日本版GPS“引路”卫星,开辟一个新的世界

寺门和夫 [作者简介]

[2017.12.25] 其它語言 : 日本語 | 繁體字 | Русский |

三菱重工业与宇宙航空研究开发机构(JAXA)成功发射了搭载着准天顶卫星“引路”4号机的H2A型火箭,这是政府构建日本版全球定位系统(GPS)计划的一环。此次的发射,保证了今后任一时刻都有一颗卫星在日本上空运行,实现了24小时不间断数据传输。

2017年10月10日,日本成功发射了搭载着用于构建日本版卫星定位系统的准天顶卫星“引路”4号机。至此,准天顶卫星系统形成了四星运行体系,并将于2018年度开始提供定位服务。在当今社会的各种生产活动和人们的日常生活中,通过卫星信号准确掌握身处位置的卫星定位服务已经不可或缺。准天顶卫星系统可以提供误差仅数厘米的高精度定位信息,将在卫星定位领域开辟一片崭新的天地。

实现稳定的高精度定位

美国的GPS(Global Positioning System)、苏联的格洛纳斯(GLONASS)、欧洲的伽利略(GALILEO)和中国的北斗都是覆盖全球的卫星定位系统,而日本的准天顶卫星系统则是与GPS联动,在日本周边地区及东南亚、澳大利亚等地提供服务,这一点有别于全球性卫星定位系统。

日美两国很早以前就围绕利用GPS问题展开了磋商,并于1998年发布了合作推动GPS应用的联合声明。另一方面,当时日本国内考虑将准天顶卫星用于卫星定位、通讯和广播等领域。尽管后来放弃了在通讯和广播领域的使用方案,但这段历史经过,促使日本在开发卫星定位系统时选择了利用准天顶卫星与GPS联动的方式。“引路”卫星发射的信号与GPS频率相同。所以,可以将GPS和“引路”卫星作为一个卫星群加以利用,随时提供稳定的高精度定位服务。

“引路”1号机、2号机、4号机都是在“准天顶轨道”上运行的卫星。准天顶轨道指的是与位于赤道上方高度36000公里的静止轨道保持一定夹角的轨道,从地面看,运行在这一轨道的卫星会画出“8”字。日本向这一轨道投送了三颗卫星,可以确保任一时刻必有一颗处在几近日本列岛的天顶位置。因此它们被称作准天顶卫星。“引路”3号机则投放在静止轨道上。

准天顶卫星的轨道(图像提供:JAXA)

厘米级精度的信息,扩展了应用范围

“引路”具有“完善GPS功能”和“强化GPS功能”两大作用。

首先是完善GPS功能。要掌握自己的位置,必须接受来自四颗GPS卫星的信号(进行3D定位,即经度、纬度及高度)。但在城市楼宇密集区或山区,由于周围物体的遮挡,可能会出现可见卫星数量不够的情况。而今后,由于必定有一颗准天顶卫星在正上方运行,其他两颗卫星也随时可见,所以这个问题将得到解决。而且,高层建筑密集区出现的卫星信号经建筑物反射后被接收的“multipass”现象,会导致定位误差变大;穿越电离层的GPS卫星信号速度变慢的现象也会引起定位的偏差。而准天顶卫星的信号则可以使善这些问题得到改善。

据说目前GPS的定位误差在10米左右。缩小这个误差就是对GPS功能的强化。强化级别分为“亚米级强化”和“厘米级强化”两档。亚米级强化是对穿越电离层的GPS卫星信号加以修正的一种服务,由此可将定位误差控制在1米左右,这样个人智能手机导航和车载导航的精度也将得到改善。

厘米级强化是利用准天顶卫星独有的L6信号提供的一种服务。由分布在全国各地的约1300个电子基准点获取的数据制成高精度定位信息,经由准天顶卫星发送到地面。如此一来,定位误差将缩小到数厘米程度。厘米级强化服务是准天顶卫星系统最大的卖点。尽管需要配备专用的接收器,但它扩展了卫星定位市场的新潜力,过去未能实现的位置信息应用方法有望成为现实。

作为厘米级强化服务的应用项目,目前开展的一个实证实验,是在农业领域的应用,有望实现用无人拖拉机实施播种、插秧、施肥、喷药等作业。由于这些都是沿着田埂进行的作业,所以过去的卫星定位服务是无法实现的。这种无人作业还可以应用在其他产业机械上。当然,由于可以获取车道内数厘米单位级的信息,所以也可以用于竞争日趋激烈的汽车无人驾驶领域,甚至可以用于高精准度要求的测量作业。另外,它还有助于城市设施及商店、餐馆等场所的指南,提升地区安防系统的公共服务质量。

宇宙版日美同盟的标志

准天顶卫星还具有信息发送功能,一旦发生地震或海啸等自然灾害,可以发送紧急通知。同时还提供卫星安全确认服务,可以在发生灾害时利用静止轨道上的“引路”3号机,向防灾部门发送关于受灾和避难情况的信息。对于经历过2011年东日本大地震的日本社会而言,这些功能意义重大,不可或缺。

面向2020年东京奥运会及残奥会,预计准天顶卫星系统将得到更加广泛的应用。我期待今后能够诞生充分发挥该系统特色优势的服务,并形成与之相应的新型社会模式。

最后,或许应该谈一谈准天顶卫星系统扮演“GPS替身”的问题。即便是在GPS因某些原因无法使用,或者位置精度极度下降的情况下,在日本周边地区,仅靠准天顶卫星系统就可代替其发挥作用。不仅是日本,准天顶卫星在安保领域对美国也具有同样重要的意义。和国际空间站计划一样,准天顶卫星系统已经成为日美同盟在宇宙空间的标志。

标题图片:准天顶卫星“引路”1号机(图像提供:JAXA)

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记者。一般财团法人日本宇宙论坛主任研究员。1981年于株式会社教育社创办了科学杂志《牛顿》,此后长年从事科学领域的采访报道工作。主要著作有《中国,迈向“宇宙强国”的野心》、《最终前沿——载人宇宙开拓全史》、《“银河铁道之夜”野外笔记》等。

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