王存恩 （北京空間科技信息研究所）

日本引路者-2“準(zhǔn)天頂衛(wèi)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(fā)射場將引路者-2（Michibiki-2）“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”（QZS）送入預(yù)定軌道。原計劃8月11日發(fā)射的引路者-3，由于天氣原因推遲至8月12日發(fā)射，又因火箭主發(fā)動機內(nèi)驅(qū)動閥門用的氦氣泄漏，故決定推遲至8月17日之后擇機發(fā)射。這里主要介紹引路者-2，引路者-3另期介紹。

1 “準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”概況

2001年7月，日本提出“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）基本構(gòu)想；2003年8月確定了以官為主，官民結(jié)合開展“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”設(shè)計的基本框架；2006年初提出了“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”的技術(shù)驗證方案；2006年3月28日決定將“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”正式列為國家航天開發(fā)重點項目，同時確定了開發(fā)準(zhǔn)則：用4年半時間，即2010年9月把“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”[3顆“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”組網(wǎng)]的首發(fā)星引路者-1送入預(yù)定軌道；后經(jīng)反復(fù)論證，于2011年9月又做出將第一階段的3星組網(wǎng)調(diào)整為4星組網(wǎng)，并提出第二階段實現(xiàn)7星組網(wǎng)的方案。

日本推進(jìn)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”事業(yè)的體制：內(nèi)閣府是制定和監(jiān)督這項計劃落實的戰(zhàn)略執(zhí)行機構(gòu)；為推進(jìn)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃的順利落實，還專門成立了準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)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(yè)，提供“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”開發(fā)用的DS-2000改進(jìn)型公用平臺，同時還自愿參加融資的民營企業(yè)，在準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)公司的領(lǐng)導(dǎo)下，與日本電氣公司（NEC）一道完善地面基礎(chǔ)設(shè)備等；日本電氣公司負(fù)責(zé)綜合系統(tǒng)設(shè)計和驗證，負(fù)責(zé)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”的運行，并與三菱電機公司一道致力于完善地面設(shè)備及其維修與管理等任務(wù)。

“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”研發(fā)重點是：抓好DS-2000平臺改進(jìn)，使之滿足“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”需求；開發(fā)出定位精度可達(dá)幾厘米的定位接收機系統(tǒng)，為此做出以下決定。

改進(jìn)DS-2000平臺

由DS-2000平臺的設(shè)計者日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）和產(chǎn)權(quán)擁有者三菱電機公司共同負(fù)責(zé)DS-2000平臺的改進(jìn)，主要研究并確定通過采用領(lǐng)先技術(shù)、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(dá)到降低平臺質(zhì)量，增加燃料攜帶量和提高有效載荷比等，確保衛(wèi)星15年的壽命期間既能提供足夠的電能，又能在軌穩(wěn)定運行，完成既定的飛行任務(wù)。

高精度定位系統(tǒng)

共有6個國家級研發(fā)機構(gòu)參加了高精度定位系統(tǒng)的研發(fā)，在總結(jié)引路者-1在軌運行經(jīng)驗、分析存在問題的基礎(chǔ)上，對引路者-2及后續(xù)衛(wèi)星的定位系統(tǒng)進(jìn)行了必要的改進(jìn)：

1）宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)抓總并負(fù)責(zé)完善GPS技術(shù)改進(jìn)以及用于4星組網(wǎng)（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(wǎng)（引路者-6～8）的高精度定位實驗系統(tǒng)及其性能完善工作；

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

3）電子導(dǎo)航研究所（ENRI）負(fù)責(zé)GPS增強技術(shù)（亞米級）的開發(fā)和技術(shù)改進(jìn)，提供進(jìn)一步完善4星和7星組網(wǎng)的GPS增強技術(shù)；

4）國土技術(shù)政策綜合研究所（NILIM）負(fù)責(zé)中低速移動物體定位用的、采用載波相位差分技術(shù)-GPS（RTK-GPS）實用化技術(shù)的開發(fā)，以及在“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”上的最佳匹配應(yīng)用；

5）國土地理院（GSI）負(fù)責(zé)開發(fā)GPS增強技術(shù)（厘米級）的開發(fā)和自引路者-2起每顆衛(wèi)星的定位精度與應(yīng)用水平的提高工作；

6）產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）負(fù)責(zé)模擬定位用時鐘的技術(shù)開發(fā)與驗證，并實現(xiàn)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”第二階段，即自引路者-6起采用高準(zhǔn)確度國產(chǎn)定位用時鐘的目標(biāo)。

自執(zhí)行“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”開發(fā)和應(yīng)用戰(zhàn)略近20年來，政府為“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”提供了航天開發(fā)預(yù)算和以融資等方式籌措的資金已超過1188億日元，發(fā)射引路者-2～4還需支付899億日元，因此，不包括二期工程，“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”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(fā)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”，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(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”開辟新的商業(yè)契機，利用其提供的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，搭建起“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”應(yīng)用服務(wù)平臺，并不斷擴大應(yīng)用，拓展應(yīng)用契機，創(chuàng)造出新的商機，最終達(dá)到帶動國家產(chǎn)業(yè)振興的目的。

航天開發(fā)戰(zhàn)略本部多次明確：“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”開發(fā)采取分“兩步走”的方針。

（1）第一階段計劃

“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”分別由衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和用戶三部分組成。第一階段計劃的任務(wù)是實現(xiàn)4星組網(wǎng)。

衛(wèi)星系統(tǒng)包括2010年9月11日發(fā)射并已在軌運行的引路者-1和剛剛發(fā)射的引路者-2，以及計劃2017年內(nèi)發(fā)射的引路者-3和4，2020年發(fā)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(wǎng)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(wèi)星在大8字形軌道上運行，而且確保這一系統(tǒng)的3顆衛(wèi)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(xiàn)全天時都有3顆衛(wèi)星在軌（8h×3=24h），即全天時執(zhí)行定位服務(wù)。而另1顆衛(wèi)星—運行在赤道上空的“地球靜止軌道衛(wèi)星”（GEO），不僅要執(zhí)行各種通信任務(wù)，同時還作為這3顆“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”的軌道備份星，按指令要求隨時接替無法很好完成預(yù)定飛行任務(wù)的任何1顆“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”，來完成應(yīng)完成的各項任務(wù)。

這里主要介紹“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”的地面系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)。

地面系統(tǒng)由主管控站、跟蹤管控站和監(jiān)控站組成，可進(jìn)行衛(wèi)星跟蹤管控、一體化的軌道動力學(xué)管控、衛(wèi)星在軌運行狀況監(jiān)視，以及對各項技術(shù)進(jìn)行評估、信息管控和風(fēng)險匯報等。

用戶系統(tǒng)包括國內(nèi)和國外兩部分用戶。國內(nèi)用戶包括文部科學(xué)省、總務(wù)省、國土交通省、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、防衛(wèi)省等國家各省廳，以及推進(jìn)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”開發(fā)應(yīng)用的協(xié)會、定位衛(wèi)星應(yīng)用中心等民間機構(gòu)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(qū)的用戶。

廣大用戶利用“準(zhǔn)天頂衛(wèi)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(shù)等，不僅可繪制精準(zhǔn)的地圖，提供高精度的衛(wèi)星定位服務(wù)，同時用于IT農(nóng)業(yè)、IT施工、土木工程/礦山設(shè)計與開發(fā)、海洋利用、船舶定位和航空通信導(dǎo)航服務(wù)，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(dǎo)航定位與管理，高密度城市建設(shè)與管理、物流管理、航空通信等服務(wù)。

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

（2）第二階段計劃

“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”第二階段任務(wù)將于2025財年完成。第二階段任務(wù)在完成7星組網(wǎng)后開始：在第一階段4星組網(wǎng)的基礎(chǔ)上再發(fā)射2顆IGSO衛(wèi)星（引路者-6和8）和1顆GEO衛(wèi)星（引路者-7），在軌實現(xiàn)7星組網(wǎng)運行。屆時可確保無論任何時間在日本上空都有3顆IGSO衛(wèi)星和1顆GEO衛(wèi)星在軌運行，滿足設(shè)計者確定的用戶至少可同時接收到4顆衛(wèi)星發(fā)送來的電波信號這一“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”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(guān)閉其GPS，也不會使日本跌入無定位衛(wèi)星系統(tǒng)可用的窘迫境地，達(dá)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(wù)就等于基本建立起日本自己的“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（實現(xiàn)7星組網(wǎng)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(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”進(jìn)行衛(wèi)星定位服務(wù)，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(yuǎn)離本土的島嶼，都能接收到完善和增強的導(dǎo)航定位衛(wèi)星信號，獲取三維位置和時間數(shù)據(jù)，進(jìn)行全天時的三維定位，提供測速和授時服務(wù)。

實現(xiàn)7星組網(wǎng)后，國外，即亞太地區(qū)的用戶也會大幅度增加。

2 引路者-2

引路者-2是一顆以發(fā)送完善GPS和增強GPS信號，具備高精度姿態(tài)確定和姿態(tài)穩(wěn)定功能，提供衛(wèi)星定位服務(wù)的“準(zhǔn)天頂衛(wèi)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(zhǔn)天頂衛(wèi)星”引路者-1于2010年9月11日發(fā)射入軌并投入應(yīng)用，之所以在6年8個月之后才發(fā)射引路者-2，有許多原因。

1）致力于衛(wèi)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(fā)微小型化的高可靠性器件和設(shè)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(dǎo)航定位精度。

2）開發(fā)輕型、柔性好、強度大、轉(zhuǎn)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）?？烧归_的太陽電池翼也由引路者-1的3片變?yōu)?片，不僅降低太陽電池翼本身的質(zhì)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(wèi)星在軌運行壽命期間（15年）有足夠的姿態(tài)和軌道保持用的燃料。

3）電源系統(tǒng)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(fā)的結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠性相當(dāng)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(xiàn)太陽電池翼片損壞、供電能力下降等情況，仍可立即進(jìn)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(zhǔn)單元（IRU）、地球敏感器（ESA）和精太陽敏感器（FSSA）組成的姿態(tài)確定系統(tǒng)，目的是提高系統(tǒng)的冗余度。經(jīng)大量的研究和論證，確定引路者-2～5改用結(jié)構(gòu)更加簡潔且易于提高姿態(tài)確定精度的星跟蹤器和粗太陽敏感器（CSS）相組合的姿態(tài)確定模式，既能減輕姿態(tài)確定分系統(tǒng)質(zhì)量（用來增加有效載荷），又能確保達(dá)到要求的姿態(tài)確定精度，完成高精度定位。

5）開發(fā)并采用國際領(lǐng)先水平的地面接收機系統(tǒng)。這種接收機系統(tǒng)采用了領(lǐng)先國際水平的高可靠性高頻電路等，同時配備可滿足“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）用的PC軟件，可確保其定位精度達(dá)到厘米級的設(shè)計要求。

引路者-2由衛(wèi)星公用艙和有效載荷儀器系統(tǒng)組成。

衛(wèi)星公用艙

衛(wèi)星公用艙由遙測、指令和測距系統(tǒng)（TC&R），衛(wèi)星控制系統(tǒng)（SCS），電源系統(tǒng)（EPS），太陽電池翼系統(tǒng)（SPS），姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)（AOCS），雙組元液體推進(jìn)系統(tǒng)（BPS），結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（STR），熱控系統(tǒng)（TCS），以及儀表系統(tǒng)（INT）組成。

引路者-2的有效載荷系統(tǒng)包括定位有效載荷系統(tǒng)（NP）和空間環(huán)境數(shù)據(jù)獲取裝置（SEDA）兩部分。

（1）定位有效載荷系統(tǒng)

定位有效載荷系統(tǒng)包括定位有效載荷-1和2。

定位有效載荷系統(tǒng)-1，與引路者-1所搭載的定位有效載荷系統(tǒng)完全相同，用于完善GPS信號，進(jìn)行衛(wèi)星定位服務(wù)和增強定位服務(wù)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(wèi)星定位服務(wù)）、C1S信號（增強亞米級定位服務(wù)，通報災(zāi)害和危急管理服務(wù)）、C6信號（增強厘米級測位信號服務(wù)）；定位有效載荷系統(tǒng)-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(shù)服務(wù)信號的L1Sb、5S（謀求進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位精度）、確認(rèn)衛(wèi)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(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”第一階段工程引路者-1～4的性能比較

續(xù) 表

（2）空間環(huán)境數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù)，并實時地將獲取的這些數(shù)據(jù)反饋給衛(wèi)星設(shè)計人員。

3 開發(fā)可達(dá)厘米級的接收機系統(tǒng)

航天開發(fā)戰(zhàn)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(shè)計和開發(fā)出高水平的“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”，2018年完成第一階段4星組網(wǎng)，在盡量短的時間內(nèi)（2023年）將另外2顆IGSO衛(wèi)星和1顆GEO衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，完成第二階段的7星組網(wǎng)運行任務(wù)。要達(dá)到這一目標(biāo)，核心任務(wù)是確保發(fā)射入軌的每顆衛(wèi)星都必須高精度地定姿且進(jìn)行姿態(tài)保持。衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行是確保提供高精度定位服務(wù)的首要條件，而要確保IGSO衛(wèi)星達(dá)到要求的定位精度（厘米級），還必須開發(fā)出能夠穩(wěn)定接收衛(wèi)星發(fā)送出定位信號用的地面接收機系統(tǒng)。

“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”地面系統(tǒng)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(fā)戰(zhàn)略本部之所以允許在發(fā)射引路者-1之后的6年8個月才發(fā)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(wǎng)的“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”中的每顆衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道確定精度，確保衛(wèi)星在設(shè)計壽命內(nèi)穩(wěn)定運行；二是花大力氣設(shè)計、開發(fā)并為用戶配備高靈敏度（可達(dá)厘米級）GPS信號接收機系統(tǒng)。宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)和考爾公司（CORE）負(fù)責(zé)這種接收機系統(tǒng)的設(shè)計，考爾公司承擔(dān)具體開發(fā)工作。

為確?！皽?zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”的定位精度，許多廠家爭先開發(fā)可滿足“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”用的接收機，其中最有代表性的應(yīng)屬宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)和考爾公司負(fù)責(zé)設(shè)計?？紶柟鹃_發(fā)的可滿足“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”需求的接收機系統(tǒng)，其長、寬和高分別為175mm、140mm和45mm，并已順利通過驗收，為確保“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”達(dá)到設(shè)計的定位精度（厘米級）提供了保證。這種接收機系統(tǒng)的關(guān)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(fā)團(tuán)隊開發(fā)的，屬于與“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”配套的專用設(shè)備，不僅性能好，功能強，而且可靠性高；考爾公司還為其開發(fā)了可滿足“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”用的PC軟件，在接收機的核心組成部件現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和微計算機內(nèi)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(yīng)對電離層放電等所導(dǎo)致的衛(wèi)星信號傳遞延遲使定位信號出現(xiàn)誤差等問題，做到可實時捕獲“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”多顆衛(wèi)星發(fā)送來的增強定位信號，從而確?！皽?zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”的定位精度達(dá)厘米量級。

賈瓦德公司（JAVAD）還開發(fā)了一種多頻段、可滿足“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”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(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的L1、L2信號，接收機內(nèi)備有可工作若干小時的蓄電池，接收機本體質(zhì)量為448g，長、寬和高分別為148mm、85mm和35mm；天線質(zhì)量為515g，長、寬和高分別為140mm、140mm和62mm。