近日，印度、日本先后发射导航卫星，完善区域导航星座。相比全球导航卫星系统，区域导航星座有哪些独特优势？需要克服哪些挑战？未来，区域导航星座有可能怎样拓展应用领域，并且持续发展壮大？

精巧设计 不乏创新

所谓区域导航星座，指的是不追求服务范围覆盖全球，专注于在特定区域内提供优化服务的导航星座。典型代表是日本准天顶卫星系统和印度区域导航卫星系统。

日本准天顶卫星系统初期运行示意图

截至今年2月，日本准天顶卫星系统运行着4颗主卫星和1颗备份卫星，保障日本上空24小时至少覆盖1颗卫星服务。

日本官方宣称，该系统的主要目标是提升导航定位精度，逐步降低对GPS的依赖，在多方面实现了关键技术突破。

其一，卫星通过广播特定频段的亚米级修正数据，即增强信号，配合GPS基础信号，可以实现30厘米级定位精度。

其二，卫星搭载了高精度激光测距装置，确保轨道测定误差小于2厘米。

其三，该系统具备多频多模信号兼容性能，与GPS、伽利略系统实现了信号互操作。

其四，卫星搭载了日本自主研制的氢原子钟，频率稳定度高，突破了西方技术封锁。

为了进一步完善准天顶卫星系统，日本官方设定了“三步走”规划。

第一步，今年发射2颗卫星，完成卫星寿命延长技术验证，使运行周期从10年延长至15年。

第二步，2028年左右部署新一代卫星，扩充信号频段，实现7颗卫星组网运行，力争完全摆脱对GPS的依赖，实现“自主定位”。

第三步，到2030年，主卫星和备份卫星总数增加至11颗，充分提升系统冗余度和信号覆盖稳定性。同时，系统将导航技术与5G通信技术进行融合，在整个亚太地区提供5G通信与区域导航时空信息服务。

相比之下，印度区域导航卫星系统的目标更加远大，规划者旨在为印度及其周边1500公里范围提供独立的导航定位服务。

2018年，印度初步完成第一代导航卫星组网，拥有3颗地球静止轨道卫星（主要服务印度半岛）和4颗倾斜地球同步轨道卫星（重点增强印度北部信号），提供定位精度5米级的民用开放服务和定位精度1米级的军用受限服务。印度官方宣称，在印巴边境争议地区，该系统的军方专用信号可用性达99.7%。

外界认为，印度区域导航卫星系统选择了差异化技术路线，具备比较鲜明的技术特色。比如，印度卫星采用双频段抗干扰设计，同时发射不同频率波段的信号，使电离层信号延迟误差比传统的单频信号系统降低了50%。再比如，印度积极自主研发星载铷原子钟，实现1纳秒级时间同步，关键部件国产化率超过85%。

2023年，印度开始发射该系统第二代卫星，希望进一步改善定位精度，扩大信号覆盖范围。根据印度空间组织发布的白皮书，2026年前将发射2颗备份卫星，构建9星体系，开发新频段增强信号服务，目标是定位精度0.5米，同时努力向东南亚推广应用，与泰国、缅甸等国签订合作协议。

应对挑战 补强短板

日本和印度两大区域导航卫星系统各有特色，但在组网建设和应用推广中暴露了一些短板，需要“对症下药”，尽早化解难题。

另外，随着星链、一网等商业巨型星座快速扩张及功能拓展，频谱、轨位竞争日趋激烈。两国区域导航星座既要应对新兴挑战者，又要在市场上面对成熟的全球导航卫星系统竞争，挑战不容忽视。

日本准天顶卫星系统在宏观层面上最大的挑战是难以摆脱对GPS的依赖，目前其系统信号与功能设计仍以GPS系统增强服务为主，自主导航为辅，重点增强建筑物密集区和山区的导航定位性能。

2月2日，日本H-3火箭成功发射了该系统QZS-6卫星，今年还将发射一颗卫星。两星均搭载美国研制的光学传感器，有助于增强美军的空间态势感知能力，被外界视为日本区域导航星座与美国“捆绑更紧”的证据。

在技术层面上，日本准天顶卫星系统的关键挑战是星间激光链路，需要将数据传输速率从当前的10兆比特/秒提升至1吉比特/秒以上。不过，日本在太空激光通信领域技术积累深厚，正在运行通信速率1.8吉比特/秒的JDRS-1激光数据中继卫星，应该不存在难以攻克的技术瓶颈。

然而，外界发现，日本准天顶卫星系统的商业应用推广似乎对汽车产业依赖过多，而日本汽车产业前景面临风险，因此该系统迫切需要开拓新兴领域。

相比日本航天，印度航天的技术基础更加薄弱，电子产业链的短板较多，导航卫星不时暴露可靠性缺陷。今年1月29日，印度发射第二颗第二代卫星NVS-02，但其推进系统阀门遭遇故障，卫星未进入预定轨道，预计后续会补发卫星。

具体来说，印度导航卫星的技术瓶颈集中在星载处理器领域，目前使用的抗辐射芯片依赖进口，国产化替代方案仍处于试验阶段，而某些精密零件加工水平也有待提高。

目前，印度区域导航卫星系统受限于卫星数量少和技术滞后，服务范围不及预期，定位精度也缺乏国际竞争力。2024年市场调查数据显示，该系统终端装机量突破2.3亿台，促进了印度导航芯片企业发展，但民用市场占有率仅为38%。印度政府曾要求所有商业车辆和手机必须兼容该系统，但市场反响冷淡，主要障碍包括硬件适配成本高、厂商不愿加大投入、用户习惯难改等。

此外，随着商业航天市场持续扩大，一些新兴航天企业和汽车、家居产品、体育用品等行业“跨界”筹建区域导航星座，在卫星组网运行、地面基站建设、合作伙伴推广等方面取得了一些进展。不过，这些商业区域导航星座普遍依赖全球导航卫星系统提供基础信号，针对细分市场需求，进行信号增强和优化，缺乏真正的独立运行能力。而且，其卫星质量和运营经验仍存在不足之处。

推广应用 拓展蓝图

日本政府对准天顶卫星系统的应用潜力寄予厚望，决定投入2300亿日元（约合人民币110亿元），重点完善三大“支柱”产业。

增强导航是多轨道多功能商业星座的重要服务领域

其一，自动驾驶革新。日本正在推动汽车自动驾驶系统全面集成准天顶卫星系统的厘米级定位服务，促使高速公路行驶误差小于5厘米，提升出行和物流效率。

其二，精准农业升级。经测试，日本新型农机搭载准天顶卫星系统终端后，稻田插秧作业效率提升40%。

其三，地震预警网络构建。导航卫星结合高精度遥感卫星、地面基站观测网，实时监测地壳形变，有助于提前15秒以上预警地震。

截止2024年11月，东京都市圈已部署8000个准天顶卫星系统增强基站，支持无人机物流日均10万架次起降，区域导航星座衍生产业规模达1.2万亿日元（约合人民币572亿元）。

印度则实施国家强制推广政策，促进相关产业发展。比如，印度出台法案，要求所有印度注册渔船必须配置印度区域导航卫星系统终端，使渔民遇险救援响应时间缩短至12分钟。

再比如，印度铁路系统老化严重，通过加装整合区域导航卫星信号的防撞系统后，列车定位误差小于3米，事故率下降67%。

其实，对比两国区域导航星座发展规划，不乏相似之处。例如，两国均关注低轨定位导航授时技术，日本计划发射12颗低轨导航增强卫星，印度则试验建设不同轨道混合导航星座。此外，两国均在研发基于冷原子干涉仪的下一代星载惯性导航单元。

除技术层面外，两国都很注重参与区域标准制定。日本推动在亚太范围主导5G+导航标准，而印度谋求成为国际移动卫星组织区域中心国家。外界认为，两国投入巨资建设区域导航卫星系统，体现了数字时代国家主权向太空延伸的战略意志。

放眼未来，随着量子信息技术突破，多轨道多功能星座组建，商业航天投资踊跃，相信区域导航星座将加速完善，促进更多产业蓬勃发展。

来源/《中国航天报·飞天科普周刊》

文/常呈武

编辑/靳晴