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《日本经济新闻》19日分析指出，虽然日本在定位精度上勇冠全球，但正在推动相关军事应用的中国和印度，却在已投入实用的数量上领先。事实证明，围绕全球定位系统（GPS）基础设施的竞赛已白热化。 日本内阁府宇宙开发战略推进事务局局长高田修三对“引路”4号的精度充满信心，现行的GPS会产生10米误差，而“引路”4号可将误差缩小到6厘米。相较于尚未摆脱“米级误差”的其他国家，日本在精度上已大幅提升。 随后还有日系媒体贴出一张对比图表： 对这些新闻，卫网君要说 对这个“勇冠全球”的精度优势，熟悉北斗技术的人都知道怎么回事。然而“不明觉厉”的网友会觉得 在下面回复的朋友精神可嘉，可惜答案也错了，并不是军用和民用的区别... 因此大周末的，卫网君请出野生航天评论员“空天松鼠”，为大家讲讲： 日本的准天顶卫星系统是怎么回事？ 为什么能达到“勇冠全球”的定位精度？ 这样的精度很难实现吗？ 日本人是否掌握了领先全球的技术？ 日本导航系统将来会独立吗？ GPS的信号倍增器， 日本准天顶卫星系统 作者 | 空天松鼠 10月10日，日本使用H-IIA火箭将第四颗准天顶卫星发射入轨，宣告准天顶卫星系统的正式建成。 准天顶系统得名于卫星独特的轨道设计，不过普通人对这种变种倾斜同步轨道并没有多大兴趣，反而是一则新闻聚焦了人们的目光：准天顶卫星系统的导航精度高达6厘米！相比于北斗甚至GPS系统，准天顶系统的导航精度实在太高了，日本的“工匠精神”真的有这么神奇么？ 准天顶卫星“引路”2号发射时，日媒发布的对比图表 准天顶卫星系统精度异乎寻常的高，不免令人怀疑，这是不是日本人吹牛呢？根据日本媒体以及日本宇宙航空研发机构（JAXA）的介绍，准天顶系统能达到厘米级精度，要说吹牛，也是日本本土“官吹”。这就令人奇怪了，要说中国或俄罗斯技术不如日本倒也勉强说得过去；但西方世界欧、美、日三强中，日本做卫星导航系统既不是最早的也不是技术最雄厚的，当然更说不上投资最多的，日本何德何能，用那么少的钱就做出导航精度碾压美国GPS和欧洲伽利略的导航卫星呢，这也太离谱了吧！ 其实，如果我们对卫星导航系统的历史和发展多做了解的话，日本做到这一点不是什么问题，也根本不需要使出“工匠精神”大招。 我们先从祖师爷，GPS说起。 美国的GPS系统开创了卫星导航大规模军用和民用推广的时代，GPS早期不仅分军码和民码，而且对民码特意使用了降低精度的技术，即选择可用性（SA）技术，这样一来民码定位精度就降低到百米级。即使如此GPS这种方便快捷、高精度的定位手段，还是广受全球市场欢迎。各国针对SA技术的歧视和限制，纷纷发展出差分GPS定位和载波相位测量等精度增强技术。例如，驾校考试时判断学员是否压线，使用的就是差分GPS定位技术（当然在国内，这一领域已越来越多地使用了基于北斗的技术），它轻松实现了厘米级定位精度。 差分GPS虽然定位精度高，但也存在弊端，一是地面上要建立大量差分站，二是如果地表障碍物多，可能导致差分信号接受效果差。那么有没有什么办法更好地增强GPS的信号精度呢？ 有。差分信号上天不就行了？这就是天基广域信号增强的概念，目前已经得到了广泛的应用。美国、欧洲、日本和印度都有专用或兼职的天基GPS信号增强系统，准天顶就是日本专门研制的天基广域差分GPS信号增强系统。 自2000年起美国空军就暂停了对GPS民码信号的SA干扰，GPS民码信号精度提高到约10米，使用差分GPS技术后，GPS精度最高更可达到厘米级。借助天基广域差分系统的增强信号，定位精度比只接收原生GPS信号高是天经地义的，美国的广域增强系统（WAAS）使用6颗静止轨道卫星兼职发送增强差分信号，把GPS定位精度提高到1米级。欧洲的EGNOS系统和日本的MTSAT系统也是静止轨道卫星兼职，也都达到了米级精度。即使是印度的静止轨道GPS增强系统（GAGAN），使用三颗静止轨道通信卫星兼职发射增强信号，也可以在水平方向上实现1.5米、垂直方向上实现2.5米的精度。日本准天顶系统比上述兼职系统晚了5到10年，而且是专门设计的广域增强卫星（全职啊！），能实现6厘米的精度是理所当然，并不是“匠人精神”的奇迹。 各星基导航增强系统的覆盖范围 事实上，所谓厘米级精度早就是旧闻了，早在2011年1月第一颗准天顶卫星“指路”号刚开始发送增强信号的时候，日本《日经新闻》就报道过，使用准天顶的差分信号后，在20公里/时速度行驶的汽车上，一个GPS定位仪稳定地实现了水平3厘米的定位精度，而没有准天顶卫星的增强信号，定位仪只能达到约10米的定位精度。（编者注：所以我们说开头那位热心网友的解释也错，日本准天顶系统的民用精度也能够达到厘米级） 这么一说，大家应该可以恍然大悟了。 原来日本的准天顶系统只是GPS的增强系统，通俗的说就是包在GPS系统外面的壳子，原来不是GPS能力弱，而是准天顶狐假虎威啊。 当然，这么说的话也有些冤枉准天顶系统了，日本对准天顶系统还是下了很多心血的，其技术上颇有可圈可点之处。 美国的WAAS系统发送民用L1码增强信号，而新的卫星将具备发送L1和L5码增强的能力，但要和准天顶比就差多了。所有的准天顶卫星都发送L1C、L1C/A、L2C、L1S（即L1-完整功能亚米级增强）、L5S（L5码增强信号）、L6a和L6b（原来的LEX，一种高精度L波段增强信号），准天顶系统发送的L2C是自GPS IIR-M卫星开始发送的新信号，而L5是自GPS IIF卫星开始发送的新信号。值得一提的是，预计2018年发射的GPS IIIA卫星才能发送L1C信号，而日本早在2010年发射的准天顶“指路”号卫星就已经开始发送L1C信号了，新增加的民用L1C信号提高了精度和兼容性，日本的准天顶可以说是GPS III系统新民码信号的开路先锋。另外，L1S和L6b是准天顶系统独有的信号，准天顶的厘米级精度，主要靠的就是基于天基差分增强的L1S信号。简而言之，准天顶系统是目前发送信号类型最多的卫星导航系统，它在技术上相当出色，能实现厘米级精度也不是偶然的。 显然，日本政府并不满足于狐假虎威的“加壳操作”。准天顶卫星系统现有的4颗卫星已经可以满足天基广域差分增强的需求，为日本本土及其周边地区提供高精度的导航增强信号。而根据日本官方的发展计划，到2023年左右日本还将继续发射另外3颗准天顶卫星，将准天顶星座的卫星数量增加到7颗，这样一来准天顶将具备脱离GPS系统独立工作的能力，或者通俗地说，到时候准天顶就能成为日本的区域卫星导航系统了。 不过遗憾的是，如果脱离GPS独立工作，准天顶系统没法保证搜星数量，虽然技术不错、信号类型多，但精度就要大打折扣，肯定是没法继续吹“水平3厘米/垂直6厘米的精度”的牛了。然而，日本准天顶系统脱离美国GPS系统独立工作，本来就是概率极小的“万一”，美日兵戎相见哪有那么容易发生，何必非要独立？未来准天顶部署7颗卫星后，日本和周边地区将获得精度更高、稳定性更好的高精度定位服务。 所以，网友们，我们已经先给乃们打好预防针了，届时看到日本公布更高导航精度，请保持情绪稳定。 我国的北斗是全球唯一“全球卫星导航系统俱乐部”四名成员之一，预计2020年前后实现全球覆盖，同时地面增强及星基增强系统都在积极发展中，让我们共同期待未来的“中国精度”。 |
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