日本準天頂衛星系統（QZSS），從“大處著眼，小處著手”。最初，他們就把GPS用好，上世紀90年代初期，在全球最早形成導航儀產業，達到規模化商業化程度，實現生財之道比美國人還早。在若干大國建設GNSS星座的時候，他們把GPS作為基礎星座，著力做星基增強系統和區域衛星導航系統，而且把亞米級、分米級、厘米級增強服務分的清清楚楚，系統的產出/投入比遠遠高于世界上任何一個系統，受益匪淺。而且技術上明顯體現了與時俱進的概念，就以其衛星軌跡呈現非對稱的“8”字來說，直接體現其精打細算的設計思路，和不同凡響之處。最近又計劃將QZSS星座的衛星數量，從原來的4顆，到七顆，又增加至11顆，步步為營，實質上是步步為贏，以增加服務的穩定性和可靠性。凡此種種，這樣一些高招，真正是高，實在高，高家莊的“高”。現將《GPS世界雜志》今年12月號上的“QZSS現狀”一文翻譯轉述于此。

圖 1 QZSS 的系統擴展

 一、空間政策和 QZSS 計劃

日本內閣府 （CAO） 目前正在開發準天頂衛星系統 （QZSS） 七顆衛星星座 （7SV-const.）。日本內閣于 2023 年 6 月 13 日修訂了其新基本太空政策計劃。它指出，QZSS 衛星的數量應從 7 顆增加到 11 顆，以提高作為社會基礎設施系統之一的穩定性和可靠性，確保即將到來的全面使用的備份功能，并減少精度稀釋 （DOP）。2024 年 6 月 12 日，國家空間政策秘書處三年來首次修訂了衛星定位系統行動計劃。根據該計劃，QZSS 11 衛星飛行器星座預計將于 2030 年代后期完成。

二、QZSS 簡史

自 2006 年以來，文部科學省（MEXT）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、總務省（MIC）、經濟產業省（METI）和國土交通省（MLIT） 合作開發了世界上第一顆厘米級精度的定位衛星。第一顆 QZS 衛星于 2010 年 9 月發射，當時設想為四顆衛星的區域衛星導航系統，也稱為 MICHIBIKI。2011 年 9 月，內閣批準了在 2010 年代后期建造四顆衛星星座 （4SV-const.） 的計劃，目標是在未來建造 7SV-const.。預算于 JFY2012 年獲得批準，以將其作為國家項目進行推廣。

圖 2：QZSS 星座擴展計劃

2017 年，QZS-2、3 和 4 成功推出，并成功推出了 4SV-const.。2018 年 11 月 1 日，QZSS 正式開始服務。2021 年 10 月 26 日，第一款 MICHIBIKI 的繼任者推出。

目前正在開發中，以發射另外三顆用于 7SV-const. 的衛星。依次從 JFY2023 到 JFY2024，具體取決于 H3 運載火箭的開發狀態。為了提高彈性以實現更穩定的定位和改進 DOP，CAO 已經開始研究從 7SV-const. 過渡,轉換為 11SV-const.（見圖 1 和圖 2）。

三、服務概述

4SV-const.提供 GPS 補充服務（PNT 服務）;GNSS 增強服務，即亞米級增強服務 （SLAS）、厘米級增強服務 （CLAS）、MADOCA-PPP 和星基增強服務 （SBAS），以及短消息服務。QZSS 星座由一顆地球靜止軌道 （GEO） 衛星、QZS-3 和三顆 QZO 衛星組成。

QZSS 的定位、導航和授時 （PNT） 服務和空間信號用戶范圍誤差 （SIS-URE） 的性能遠優于指定性能。評估結果如表 1 所示。評估期為“08/01/2023#07/31/2024”。規格小于 2.6 m （95%）。

表1. QZSS PNT 服務性能。

四、邁向七星座

另外三顆衛星將位于東經 90.5° 的傾斜對地靜止軌道 （IGSO） 和西經 175° 的準對地靜止軌道上。該星座旨在確保在高仰角下可以看到多顆衛星，目標是讓四顆以上的衛星長時間可見，最終提高 DOP。表 2 所示為7SV-const.的結果。QZS 5 到 7 傳輸 L1C/B信號。QZS-5 服務啟動后，QZS1R 的信號將從 L1C/A 切換到 L1C/B L6E 信號中包含用于其他 GNSS 的 QZSS 導航電文身份驗證 （QZNMA） 服務。ZS5-7 的開發正在進行中。系統級測試正在進行中。計劃在 2025 年左右推出 QZS 5-7。QZS-5 和 QZS-6 已基本完成系統級測試。QZS-7 已完成電氣測試，目前處于環境測試階段。

自 2023 年 8 月起發布的 SSV 用戶的 QZSS 天線方向圖，對應于 2019 年 12 月 11 日提交的 ICG WG-B 建議“發布，包括旁瓣在內的 GNSS 發射天線方向圖”。用于精密軌道確定 （POD） 用戶的 QZSS 衛星信息也已在線更新。能夠與七顆衛星一起運行的 QZSS 地面系統已于 2023 年 8 月完工。剩下的唯一任務是進行衛星和地面無線電頻率之間的兼容性測試。QZSS 地面系統由位于日立太田和神戶的兩個主控制站，以及主要位于西南島嶼的 10 個衛星跟蹤和控制站（遙測、跟蹤和指揮站）組成。此外，全球還有 30 多個監測站，這些監測站是與各國合作建立的。

以下附加服務于今年開始或將于明年開始：用戶使用 7-SV const. 提供的測距信號獲得位置、速度和時間 （PVT） 解決方案。導航電文身份驗證 （NMA） 于 2024 年 4 月開始。多 GNSS 高級軌道和時鐘增強 — 精密單點定位 （MADOCA-PPP） 覆蓋東半球的大部分地區，并為 L6 信號提供 PPP 糾錯。它通過提供增強數據來糾正一些 GNSS 誤差，從而實現高精度定位，并提供兩個服務級別，即 （a） 全球 PPP 和 （b） 帶電離層校正的快速 PPP。運營服務于 2024 年 4 月 1 日開始，MADOCA-PPP 于 2024 年 7 月在互聯網上分發，包括災害和危機管理擴展衛星報告（DC 報告）、早期/緊急預警衛星服務（EWSS）。

圖 3 MADOCA-PPP 服務評估結果

除了日本氣象廳目前生成的 DC 報告服務外，其他與災害相關的報告，稱為 L-alert 和 J-alert，例如疏散令，于 2024 年 4 月 1 日開始。Global PPP 服務提供可以接收 QZSS L6E 信號的高精度定位。它通過 QZSS L6E 信號提供與衛星相關的誤差校正（軌道、時鐘、代碼/相位偏置）。使用來自區域/全國連續運行參考站 （CORS） 的觀測數據實現更快的 PPP。除全球 PPP 外，QZSS L6D（QZS-6 和 7）信號將提供區域誤差校正（電離層校正）。MADOCA-PPP 于 2024 年 4 月 1 日開始運營服務。為了 MADOCA 的穩定運行，GNSS 綜合數據共享系統 （MIRAI） 于 2022 年 4 月發布。從 2025 年開始，將廣播電離層校正數據以減少初始收斂時間。MADOCA-PPP 服務在 2022 年 3 月 17 日發布的 PS-QZSS003 中定義和描述。MADOCA-PPP 的互聯網分發，包括電離層校正數據，于 2024 年 7 月開始，以促進 MADOCA-PPP 的利用。   MADOCA-PPP 的測試庫 MADOCALIB 已開源并于今年 4 月在 GitHub 上提供，并于 2024 年 7 月更新以處理電離層校正數據。使用 IGS 監測站的 2024 年 5 月至 8 月的 MADOCA-PPP 性能結果如圖 3 所示。確認了比定義的規格更好的初始收斂時間和大約 10 cm 的精度。多虧了合作國家，可以生成電離層校正數據，并在所有區域都確認了初始收斂時間的縮短。CAO 開始了 Internet 分發，包括這些區域的電離層校正數據。

五、QZNMA（準天頂導航電文身份驗證）

QZNMA 于 2024 年 4 月 1 日開始，旨在增強該星座對欺騙攻擊的抵御能力。以下信號中的導航電文使用橢圓曲線數字簽名算法 （ECDSA P256） 進行身份驗證。

■ QZSS信號（L1C/A（C/B）、L1C、L5）直接由自認證保護。

■ GNSS 信號（GPS：L1C/A、L1C、L5、Galileo：E1b、E5a）受到交叉身份驗證 （L6E） 的保護。接口規范 （IS-QZSS-SAS-001） 現已在我們的網站上提供。所有驗證都成功了。

六、QZSS 的應用

截至 2024 年 9 月，約有 434 款產品與 QZSS 兼容（見圖4）。自動駕駛、無人機操作和實時海洋潮汐監測浮標等新應用正在出現。我們預計會出現許多使用 QZSS 的應用和設備。