日本引路者-2“準天頂衛星”升空

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

日本引路者-2“準天頂衛星”升空

Successful Launch of Japan Michibiki-2

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

北京時間2017年6月1日08∶17，H-2A-202火箭從日本種子島空間中心大型發射場將引路者-2（Michibiki-2）“準天頂衛星”（QZS）送入預定軌道。原計劃8月11日發射的引路者-3，由于天氣原因推遲至8月12日發射，又因火箭主發動機內驅動閥門用的氦氣泄漏，故決定推遲至8月17日之后擇機發射。這里主要介紹引路者-2，引路者-3另期介紹。

1 “準天頂衛星系統”概況

2001年7月，日本提出“準天頂衛星系統”（QZSS）基本構想；2003年8月確定了以官為主，官民結合開展“準天頂衛星系統”設計的基本框架；2006年初提出了“準天頂衛星系統”的技術驗證方案；2006年3月28日決定將“準天頂衛星系統”正式列為國家航天開發重點項目，同時確定了開發準則：用4年半時間，即2010年9月把“準天頂衛星系統”[3顆“準天頂衛星”組網]的首發星引路者-1送入預定軌道；后經反復論證，于2011年9月又做出將第一階段的3星組網調整為4星組網，并提出第二階段實現7星組網的方案。

日本推進“準天頂衛星系統”事業的體制：內閣府是制定和監督這項計劃落實的戰略執行機構；為推進“準天頂衛星系統”計劃的順利落實，還專門成立了準天頂衛星系統服務公司（QSS）。三菱電機公司（MEC）作為這項計劃中唯一由政府直接管轄的企業，提供“準天頂衛星系統”開發用的DS-2000改進型公用平臺，同時還自愿參加融資的民營企業，在準天頂衛星系統服務公司的領導下，與日本電氣公司（NEC）一道完善地面基礎設備等；日本電氣公司負責綜合系統設計和驗證，負責“準天頂衛星系統”的運行，并與三菱電機公司一道致力于完善地面設備及其維修與管理等任務。

“準天頂衛星系統”研發重點是：抓好DS-2000平臺改進，使之滿足“準天頂衛星系統”需求；開發出定位精度可達幾厘米的定位接收機系統，為此做出以下決定。

改進DS-2000平臺

由DS-2000平臺的設計者日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和產權擁有者三菱電機公司共同負責DS-2000平臺的改進，主要研究并確定通過采用領先技術、微小型化、滿足抗輻射等要求的高可靠性器件，以及改用砷化鎵太陽電池等，達到降低平臺質量，增加燃料攜帶量和提高有效載荷比等，確保衛星15年的壽命期間既能提供足夠的電能，又能在軌穩定運行，完成既定的飛行任務。

高精度定位系統

共有6個國家級研發機構參加了高精度定位系統的研發，在總結引路者-1在軌運行經驗、分析存在問題的基礎上，對引路者-2及后續衛星的定位系統進行了必要的改進：

1）宇宙航空研究開發機構抓總并負責完善GPS技術改進以及用于4星組網（引路者-1～5，其中引路者-5為引路者-1的后繼星）和7星組網（引路者-6～8）的高精度定位實驗系統及其性能完善工作；

2）日本國家信息通信技術研究所（NICT）重點抓時間管理系統的開發和驗證，并提供完善4星和7星組網用的時間管理系統；

3）電子導航研究所（ENRI）負責GPS增強技術（亞米級）的開發和技術改進，提供進一步完善4星和7星組網的GPS增強技術；

4）國土技術政策綜合研究所（NILIM）負責中低速移動物體定位用的、采用載波相位差分技術-GPS（RTK-GPS）實用化技術的開發，以及在“準天頂衛星”上的最佳匹配應用；

5）國土地理院（GSI）負責開發GPS增強技術（厘米級）的開發和自引路者-2起每顆衛星的定位精度與應用水平的提高工作；

6）產業技術綜合研究所（AIST）負責模擬定位用時鐘的技術開發與驗證，并實現“準天頂衛星系統”第二階段，即自引路者-6起采用高準確度國產定位用時鐘的目標。

自執行“準天頂衛星系統”開發和應用戰略近20年來，政府為“準天頂衛星系統”提供了航天開發預算和以融資等方式籌措的資金已超過1188億日元，發射引路者-2～4還需支付899億日元，因此，不包括二期工程，“準天頂衛星系統”的資金投入已接近2100億日元。

政府之所以投入這么大的力量開發“準天頂衛星系統”，目的是通過有效地利用計劃于2018年（第一期工程）和2025年（第二期工程）正式投入使用的“準天頂衛星系統”開辟新的商業契機，利用其提供的高精度導航定位服務，搭建起“準天頂衛星系統”應用服務平臺，并不斷擴大應用，拓展應用契機，創造出新的商機，最終達到帶動國家產業振興的目的。

航天開發戰略本部多次明確：“準天頂衛星系統”開發采取分“兩步走”的方針。

（1）第一階段計劃

“準天頂衛星系統”分別由衛星系統、地面系統和用戶三部分組成。第一階段計劃的任務是實現4星組網。

衛星系統包括2010年9月11日發射并已在軌運行的引路者-1和剛剛發射的引路者-2，以及計劃2017年內發射的引路者-3和4，2020年發射代替引路者-1的后繼星引路者-5。

第一階段計劃之所以采用4星組網運行，目的是確保從日本到澳大利亞這一浩瀚的空域都有3顆衛星在大8字形軌道上運行，而且確保這一系統的3顆衛星中有16h以上是以迎角大于20°運行在日本到澳大利亞的上空，有8h是運行在日本正上空。這樣，至少可實現全天時都有3顆衛星在軌（8h×3=24h），即全天時執行定位服務。而另1顆衛星—運行在赤道上空的“地球靜止軌道衛星”（GEO），不僅要執行各種通信任務，同時還作為這3顆“準天頂衛星”的軌道備份星，按指令要求隨時接替無法很好完成預定飛行任務的任何1顆“準天頂衛星”，來完成應完成的各項任務。

這里主要介紹“準天頂衛星系統”的地面系統和用戶系統。

地面系統由主管控站、跟蹤管控站和監控站組成，可進行衛星跟蹤管控、一體化的軌道動力學管控、衛星在軌運行狀況監視，以及對各項技術進行評估、信息管控和風險匯報等。

用戶系統包括國內和國外兩部分用戶。國內用戶包括文部科學省、總務省、國土交通省、經濟產業省、防衛省等國家各省廳，以及推進“準天頂衛星系統”開發應用的協會、定位衛星應用中心等民間機構和個人用戶等；國外用戶擬包括印度尼西亞、韓國、澳大利亞、新西蘭、泰國、菲律賓、馬來西亞、越南、緬甸、新加坡和中國臺灣等亞太國家和地區的用戶。

廣大用戶利用“準天頂衛星”所提供的已完善和增強的GPS定位信號、公共專用信號、驗證定位技術等，不僅可繪制精準的地圖，提供高精度的衛星定位服務，同時用于IT農業、IT施工、土木工程/礦山設計與開發、海洋利用、船舶定位和航空通信導航服務，目的是為民眾提供確保安心與安全的生活、防止犯罪，以及汽車、船舶、飛機等移動物體高精度導航定位與管理，高密度城市建設與管理、物流管理、航空通信等服務。

“準天頂衛星系統”第一階段的4顆衛星中的引路者-1、2和4運行在傾斜地球同步衛星軌道（IGSO），引路者-3運行在GEO。

（2）第二階段計劃

“準天頂衛星系統”第二階段任務將于2025財年完成。第二階段任務在完成7星組網后開始：在第一階段4星組網的基礎上再發射2顆IGSO衛星（引路者-6和8）和1顆GEO衛星（引路者-7），在軌實現7星組網運行。屆時可確保無論任何時間在日本上空都有3顆IGSO衛星和1顆GEO衛星在軌運行，滿足設計者確定的用戶至少可同時接收到4顆衛星發送來的電波信號這一“準天頂衛星系統”所必備的最基本條件，觀測范圍會較第一階段擴大，觀測時間延遲，可確保即便美國關閉其GPS，也不會使日本跌入無定位衛星系統可用的窘迫境地，達到基本擺脫完全依賴于美國GPS的困境。確切地說，完成第二階段任務就等于基本建立起日本自己的“準天頂衛星系統”（實現7星組網后），即便美國不允許日本用戶使用其GPS，日本用戶依然可用自己的“準天頂衛星系統”進行衛星定位服務，做到無論是高樓林立的城市，還是連綿起伏的山峰之間，或遠離本土的島嶼，都能接收到完善和增強的導航定位衛星信號，獲取三維位置和時間數據，進行全天時的三維定位，提供測速和授時服務。

實現7星組網后，國外，即亞太地區的用戶也會大幅度增加。

2 引路者-2

引路者-2是一顆以發送完善GPS和增強GPS信號，具備高精度姿態確定和姿態穩定功能，提供衛星定位服務的“準天頂衛星”。其軌道長半軸為4200km，離心率為0.75，軌道傾角約為44°，軌道運行周期為23h56mim。

首顆“準天頂衛星”引路者-1于2010年9月11日發射入軌并投入應用，之所以在6年8個月之后才發射引路者-2，有許多原因。

1）致力于衛星公用平臺高可靠性，器件小型化，增加有效載荷比。因此，投入較大精力研發微小型化的高可靠性器件和設備，以搭載更多的有效載荷儀器，完善和增強（亞米級、厘米級）GPS定位信號，提高導航定位精度。

2）開發輕型、柔性好、強度大、轉換效率超群的砷化鎵太陽電池單元（引路者-1用的是硅太陽電池）。可展開的太陽電池翼也由引路者-1的3片變為2片，不僅降低太陽電池翼本身的質量，還提高了供電能力（由5.3kW提高到6.3kW）。這樣就可增加可攜帶的燃料，確保衛星在軌運行壽命期間（15年）有足夠的姿態和軌道保持用的燃料。

3）電源系統不是沿用了引路者-1的二次電源總線方式，而是采用新開發的結構相對簡單、可靠性相當高的一次電源總線，但依然具備引路者-1所具備的即便出現太陽電池翼片損壞、供電能力下降等情況，仍可立即進行整合，確保提供所能提供的最大電能。

4）引路者-1所采用的是由星跟蹤器（STT）、慣性基準單元（IRU）、地球敏感器（ESA）和精太陽敏感器（FSSA）組成的姿態確定系統，目的是提高系統的冗余度。經大量的研究和論證，確定引路者-2～5改用結構更加簡潔且易于提高姿態確定精度的星跟蹤器和粗太陽敏感器（CSS）相組合的姿態確定模式，既能減輕姿態確定分系統質量（用來增加有效載荷），又能確保達到要求的姿態確定精度，完成高精度定位。

5）開發并采用國際領先水平的地面接收機系統。這種接收機系統采用了領先國際水平的高可靠性高頻電路等，同時配備可滿足“全球導航衛星系統”（GNSS）用的PC軟件，可確保其定位精度達到厘米級的設計要求。

引路者-2由衛星公用艙和有效載荷儀器系統組成。

衛星公用艙

衛星公用艙由遙測、指令和測距系統（TC&R），衛星控制系統（SCS），電源系統（EPS），太陽電池翼系統（SPS），姿態與軌道控制系統（AOCS），雙組元液體推進系統（BPS），結構系統（STR），熱控系統（TCS），以及儀表系統（INT）組成。

引路者-2的有效載荷系統包括定位有效載荷系統（NP）和空間環境數據獲取裝置（SEDA）兩部分。

（1）定位有效載荷系統

定位有效載荷系統包括定位有效載荷-1和2。

定位有效載荷系統-1，與引路者-1所搭載的定位有效載荷系統完全相同，用于完善GPS信號，進行衛星定位服務和增強定位服務的儀器，共提供6種信號，分別為L1-C/A、L1C、L2C、L5信號（用于完善衛星定位服務）、C1S信號（增強亞米級定位服務，通報災害和危急管理服務）、C6信號（增強厘米級測位信號服務）；定位有效載荷系統-2為引路者-2上新增加的部分，分別用來提供公共專用信號的L6R、驗證測位技術服務信號的L1Sb、5S（謀求進一步提高導航定位精度）、確認衛星運行是否安全用的信號（S頻段和Ku頻段），以及指令定位加載和測距用的信號（C頻段）。

“準天頂衛星系統”第一階段工程引路者-1～4的性能比較

續 表

（2）空間環境數據獲取裝置

包括2種裝置，其一為觀測輕粒子用的輕粒子觀測遙感器（LPTS）；其二為觀測磁場強度用的磁強計遙感器（MAMS）。用這2種遙感器可獲取有助于評價星載裝置的誤動作和搞清楚出故障原因等的相關數據，并實時地將獲取的這些數據反饋給衛星設計人員。

3 開發可達厘米級的接收機系統

航天開發戰略本部在2015年公布的最新航天基本計劃中就明確要求：必須設計和開發出高水平的“準天頂衛星系統”，2018年完成第一階段4星組網，在盡量短的時間內（2023年）將另外2顆IGSO衛星和1顆GEO衛星送入預定軌道，完成第二階段的7星組網運行任務。要達到這一目標，核心任務是確保發射入軌的每顆衛星都必須高精度地定姿且進行姿態保持。衛星在軌穩定運行是確保提供高精度定位服務的首要條件，而要確保IGSO衛星達到要求的定位精度（厘米級），還必須開發出能夠穩定接收衛星發送出定位信號用的地面接收機系統。

“準天頂衛星”地面系統的主承包商日本電氣公司在其一份報告中明確指出：航天開發戰略本部之所以允許在發射引路者-1之后的6年8個月才發射引路者-2，主要是給其足夠時間解決2個問題：一是不惜一切代價提高組網的“準天頂衛星系統”中的每顆衛星的姿態和軌道確定精度，確保衛星在設計壽命內穩定運行；二是花大力氣設計、開發并為用戶配備高靈敏度（可達厘米級）GPS信號接收機系統。宇宙航空研究開發機構和考爾公司（CORE）負責這種接收機系統的設計，考爾公司承擔具體開發工作。

為確保“準天頂衛星系統”的定位精度，許多廠家爭先開發可滿足“準天頂衛星系統”用的接收機，其中最有代表性的應屬宇宙航空研究開發機構和考爾公司負責設計。考爾公司開發的可滿足“全球導航衛星系統”需求的接收機系統，其長、寬和高分別為175mm、140mm和45mm，并已順利通過驗收，為確保“準天頂衛星系統”達到設計的定位精度（厘米級）提供了保證。這種接收機系統的關鍵部件，如高頻電路（RF）等，不是從市場上采購，而是由考爾公司專門組織的研發團隊開發的，屬于與“準天頂衛星系統”配套的專用設備，不僅性能好，功能強，而且可靠性高；考爾公司還為其開發了可滿足“全球導航衛星系統”用的PC軟件，在接收機的核心組成部件現場可編程門陣列（FPGA）和微計算機內還配備了通過驗證的邏輯算法，使之具備雙頻段接收功能，這樣就可有效地應對電離層放電等所導致的衛星信號傳遞延遲使定位信號出現誤差等問題，做到可實時捕獲“準天頂衛星系統”多顆衛星發送來的增強定位信號，從而確保“準天頂衛星系統”的定位精度達厘米量級。

賈瓦德公司（JAVAD）還開發了一種多頻段、可滿足“全球導航衛星系統”需求的接收機—ALPHA G3T，它可接收GPS的L1-C/A、L2、L5信號，以及俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）導航衛星系統的L1、L2信號，接收機內備有可工作若干小時的蓄電池，接收機本體質量為448g，長、寬和高分別為148mm、85mm和35mm；天線質量為515g，長、寬和高分別為140mm、140mm和62mm。