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日本衛星導航系統軍用潛力極大 可大幅提高導彈精度

http://dailynews.sina.com   2020年01月12日 19:12   澎湃新聞

  衛星導航系統是大國強國的標配之一。美俄的GPS和Glonass系統早已廣爲人知,新興系統中國北斗衛星導航系統即將完成全球組網,而歐洲伽利略衛星導航系統去年先後遭遇原子鐘故障和信號中斷問題。

  作爲世界第三大經濟強國,日本研製了自己的衛星導航系統,它雖然目前只是GPS增強系統,未來將擴展爲獨立的衛星導航系統,不僅具有很大經濟價值,也有巨大的軍用潛力。

  “準天頂”步步爲營,導彈精度可提高至1米內

  美國空軍的GPS是世界上最早建成的全球衛星導航定位系統,它也是衛星導航系統的代表作。GPS系統24顆運行衛星均勻分佈在8個軌道面上,這雖然有利於提供全球導航定位信號,但絕對平均主義卻不利於提高特定區域的信號強度和精度,爲此美國又研製了陸基和天基的信號增強系統,最著名的是天基的廣域增強系統(WAAS)。很多國家也跟進研製部署自己的GPS信號增強系統,包括歐洲的靜止衛星導航重迭系統(EGNOS),印度的地球導航增強系統(GAGAN),日本的衛星增強系統(MSAS)等。

  準天頂衛星

  日本的MSAS利用多功能傳送衛星爲平臺搭載GPS信號增強載荷,在當時有效提高了日本本土及周邊的GPS信號質量。隨着需求的增加和技術的進步,日本提出研製獨立的導航增強GPS信號系統的想法,2002年日本政府正式授權發展準天頂衛星系統,不同於WAAS、EGNOS以及日本上一代的MSAS,準天頂衛星並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星在日本本土上空時高度更高,而且停留時間更長,這套衛星導航增強系統也被形象地稱爲準天頂衛星系統(QZSS)。高懸在天頂方向的準天頂導航衛星,地面終端的接收仰角更大,對於日本多山、街道狹窄而且高樓林立的地方,準天頂的加入提供了更好的導航衛星可用性,整套系統建成後日本領土內GPS信號可用性從90%提高到99.8%左右。

  日本最早計劃發射三顆準天頂衛星,爲以日本爲中心的西太平洋一帶提供導航增強服務。第一顆名爲指路號(Michibiki)的衛星於2010年9月11日發射,這顆衛星基於日本的DS-2000通信衛星平臺,發射後的表現相當令人滿意。2013年日本又決定將準天頂系統的衛星數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火箭先後把三顆準天頂衛星送入太空,其中QZS-3衛星兼具災害通信功能,定點於地球靜止軌道,另外三顆都在獨特的傾斜同步準天頂軌道上,2018年11月1日準天頂系統正式宣佈建成提供服務。

  準天頂衛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

  準天頂系統目前包括定位於東經127度的QZS-3衛星,以及3顆準天頂軌道衛星,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個衛星測控(TTC)站以及全球範圍的30多個監測站。準天頂系統衛星發射L1 C/A,L1C,L2C,L5,L1S/L1-SAIF等多種信號,爲GPS系統提供信息和信號增強,還爲救災提供了通信管理服務。

  根據日本的實際測試,憑藉準天頂系統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,而早期GPS民用終端定位精度只有10米,現在也只有2-3米。準天頂系統提供的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,在西太平洋區域精度可能在1米以內。

  測試中的準天頂衛星

  準天頂自立門戶,更好爲軍事服務

  準天頂衛星系統經濟價值很大,但卻只相當於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,但仍力圖有所作爲。準天頂衛星的信號設計很有特色,它最早設計兼容寄生於GPS系統,發送的L1 C/A到L5s等信號都服務於這一目標,尤其是2002年項目啓動時不僅考慮到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,準天頂系統首星指路號上天,比首顆發送L5信號的GPS衛星上天就晚了一年。準天頂的L6b/LEX信號還和歐盟的伽利略衛星的E6信號頻率重疊,在伽利略大規模組網開始前就考慮對伽利略導航信號進行增強。

  準天頂衛星系統花小錢辦大事,經濟價值很高,日本還試圖在軍事領域有所作爲。事實上,準天頂系統2013年增加一顆靜止軌道衛星,以及挪用“輝夜姬2”月球着陸器的資金用於準天頂項目,都反映了日本政府對準天頂系統軍事價值的看重。日本早已動了建設獨立衛星導航定位系統的心思,新增加的一顆靜止軌道衛星就是實證。這顆靜止軌道上的QZS-3衛星,和其他三顆準天頂軌道衛星配合,已經具備了獨立提供導航定位服務的能力,只不過美日兩國關係十分密切,日本人不擔心美國卡脖子,並沒有用準天頂系統信號取代GPS的機會。

  隨着衛星數量的增多,準天頂未來可以爲日本提供獨立的衛星導航服務

  現在準天頂星座才三顆準天頂軌道衛星,雖然能保證任何時刻都有一顆衛星高懸在日本四島上空,但衛星數量還是太少了。日本在準天頂系統的研製和運行中嚐到了甜頭,打算進一步擴充準天頂星座,2018年日本政府宣佈採購準天頂的第5、6、7顆衛星,並升級地面控制部分,提高準天頂系統的性能。目前日本計劃2020年發射指路號的替代衛星QZS-1R,從這顆衛星開始根據美日協調不再發送L1 C/A信號,2022-2023年間日本將密集發射三顆準天頂衛星,平滑過渡到新的七星準天頂星座。

  七星準天頂系統確保始終都有兩顆衛星在日本本土上空,增加了導航衛星可見數量和可用性,進一步提高了準天頂系統的性能,包括作爲獨立衛星導航定位系統的性能。準天頂系統未來不止要發射三顆新衛星,還將使用大量新技術進行升級,尤其是星地雙向測距和星間測距兩項關鍵技術。日本計劃通過擴充準天頂星座和技術升級,把準天頂系統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年後全部七顆準天頂都具備星間測距和星地雙向測距能力後,結合地面控制和監測設施的升級,將SIS-URE誤差降低到0.3米,爲日本經濟和軍事領域提供更好的衛星導航服務,所以說,準天頂雖然表面上披着民用的“皮”,但“骨子”上卻有着日本軍事方面的重要考慮。

 

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