华尔街日报说 日本发射第四枚定位卫星，定位精准度全球领先，你怎么看？
作者：中国科学院光电研究院 徐颖
QZSS，是日本版GPS“准天顶系统”的简称。
要评价这个系统，当然要先看看这系统是啥。怎么平时好像听说的不多呢？
- QZSS是什么？
一句话来说，这是一个GPS的补充和增强系统，需要与GPS进行紧耦合，说的直白点，这个系统是依赖GPS系统存在的。
大家听说的少，大概是因为QZSS是无法与GNSS（Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统）俱乐部中的四大VIP系统并列比较的。
GPS、GALILEO、GLONASS和北斗系统，之所以能够被并称为四大卫星导航定位系统，是因为这四个卫星导航定位系统都是能够覆盖全球的，并且彼此之间相互独立。而 QZSS并不是这样的系统，它不能全球覆盖，而且它和GPS之间是深度耦合的。可以说，未来QZSS也很难发展成为全球覆盖的定位系统，不可能发展成第五大卫星导航定位系统。
为啥这么说？
1. “全球覆盖”是指在全球任何地方都能收到相应的卫星导航的信号，并且进行独立定位；而QZSS系统主要是覆盖日本国土和周边亚太范围，在其他地方都收不到QZSS系统的信号。
2. 现阶段的QZSS系统并不是一个独立定位的系统，它和GPS系统是紧密结合的。QZSS系统的定位就是能够增强和辅助GPS系统进行更好的定位。QZSS系统现阶段由1颗GEO和3颗IGSO卫星组成。
简单地说，没有GPS，现阶段的QZSS就没法用。
这点和北斗系统是完全比不了的，北斗系统建设伊始的基本原则就是独立，不依赖于所有的其他系统，能够实现独立的提供导航定位服务。北斗系统从北斗一号到北斗二号，从有源定位到无源定位；从北斗二号到北斗三号，从区域覆盖到全球覆盖，都坚持着独立自主的原则。
那日本版GPS是怎么建设起来的呢？
日本并不是刚开始建设自己的卫星导航定位系统，QZSS系统从2002年就开始建设了，最近两年的建设速度非常快，这很大程度上是因为，它站在了GPS的肩膀上。
至于我们为什么选择将北斗建成一套独立的系统，而不是建成为GPS系统的增强备份系统，这件事大家都明白。卫星导航定位系统提供了非常精准的时空信息，在军用和关系国计民生的民用领域都有很广泛的应用，是一把守护国门的金钥匙，我们经常说，自己家的这把金钥匙，当然要握在自己的手中。
- 日本版GPS有什么用？
QZSS的主要功能是增强GPS系统，那么它到底是怎么增强的呢？
这里的增强分为两大类，一类是信息增强，一类是信号增强。
信息增强是指修正GPS的误差，提高定位精度。通过差分码相位定位提供亚米级增强服务SLAS，该系统在国内水平方向定位误差1.0m（95%），垂直方向误差2.0 m（95%）；通过载波相位定位、PPP-RTK可以提供厘米级增强服务的CLAS，该系统在国内水平方向定位误差6.0cm（95%），垂直方向误差12.0c m（95%）。
用金庸先生的武侠来做比喻，信息增强相当于王语嫣姑娘在旁边观战，告诉你哪儿出的招式不对了，来提高你攻击的有效性，然而我们都知道，王姑娘不会武功，并不能加入你们的阵营和你们一起打别人。
信号增强指通过增加发射导航信号的卫星，增加可用的卫星数，提高导航定位的可用性。也就是说QZSS的卫星也发射导航定位信号，GPS补充服务，提高了定位可用性；GNSS增强服务，提高了定位精度和可靠性。
信号增强相当于本来是桃花仙一个人在跟敌人打架，过会儿桃根仙来了，两人一起打别人，再过会儿桃谷六仙都到齐了，大家一起打别人，这个攻击力的提升度有多高，那自然不言而喻。
- 好了，现在我们来评价一下QZSS
问这个问题，一定是因为“定位精准度全球领先”这句话。
不止2017年有这样的新闻，就在这个月初，QZSS还发布了新闻：
据悉，承担日本版全球定位系统(GPS)任务的“引路”人造卫星11月1日起正式启用，可提供精度达10厘米以下的全球最高水平定位信息。使用日本版GPS，有望用于汽车自动驾驶和基础设施检修等，预计到2025年将创造近5万亿日元的新服务。
图上的字有点小，我把导语拿给大家看：
美国的GPS只能找到街道，而日本的GPS却能找到家门的钥匙孔。
其实，离开条件说精度的行为，无异于耍流氓。
北斗系统在增强精度的情况下也能做到米级、厘米级甚至是毫米级，然而这是有限定条件的，通过载波相位定位、PPP-RTK可以提供厘米级增强服务，而通过这种方式其他的卫星导航定位系统都可以把精度提升到这么高。这并不是QZSS系统所特有的，这是由GNSS系统自身的特点所决定的，所有的GNSS系统都是一样的。
比如，我国就有地基增强系统，天基增强系统也正在建设中。
在QZSS启用“引路”人造卫星的同一天，也就是11月1号，北斗系统发射了一颗GEO卫星，也是第41颗北斗导航卫星，这颗卫星就提供星基增强服务（SBAS），将按照国际民航标准，提供高精度导航服务。当然这里的增强系统主要指天基信息增强系统，毕竟北斗系统就是可以独立发射信号的定位系统，不需要对GPS做信号增强，但是北斗和GPS的信号也是可以兼容互操作的，也就是说，用户可以既接收北斗的信号也接收GPS的信号进行联合导航定位。
作为我们一衣带水的邻国，QZSS做的不错，尤其是近两年发展很快，比如星基信息增强技术，我们也应该学习他们的优点，但它的定位和发展战略与北斗系统并不相同。
总得来说，日本的导航系统最近几年确实进展挺快，但是跟四大卫星导航系统依然不在一个层面。全球依然只有这四大卫星导航系统是全球覆盖的独立导航定位系统。可以理解为四大卫星导航系统是四个打井工人，它们分别打出了各具特色的四口井。而日本版GPS相当于是一个美化工人，它在井口修了个漂亮的井沿。
对了，总有人问，日本版GPS真的能够找到钥匙孔吗？
我理解这是一个对精度的比喻……你说要真的找到钥匙孔，sorry，先研究一下怎么把芯片、电池、天线都装在钥匙孔上好吗？哦对了，提醒一下，安装的时候，记得要把钥匙孔上的天线伸出房顶不然被挡住了也没有信号的哦。
（文中图片已注明来源，侵删）
出品：科普中国
监制：中国科学院计算机网络信息中心
日本的准天顶卫星导航系统QZSS第一阶段包括3颗倾斜同步轨道卫星和1颗地球同步轨道卫星，目前已经完成4颗卫星的部署。第一颗技术试验卫星“指路者Michibiki”于2010年9月11日发射，剩下3颗QZS-2、QZS-3、QZS-4分别于2017年6月1日、2017年8月19日、2017年10月10日发射，其中QZS-3是地球同步轨道卫星，其余3颗是倾斜同步轨道卫星。
QZSS系统的轨道设计保证了其服务地区覆盖东亚及大洋洲，在2010年其第一颗卫星Michibiki发射后，各地区对这颗卫星的可见时间如下面的图左边所示，能够给日本领土内用户一天提供12小时以上的服务。在4颗卫星阶段，能够保证有1颗卫星始终以较高的仰角位于日本上空，同时，在其系统覆盖的东亚及大洋洲范围内，一天24小时内都能可见4颗卫星。也就是说，2017年发射的3颗卫星正式加入服务后，QZSS系统能够全天候对上述地区提供服务。
QZSS系统的地面控制、跟踪、监测站主要位于日本境内、班加罗尔、曼谷、堪培拉、夏威夷、关岛等地，遍及其服务覆盖区域。
QZSS系统共发射6路服务信号：L1 C/A、L1C、L2C、L5、L1 SAIF、LEX，可以看到，其发射的信号频率和形状与GPS和Galileo是类似的。
QZSS系统功能概括起来主要有3大类：GPS系统补充、GPS系统精度增强、告警服务。
1、GPS系统补充
由于日本的多山环境和城市街道较狭隘，部分仰角较低的GPS卫星信号容易被山和建筑物遮挡，影响用户接收。我们知道，用户要实现导航、定位、授时，至少要接收到4颗卫星的信号。QZSS卫星的加入相当于保证了至少有一颗卫星对用户来说是绝对可用的，那么只需要再有3颗GPS卫星就可以实现定位了。也就是说，如果原先一个街道只能收到3颗GPS卫星的信号，不能实现定位，但是现在有QZSS的帮助，也可以实现了。
下面的图是在第一颗QZSS卫星发射后，东京地区某街道某时刻使用卫星定位的可用性，绿色是仅仅依靠GPS系统能定位的地方，蓝色是依靠GPS+QZSS后能定位的地方。整个区域，在加入一颗QZSS卫星后，定位可用时间从39.5%提升到了69.1%。其实，对于整个QZSS系统建成后，日本领土内对GPS的可用性能够从90%提升到GPS+QZSS的99.8%。
由于是为了补充GPS系统，类似于把GPS星座卫星数量增加几颗，所以QZSS卫星发射的信号跟GPS是一样的，L1 C/A、L1C、L2C、L5信号跟GPS卫星信号是完全兼容的。
2、GPS系统精度增强
QZSS的L1 SAIF服务是Submeter-class Augmentation with Integrity Function的意思，也就是能够提供米级别的定位精度增强服务。与美国的广域增强系统WAAS一样，QZSS通过卫星播发一些卫星星历、钟差、电离层校正信息，使得日本境内用户定位精度从只依靠GPS时的10米提升到1米左右。
除米级定位精度的提升服务外，QZSS还在1278.75MHz这个频点播发L-band Experiment信号，即LEX信号。该信号速率达到2000bps，而GPS信号的信息速率是50bps，L1 SAIF信号的信息速率是250bps，LEX信号能够提供更多误差校正信息，使得用户的定位精度达到厘米级，可用于无人驾驶、测绘，精准农业等行业。
同时，LEX信号频点和欧洲Galileo系统的E6频点重合，也就是说，等到Galileo系统正式提供服务，QZSS也能实现Galileo系统的补充。
3、告警服务
QZSS在L1 SAIF信号上还将提供信息服务，由于日本地震海啸频发，在灾害发生时，通过QZSS卫星广播预警信息，让民众注意。
除此之外，L1 SAIF信号还提供GPS等卫星健康状况信息，在GPS卫星出现异常后及时通知用户不要使用该异常卫星，以免得到错误的定位结果。
现阶段，QZSS已经具备4颗卫星，只要这4颗卫星运行正常，仅靠QZSS系统也能提供定位服务。日本计划未来再发射3颗倾斜同步轨道卫星，使QZSS系统具备7颗卫星，在日本上空，将始终有2颗卫星保持高仰角。到那时，日本QZSS可以说是一个完善的区域卫星导航系统了，跟现在中国的北斗二代类似，只不过卫星没北斗二代多。
可能有一点大家会有所忽略，目前中国北斗BDS和欧洲Galileo都计划在2020年提供全球服务。而且，由于北斗BDS在中国上空始终保持5颗地球同步轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星，再加上日本QZSS和印度IRNSS，2020年，亚太区域将是对导航卫星可见数量最优越的区域，峰值将达到35颗。
看到这东西的示意图，首先内心os就一句话：
第一眼看去就是日本人搞的给自己本国本土用的东西。透着一股日本特色科技产品的气息。
整体大概况：
这个系统首先很明确，服务日本及周边地区，也就是东亚。
日本在科技这方面，一直是美国搞什么，自己就搞什么，完了要搞的比美国更有本土化特色，以及最主要的，在某些方面他得比美国先进。
这个很明显就是这种思路：我没钱也没必要去造美国中国这种全球导航系统满足我战略需求，我只需要做一个比北斗和gps更适合日本的导航就行了。
于是，准天顶星这种企划就这样诞生了！
他给自己定位很清楚，我就是个准天顶星。日本及周边服务到就行，至于世界，嘛。。。那是你们中美的事情，我关起门来玩我的小圈子就行。反正出门在外有gps，你敢不给我用我找隔壁老老师中国要北斗去。
太符合日本的国家定位和需求了，这么富有鲜明特色的装备或系统，全世界上也就此一家，别无分号。
民用价值：
高票已经列出来了，日本多山，gps定位覆盖率不好，而且精度往往只有十米，十米啊！
作为gps的日本地区补充升级包。这个成功后精度缩短至三米，覆盖率达99.8%。
还能在多灾的日本起救灾警报作用。
军用价值：
最起码自主形成一套半独立于美国的自己的系统了，提升了独立自主性，极端情况下脱离gps自己也能独自使用。
和欧洲伽利略，也有联动。
在脱离美国势力，独立自主的道路上又进了一步。
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如果将来摆脱战败国地位变成真正的独立主权国家，以人日本的能力，完全能升级这款东西。
这玩意说到底，经济，先进，方便，战略性又高，定位又正好，又能升级，又能在这块领域试水，又能测试，巩固升级自己的航天能力。
这个东西，简直一石多鸟。
同样的好处，参考日本的准航母，和其他领域的东西。
日本这个国家真的是把一个被打压的半自主国家的可施展空间发挥到了极致。并积蓄着随时可以变出花来的许多储备力量。
东亚人的智慧，厉害，厉害，厉害。
不愧是儒家教出来的学生，虽然在中国人看来没学全，但确实把很多精髓学着了。
