPS信號和差分修正信息，用于改善印度機場和航空應用的GPS定位精度和可靠性。

按計劃，“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”空間段的3顆地球靜止軌道衛星分別為“地球靜止衛星”（GSAT）系列的地球靜止衛星－8、10、15。“地球靜止衛星”是印度自主發展的靜止軌道通信衛星系列，是印度國家衛星系統兩大系列之一，由印度空間研究組織研制，并計劃采用印度自己的“地球同步衛星運載火箭”（GSLV）發射。目前，“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”空間段計劃使用的3顆地球靜止軌道衛星已經發射了3顆：第1顆搭載”GPS輔助靜地軌道增強導航系統”載荷的衛星地球靜止衛星－8（GSAT－8）于2011年5月發射，目前正工作在55°（E）的軌道上；第2顆搭載“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”載荷的地球靜止衛星－10于2012年9月28日發射，目前正工作在83°（E）的軌道上；最后一顆地球靜止衛星－15已于2014年發射。

“GPS輔助靜地軌道增強導航系統”的地面段包括10個參考站：1個位于班加羅爾的主控站，8個分別位于德里、班加羅爾、艾哈邁達巴德、加爾各答、查謨、布萊爾港、古瓦哈蒂、特里凡得瑯的地面參考站以及1個上行鏈路站，印度空間研究組織的數字化通信系統將各子系統整合在一起。