QZSS导航系统在亚太地区的初步性能评估

张 琳

（重庆工业职业技术学院，重庆 401120）

QZSS导航系统在亚太地区的初步性能评估

张 琳

（重庆工业职业技术学院，重庆 401120）

QZSS系统是由日本宇宙航空研究开发机构研发和实施的区域性卫星导航及增强系统。利用实测数据分别从系统可见性、定位服务和增强服务三个方面就QZSS系统在亚太地区的服务性能展开评估分析。结果显示：QZSS系统对日本测区的可用性提升最为显著；有QZSS系统协同配合的GPS系统的定位精度、可用性和可靠性较单一GPS系统均有提升，尤其在高截止高度角情况下这种改善更为显著；QZSS系统提供的L1-SAIF增强信号能显著提升GPS系统实时导航的精度。

QZSS系统；GPS系统；亚太地区；可用性增强

准天顶系统（Quasi-Zenith Satellite System，简称QZSS）是由日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，简称JAXA）研发和实施的区域性卫星导航及增强系统[1-2]。QZSS项目规划设计之初便明确其为服务日本（主要服务区）及亚太周边地区的区域性卫星导航及增强系统，协同GPS系统的民用服务并提高区域 GPS系统的服务精度[3]。QZSS系统通过以下两种方式增强GPS系统的服务性能：其一，通过提升GPS信号的可用性提供可用性增强；其二，通过提升GPS信号的准确性和可靠性提供性能增强[4]。因此，QZSS系统在导航信号、时间系统、坐标基准等方面与GPS系统高度兼容，同时为了适应未来多GNSS（Global Navigation Satellite System）系统的组合应用，也适当考虑了与欧盟伽利略系统间的兼容性和互操作性。QZSS作为新一代多任务GNSS系统，一方面与GPS、GLONASS等传统导航系统相似，通过卫星播发导航信号为用户提供位置服务，另一方面，QZSS卫星还通过天线播发 GPS、GLONASS等系统的增强信息，提供类似当前星基增强系统（SBAS）的服务[5-6]。近年来，随着QZSS系统的不断发展与应用，越来越多的国内外学者对其展开探索研究。廖宁华等人介绍了QZSS系统的轨道特征与导航信号设计，并分析了系统的服务区、可用性和服务性能[7]。Xin Nie等人基于IGS提供的实测数据对QZSS系统的信号载噪比、多路径与噪声和其他系统间的频间偏差进行了评估分析[8]。Hauschild A等人利用CONGO监测网的跟踪数据对QZSS系统信号、轨道以及卫星姿态等方面进行了分析评估[9]。周佩元等人用SLR和多项式拟合两种不同方法对MGEX提供的QZSS精密产品开展精度评定[10]。楼益栋等人从系统信号精度、系统可用性、Kinematic-PPP这三个方向对QZSS系统L1-SAIF和 LEX两种增强信号在我国测区内的性能展开分析[11]。本文利用实测数据分别从系统可见性、定位服务和增强服务三个方面就QZSS系统在亚太地区的服务性能展开评估分析。

1 QZSS系统简介

日本区域内大城市高楼林立、建筑物密集，野外峡谷、山地较多，在进行卫星导航系统定位、测量应用时信号较容易受到遮挡，目前单一GPS系统已经无法满足城市导航定位服务的需求。在此背景下日本决定设计并建造服务其国土范围与其他亚太周边地区的区域性卫星导航及增强系统——QZSS系统。

1.1 QZSS系统星座结构

截止目前日本只发射了1颗准天顶卫星（QZS），卫星PRN193，代号Michibiki（指路号），图1中左图所示为QZS-1卫星的外观。QZSS系统针对区域性用户的使用需求采取了独特的星座轨道设计方案。按照项目规划，待QZSS系统完成部署后，导航星座将由分布在3个高倾斜椭圆轨道（HEO）上的3颗卫星组成，导航卫星的轨道参数见表1所示[12]。

图1 QZSS系统J01号卫星（左）与STK软件模拟的满星座状态下的轨道和星下点轨迹图（右）Fig.1 Satellite J01 of QZSS (left) and orbit/ground trajectories simulated by STK software (right)

从表1中的各项QZS轨道参数可以推导出，QZS卫星的轨道周期约为23小时56分钟，与传统地球同步卫星的轨道周期相同，然而QZS卫星的轨道倾角很大，所以位置相对地球不固定。利用STK软件并按照表1提供的轨道参数模拟得到QZSS系统满星座状态下的轨道和星下点轨迹，如图1中右图所示。所有3颗QZS卫星具有相同的呈不对称 “8”字形状的星下点轨迹。卫星在地球上北半球运行时间较南半球更长，这样可以确保在任何时间，日本境内至少能接收到 1颗QZS卫星，同时QZS卫星在日本上空能以高卫星高度角姿态运行较长时间，最大限度地削减了障碍物对导航信号的遮挡[12]。

表1 QZS卫星的轨道参数Tab.1 Orbital parameters of QZS

1.2 QZSS系统的时空基准

为了保证与 GPS系统间较高的兼容性与互操作性，在时空基准选取方面，QZSS系统采用JGS（Japan satellite navigation Geodetic System，即日本卫星导航地理系统）作为其坐标系统，该系统与GPS系统所采用的WGS-84坐标系之间的差异小于2 cm，在普通导航、定位应用时，这种差异可以忽略不计。QZSS系统采用QZSST作为其时间基准，该时间系统1 s的长度与国际原子时（International Atomic Time，TAI）相同，与GPS时一样，相对国际原子时偏置滞后19 s。在与GPS时的接口方面，QZSS星载原子钟与GPS卫星星载原子钟一样，均受控于GPS时[10]。

1.3 QZSS系统的信号特性

QZSS播发 L1C/A、L1C、L1-SAIF、L2C、L5和LEX六种信号，信号规格见表2所示。表2中，L1C/A、L1C、L2C和L5信号与GPS系统完全兼容，同时L1C和L5信号与伽利略系统播发的E1和E5a兼容。与GPS、GLONASS等传统导航系统不同，QZS卫星通过LS-ANT天线播发L1-SAIF信号向用户提供广域差分GPS（未来可能将GLONASS及伽利略系统纳入）改正参数和完好性信息，类似目前SBAS的服务。另外，QZS卫星还通过L-ANT天线播发LEX信号用于提供高精度导航服务[9-12]。

表2 QZS信号规格Tab.2 QZS signal specifications

2 实验评估数据来源

目前，多个MGEX网测站可提供QZSS系统观测数据，为了评估QZSS系统在亚太地区的性能及表现，从中选取了6个极具代表性的测站展开评估分析[13]，其中：MIZU和CHOF测站位于日本，用于评估日本境内（主要服务区）的服务性能；NCKU测站位于中国台湾，用于评估中国东南沿海区域的服务性能；PNGM测站位于巴布亚新几内亚，用于评估赤道附近区域的服务性能；CUT0和TOW2测站位于澳大利亚，用于评估澳洲境内的服务性能。各测站在亚太地区的分布情况如图2所示，其中带文字标注的小圆圈代表各个测站，不对称 “8”字形状的线条表示QZS-1卫星在亚太地区的星下点轨迹。

图2 各实验测站在亚太地区的分布图Fig.2 Distribution of experiment stations in Asia-Pacific region

3 QZSS在亚太地区的性能评估

3.1 可见性评估

利用2016年7月18日各测站的QZSS观测数据及广播星历，分别计算并绘制了各个测站全天 24 h内QZS-1卫星高度角变化时间序列（如图3所示）及相对应的Skyplot图（如图4所示），用以评估QZSS系统QZS-1卫星在亚太地区的可见性。从图3～4可见，除图3(a)和图4(a)中MIZU测站一天内约有3 h无法观测到QZS-1卫星外，其余5个测站对QZS-1卫星均为全天可见。以MIZU和CHOF测站所代表的日本区域为例，QZS-1卫星每天可提供至少连续6 h 70°及以上高度角的优质导航信号，有效克服了日本区域内高楼、山地等障碍物对信号的遮挡，这是其他采用 MEO轨道卫星的 GNSS系统所无法企及的；QZS-1卫星可为NCKU测站连续提供约12 h 60°及以上高度角的导航信号；QZS-1卫星可为赤道附近的PNGM 测站提供全天40°及以上高度角的导航信号；澳洲境内的两个测站对QZS-1卫星的可见性明显劣于其他4个测站，并且CUT0测站的可见性相比TOW2测站更差。

图3 各个测站观测时段内QZS-1卫星高度角变化时间序列Fig.3 Time series of elevation angle of QZS-1 for different stations

图4 各个测站观测时段内QZS-1卫星的Skyplot图Fig.4 Skyplot of QZS-1 for different stations

综上，QZS-1卫星特殊的轨道设计使得其能为大多数亚太地区用户提供全天不间断的导航信号，同时北半球的可见性要优于南半球，其中以日本境内为最佳。

3.2 定位服务性能评估

QZSS系统播发的L1C/A、L1C、L2C和L5信号与GPS系统完全兼容，因此在现有用户接收机的硬件及软件上稍做升级改造便可兼容进行双系统组合导航定位。双系统联合测量将提供更多冗余观测数据，有利于提升定位结果的精确性和可靠性。利用实测数据分别以单一GPS模式和GPS/QZSS组合模式对亚太地区6个测站全天24 h的观测数据开展了单点定位解算，进行QZSS系统对GPS系统定位性能改善的评估。数据采样间隔30 s，在解算过程中分别设置截止卫星高度角5°、15°、25°、35°和45°，通过不同截止高度角的设置来模拟不同障碍物对测量信号遮挡的严重程度。CHOF测站的解算结果见表3所示，6个测站的全部统计结果见图5所示。

以CHOF测站解算结果为例：高度角为5°时，GPS/QZSS组合模式较单一GPS模式在N、E、U三个方向上的定位精度和可定位历元比例分别提升了6.40%、0.98%、7.86%和0.00%；高度角为15°时，GPS/QZSS组合模式较单一GPS模式在N、E、U三个方向上的定位精度和可定位历元比例分别提升了5.88%、0.87%、6.21%和0.00%；高度角为25°时，GPS/QZSS组合模式较单一GPS模式在N、E、U三个方向上的定位精度和可定位历元比例分别提升了13.84%、13.64%、22.76%和1.02%；高度角为35°时，GPS/QZSS组合模式较单一GPS模式在N、E、U三个方向上的定位精度和可定位历元比例分别提升了8.40%、2.97%、17.23%和4.14%；高度角为45°时，GPS/QZSS组合模式较单一GPS模式在N、E、U三个方向上的定位精度和可定位历元比例分别提升了22.72%、22.08%、24.51%和42.61%。

其他测站解算结果与CHOF测站相似，即在亚太地区，有QZSS系统协同配合的GPS系统的定位精度、可用性和可靠性较单一GPS系统均有提升，尤其在高截止高度角情况下这种改善更为显著。同时，在45°截止高度角GPS/QZSS组合模式下，MIZU、CHOF、NCKU、PNGM、CUT0和TOW2 测站的可定位历元比例分别为43.99%、45.38%、38.58%、21.74%、34.93%和34.76%，其中MIZU和CHOF测站的可定位历元比例远高于其他测站，即QZSS系统对日本测区的可用性提升最为显著。

综上所述，虽然目前GPS/QZSS组合模式相比单一 GPS模式仅仅多出了 1颗 QZS卫星，但是由于QZSS系统特殊的轨道设计，这多出的1颗QZS卫星对整个亚太地区系统性能改善的贡献极大。可以预见，未来当QZSS系统全部3颗QZS卫星完成部署后，在诸如日本这种城市高楼密集、野外多山测量环境下，QZSS系统将对改善GNSS系统的定位精度、可用性和可靠性等方面发挥重要作用。

表3 CHOF测站单点定位解算结果统计表Tab.3 Statistics of SPP solutions for CHOF station

图5 各个测站GPS与GPS/QZSS模式SPP解算结果对比图Fig.5 Comparison on SPP results between GPS and GPS/QZSS modes for different stations

3.3 增强服务性能评估

QZSS系统除了提供区域性导航服务外，还向用户提供区域性增强服务。目前QZS卫星向用户播发两种形式的增强信号，分别为：L1频段的L1-SAIF（Submeterclass Augmentation with Integrity Function）信号，提供GPS系统的增强信息，用于提升实时导航的精度，类似当前的星基增强服务；E6频段的 LEX（L-band Experimental Signal）信号，用于提供高精度实时 PPP服务[14-15]。由于当前大多数GNSS接收机不兼容QZSS系统E6频段，且LEX信号主要用于增强PPP服务，本文主要评估QZSS系统在SPP方面的性能提升，因此本节的增强服务性能基于L1-SAIF信号展开。

L1-SAIF增强信号给出了 GPS系统的差分改正数，用户需要自行计算以获得改正后的卫星坐标和钟差。假设t时刻根据 GPS广播星历计算得到的卫星j的坐标为QZSS系统L1-SAIF增强信号给出的卫星坐标改正参数分别为慢变改正和慢变改正数变率则改正后的卫星坐标可表示为[11]：

式中，toe表示信息播发时刻。

假设在t时刻利用GPS广播星历计算卫星j的钟差为QZSS系统 L1-SAIF增强信号给出的改正信息为卫星钟偏差改正δaf0和卫星钟速改正δaf1，则改正后的卫星钟差可表示如下[11]：

利用式(1)和式(2)计算获得各相应 GPS卫星的坐标和钟差结果后便可按照常规单点定位算法进行SPP解算。同时L1-SAIF增强信号还播发相应的电离层改正参数，具体使用方法参见参考文献[1]。

利用实测数据分别以传统L1频段GPS导航信号和QZSS系统L1-SAIF增强信号对亚太地区6个测站全天24 h的GPS观测数据开展了单点定位解算，进行了QZSS系统对GPS系统增强服务性能的评估。数据采样间隔30 s，卫星截止高度角设置为5°，基于不同导航信号的各测站GPS单点定位解算结果见表4所示。可以看到：各个测站利用传统GPS信号广播星历进行单点定位可达到平面方向2 m以内、高程方向3.5 m以内的定位精度；而各测站利用QZSS系统提供的GPS增强信号轨道参数进行单点定位后可达到平面方向1 m以内、高程方向1.7 m以内的定位精度。增强服务可使SPP各个方向上的定位精度相比非增强模式时提高10%～60%不等。QZSS系统L1频段播发的L1-SAIF增强信号能显著提升GPS系统实时导航的精度。

表4 基于不同导航信号的各测站GPS单点定位解算结果统计表Tab.4 Statistics of GPS SPP solutions based on different type of navigation signals

4 结 论

QZSS系统是由日本打造的新一代多任务区域性卫星导航与增强系统，本文利用实测数据分别从系统可见性、定位服务和增强服务三个方面就QZSS系统在亚太地区的服务性能展开评估分析，现初步得到以下结论：

1）QZS卫星特殊的轨道设计使得其能为大多数亚太地区用户提供全天不间断的导航信号，同时 QZS卫星以很高的卫星高度角姿态在日本上空运行较长时间；

2）在亚太地区，有QZSS系统协同配合的GPS系统的定位精度、可用性和可靠性较单一GPS系统均有提升，尤其在高截止高度角情况下这种改善更为显著；

3）QZSS系统对日本测区的可用性提升最为显著；

4）QZSS系统提供的L1-SAIF增强信号能显著提升GPS系统实时导航的精度。

（References）：

[1]JAXA.Interface specification for quasi-zenith satellite system[S].IS-QZSS Ver.1.8.Tokyo, Japan, 2016.

[2]Zhao Q L, Chen G, Guo J, et al.An a priori solar radiation pressure model for the QZSS Michibiki satellite[J].Journal of Geodesy,2017(8): 1-13.

[3]Li Z K, Chen F.Improving availability and accuracy of GPS/BDS positioning using QZSS for single receiver[J].Acta Geodaetica Et Geophysica, 2016, 52(1): 95-109.

[4]Wu F, Kubo N, Yasuda A.Performance analysis of GPS augmentation using Japanese Quasi-Zenith Satellite System[J].Earth, Planets and Space,2004, 56(1): 25-37.

[5]Inaba N, Matsumoto A, Hase H, et al.Design concept of quasi-zenith satellite system[J].Acta Astronautica, 2009, 65:1068-1075.

[6]Kogure S, Kishimoto M, Sawabe M, et al.Introduction of IS-QZSS (Interface Specification for Quasi Zenith Satellite System)[C]//Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2007.

[7]廖宁华, 张毅, 黎宝琳, 等.QZSS导航系统的信号和服务性能[J].测绘与空间地理信息, 2013, 36(5): 39-40.Liao N H, Zhang Y, Qin B L, et al.The signal and service performance of the QZSS navigation system[J].Geomatics & Spatial Information Technology, 2013, 36(5): 39-40.

[8]Nie X, Zheng F, Lou Y D, et al.An analysis of the QZSS signal based on the data of IGS[D]//Proceedings of China Satellite Navigation Conference.2015, Vol.II: 325-335.

[9]Hauschild A, Steigenberger P, Rodriguez-Solano C.Signal, orbit and attitude analysis of Japan’s first QZSS satellite Michibiki[J].GPS Solutions, 2012, 16: 127-133.

[10]周佩元, 杜兰, 方善传, 等.姿态模式切换期间 QZSS卫星轨道及其钟差产品特性分析[J].测绘学报, 2016, 45(3): 274-281.Zhou P Y, Du L, Fang S C, et al.Analysis of characteristics of QZSS satellite orbit and clock products during yaw attitude model switching[J].Acta Geodaetica Et Cartographica Sinica, 2016, 45(3): 274-281.

[11]楼益栋, 郑福, 龚晓鹏, 等.QZSS系统在中国区域增强服务性能评估与分析[J].武汉大学学报(信息科学版), 2016, 41(3):298-303.Lou Y D, Zheng F, Gong X P, et al.Evaluation of QZSS system augmentation service performance in China region[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2016, 41(3): 298-303.

[12]邵佳妮, 冯炜, 申俊飞.QZSS系统及其信号设计[J].测绘科学, 2009(s2): 225-227.Shao J N, Feng W, Shen J F.QZSS and signal design[J].Science of Surveying & Mapping,2009(s2): 225-227.

[13]Montenbruck O, Steigenberger P, Prange L, et al.The multi-GNSS experiment (MGEX) of the international GNSS service (IGS) –Achievements, prospects and challenges[J].Advances in Space Research, 2017, 59(7):1671-1697.

[14]Choy S, Harima K, Li Y, et al.GPS precise point positioning with the Japanese Quasi-Zenith satellite system LEX augmentation corrections[J].Journal of Navigation, 2015,68(4): 769-783.

[15]Nadarajah N, Khodabandeh A, Teunissen P J.Assessing the IRNSS L5-signal in combination with GPS, Galileo, and QZSS L5/E5asignals for positioning and navigation[J].GPS Solutions, 2016, 20(2): 289-297.

Preliminary performance evaluation of quasi-zenith satellite system in Asia-Pacific region

ZHANG Lin
(Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China)

The Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) is developed by JAXA of Japan.It is a regional satellite navigation and augmentation system.The service performance of QZSS in Asia-Pacific region was evaluated and analysed from the aspects of visibility, location service and augmentation service based on measured data.The results show that: QZSS improves Japan's usability of GNSS most significantly among Asia-Pacific region.The performance of positioning accuracy, availability and reliability of GPS aided with QZSS is better than that of GPS-only mode, and this advantage is more obvious under a high cut-off elevation angle condition.The augmentation service provided by L1-SAIF signal of QZSS can significantly improve the accuracy of real-time navigation of GPS system.

QZSS; GPS; Asia-Pacific region; availability enhancement

U666.1

A

1005-6734(2017)05-0618-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.05.011

2017-06-10；

2017-09-28

重庆市教委科学技术研究项目（KJ1730418）资助

张琳（1988—），女，讲师，从事工程测量与3S教学工作。E-mail: zhanglin1988sju@163.com