日本的準天頂衛星系統

準天頂衛星系統 (Quasi-Zenith Satellite System; QZSS) 是日本所研發的一套系統,用來增強日本及周邊區域的 GPS 衛星定位功能(當然主要還是為了日本)。

為何說是「準」天頂衛星呢?一般的對地靜止衛星(又稱同步衛星)軌道在地球的赤道正上方,其公轉週期與地球的自轉週期一致(23 小時 56 分鐘),因此看起來就像停在同一個地方。而準天頂衛星則會南北來回,畫出八字形或是淚滴形的對地投影軌跡。但靜止衛星不好嗎?原因是對於高緯度的地方來說,靜止衛星的仰角太低,比較容易被建築物擋住,因此對於定位用的服務來說,需要的是高仰角的衛星。下圖就是日本 QZSS 系統現在唯一一顆衛星的地表投影軌跡。

Qzss-45-0.09

為何會呈現 8 字形呢?日本的 JAXA 有一個簡單的介紹影片:將衛星的軌道傾斜,會在地表得到對稱的 8 字形軌跡,但這樣在高緯度地區停留的時間會變少,因此進一步將軌道變成橢圓形的,這樣就能增加在日本上空的停留時間,但相對的,另一邊(南半球)高緯度的時間就會變短,因此也要考量平衡。

這套系統的功能主要有兩個:GPS 補完與 GPS 補強。

  1. GPS 補完:QZSS 系統也會廣播跟目前 GPS 系統一樣的訊號,且因為位置在高仰角,也縮短定位所需的時間,並增加定位的準確度(減少訊號反射)。
  2. GPS 補強:根據地面觀測站的資訊,QZSS 會發送補正訊號,來校正電離層等造成的干擾。

目前這個計劃已經在 2010 年 9 月 11 日發射了第一顆衛星 Michibiki (QZS-1)。日文寫作「みちびき」,若要寫作漢字的話,就是「導き」,也就是導引的意思。

而目前單一衛星的情況下,日本每天大概只有 8 個小時能使用這個系統,因此這個系統最少需要 3 顆衛星,才能 24 小時提供服務。目前日本政府的計劃是在 2017~2019 再發射 3 顆衛星,並於 2025 年再增加 3 顆,總數達到 7 顆。而只要接收器支援,當然不只日本可以用,其他能觀測到衛星的地方,包括台灣,也都能夠使用。

那麼,日本發展這套系統的目的是什麼呢?使用了這套系統,根據目前的實驗,可以將 GPS 的誤差從 5~10 公尺進一步縮小到 1 公尺(補完),另外可定位的時間也會變長(特別是在山區或高樓林立的地區,助益更大)。如果使用了補強訊號,甚至可以達到公分級的定位。

藉此,可以開發更多應用,譬如農業用機器的自動化,鐵道列車的管理,更準確的測量結果,行人導航等。

對台灣來說,功用大嗎?如果以補完這點來說的話,在 http://god.tksc.jaxa.jp/qzs/missions.html這張圖可以看到,台灣大致是落在仰角 60 度看得到的範圍之內。

在 JAXA 的網站 http://qz-vision.jaxa.jp/PLAY/ 上,可以看到即時的衛星位置,以及各個地方所能看到的衛星仰角。可以用 2D 或 3D 的方式觀看,也能回溯過去一天的時間,來觀察衛星是怎樣運行的。我們可以在 2D 模式下,選定沖繩(離台灣比較近),並且拉動時間軸,來觀察衛星的仰角變化。也能用 Vision 模式,來觀察衛星持續運行時的變化情形。

如果想知道在台灣要怎樣才能看到呢?我們可以利用衛星追踪網站,如 http://www.n2yo.com/?s=37158 就能看到目前的仰角 (elevation),如下圖中,可以看見從台灣北部可看見的衛星仰角為 19.1 度。

QZS-Track

或者,我們可以用 app,就可以用 AR 或雷達的方式看到所在位置(圖為 Android 系統的 GNSS View app):

GNSS_Viewer

圖中可以看到,PRN 編號為 193 的,就是目前使用中的第一顆 QZSS,其他的只是假設的位置,不過有先保留了其編號。比較新的手機,有可能可以收到。下次如果你在 GPS 狀態顯示頁或軟體中,看到標號為 193 的衛星,就知道這是日本的準天頂衛星了!

最後,順帶一提,中國的北斗衛星導航系統有三種衛星,一種就如上所述,是畫出 8 字形的,優先提供及加強亞太地區的定位精準度,另外還有同步衛星,以及中軌道衛星,有興趣的讀者,一樣可以在這裡追踪所有的北斗衛星(提示:週期為 1436 分鐘的,就是同步衛星或畫出 8 字型的準天頂衛星)。

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