“2023年日本要建成独立于GPS之外的自主卫星导航系统。”
之前不是说好只做一个基于美国GPS的辅助导航星座么？怎么突然之间日本也要搞卫星导航“独立自主”了？
全球卫星导航系统出现的几十年来，已经深刻地改变了人类的生活。外卖、导航、测绘、建筑、航运等方面，全球导航系统都发挥着不可替代的作用，可以说是“大国标配”。
目前世界四大卫星导航系统，是美国的GPS，中国的北斗，俄罗斯的格洛纳斯和欧洲的伽利略系统。其中GPS是目前使用和覆盖范围最广的定位系统，24颗GPS卫星覆盖了全球98%的地域。中国的北斗系统由北斗一期的三个高轨道静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，在亚太地区的稳定性和导航精度均要强于GPS系统。
而格洛纳斯和伽利略系统相对于前面两位大哥就差了不少。俄罗斯的格洛纳斯因为财政问题一直处于半停滞状态，很多卫星已经是几十年的老星了，系统升级缓慢，最近几年定位效果愈发下降。而欧洲的伽利略系统则是一个民用标准的定位系统，核心部件原子钟三天两头出问题，稳定性一直令人诟病。
除了这四个完善的定位系统之外，印度、日本等国家也纷纷完成了自己的区域卫星导航系统。这些系统由3-7颗卫星组成，分别可以支持南亚或者亚太地区的高精度导航任务。
日本的区域卫星定位系统叫做“准天顶系统”（QZSS），由日本卫星定位研究和应用中心（SPRAC）负责。由于定位系统具有非常大的非民用应用潜力，日本很难像印度一样公开宣布要开发自己的定位系统。所以准天顶系统的初期目标是作为美国GPS系统在亚太地区的补充，增强GPS在亚太地区的定位精度。
如上图所示，目前已经建成的准天顶系统由3颗IGSO卫星组成，这些卫星使用大椭圆轨道，这种轨道可以保证三颗卫星长期在日本上空徘徊，与日本在亚太地区的定位需求是相当的。
为什么要使用三个卫星呢？卫星导航技术就是根据地面接收器接受测算接受导航卫星的时差来确定位置的。地面的一个位置有三个未知数，就需要三颗卫星的数据来构建三个方程。再加上地面接收系统的时间精准程度无法与原子钟授时的导航卫星相比，这又出现了一个“时差”的未知数。这也是为何纯粹的空中卫星导航，需要至少4颗卫星同时出现在头顶。
但是，中国在2003年5月建成的第一代北斗导航系统却只有三颗卫星，其中的一颗还是备份星，只使用两颗卫星又如何解算三个未知数据呢？
这时候就需要地面站的辅助了。北斗地面终端首先向地面站发出定位请求，地面站开始向两颗北斗卫星进行广播。两颗北斗卫星接到广播后，经由卫星转发器向指定区域内的用户进行广播，终端接受到卫星广播之后，再向两颗卫星返回响应信号。在这期间地面站测试两个时间延迟：地面站-卫星-终端-卫星-地面站和地面站-卫星-终端-另一颗卫星-地面站的时间。再结合指定区域的高度图，给出最终定位结果。
北斗初代系统的问题在于为了保证定位精度，北斗一号的卫星高度非常高，先天累积了大量误差。再者是这种定位依赖地面站和高精度地图，许多野外场景本来就是地面站覆盖不好再加上地图模糊，这使得北斗一代在野外场景的定位精度只有100米左右。
但是作为一款完全独立自主的定位系统，再加上编码完全保密，可以讲北斗一号诞生之初就是朝着世界一流定位系统去的。
回到日本的准天顶系统，目前日本导航系统的定位连北斗一号的定位也不如。主要体现在以下三点：
首先准天顶系统当初是作为GPS系统的补充系统使用的，为了避免GPS终端需要升级才能兼容准天顶系统，系统的定位编码初期就采用了和GPS相同的编码形式。连星载原子钟都和GPS相同，完全受制于GPS时（GPS time scale GPST）。
准天顶系统使用的JGS坐标系统，相对于GPS使用的WGS48地理坐标参考系统的误差只有0.02米，也是聊胜于无。
最后，由于准天顶系统目前只有3颗卫星，从前文知道高精度的定位至少要4颗卫星才能完成。所以准天顶系统需要GPS主监测站、QZSS和GPS联合主检测站、遥测控制和导航电报上行注入站共同工作。和北斗一代一样，准天顶系统也是通信卫星兼任定位系统，对地面站依赖的情况是骨子里带来的。但是不同的是，北斗能完成完全的自主，但是准天顶的每一次主动定位请求都要过GPS主监测站，没有什么隐私可言。对GPS的依赖使之难以独立进行定位任务。
日本QZSS控制中心和地面站
就在2021年10月26日，日本使用H2火箭发射了新一代的准天顶系统卫星，这是准天顶卫星的第四个卫星，作用已经超过了作为GPS增强星座的定位。紧接着日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宣布日本将在2023年前，完成一个7颗星的独立定位系统。
7星定位星座不少国家在搞，第一个明确提出了实际上是“有声有色的大国”印度。印度就准备建设一个由3颗同步轨道卫星和4颗中轨道卫星构成的印度区域卫星导航系统。但是，印度的执行能力一直为人诟病，目前这个计划处在不停地跳票中。
日本想把准天顶系统改成7星定位星座目前有以下几个难点：
有没有能力，敢不敢和GPS完全分割出来。如果确定分割，这意味着从原子钟到编码形式都必须有一套区别于已有的4大导航系统的新标准，并且之前的GPS增强任务能不能兼容又成了新的问题。
“独立”的卫星导航系统究竟有多独立？目前准天顶系统需要QZSS和GPS联合主检测站的支持，如果日后的准天顶系统所以信息都从日本自己的QZSS走，GPS方会不会有意见。7星定位方案肯定不如目前的GPS增强方案，执意进行“独立”的卫星导航系统到底想用在什么地方呢？
车载QZSS终端
说到底就是目前日本的导航技术发展之初给自己的定位就是GPS打打下手，已经完全是GPS的形状了，这个时候指望再加四颗卫星就能“独立”自主，技术和非技术的难题可远超过射4颗卫星这么简单了。
当年日本GPS定位精度远超世界其他区域时，不知道有多少国家也想搞一个类似的增强星座。但是咱们不，即使定位精度落后GPS一个时代，咱们也要搞正真独立自主的定位系统。现在中国北斗已经发展成世界四大导航系统之一，稳稳地保二争一的水平，但日本现在还在GPS的阴影下苦苦挣扎。
有句话怎么说的来着：年轻的时候她并不知道，所有命运的馈赠早在暗中标好了价格。
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