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日本版GPS:自动驾驶可信赖的指挥塔

2013年08月21日14:51    

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利用准天顶卫星系统的“日本版GPS”开始走向实用化。日本计划2018年度之前发射4颗卫星,并全面投入运用。该系统的定位误差仅为数厘米,为汽车及农业机械等的自动驾驶开辟了道路。

“要在日本及亚洲其他地区推广,强大的国际竞争力十分重要。希望相关产业能够不断推进技术创新。”

7月26日,旨在推进准天顶卫星系统运用的日本产学合作组织“高精度卫星定位服务应用促进协议会”(QBIC)成立。成立大会上,东芝会长兼QBIC会长西田厚聪向到会的企业人士发出了这样的呼吁。

日本自主开发的定位卫星——准天顶卫星系统与美国运营的GPS(全球定位系统)组合使用后,定位精度比单独使用GPS时更高。这种系统被称为“日本版GPS”,该系统不仅可提供比原来更为准确的位置信息服务,还有望成为实现汽车及农业机械等自动驾驶的核心技术之一。

2010年9月,首颗准天顶卫星“引路号”发射升空,开始试验性地利用一颗卫星进行定位。日本政府打算在2018年之内全面启动24小时不间断运用。

目前已有软银移动及富士通等来自交通、农业、防灾和通信等多种行业约200家企业和团体加盟QBIC。

今后,以海外推广及实现标准化等为宗旨的4个工作组,将致力于推动使用日本版GPS的服务及设备实现实用化并得以普及。

从“天顶”辅助GPS

准天顶卫星是指,在与位于赤道上方的地球静止轨道有一定夹角的“准天顶轨道”上运行、一天中有几个小时停留在特定地区上空的人造卫星。从日本本土来看,该卫星系统中始终有一颗卫星停留在天顶附近,所以被命名为“准天顶”卫星系统。如果投影到地面上,该卫星系统的轨迹呈现在亚洲和太平洋上不对称的8字形,这也就是该卫星系统的覆盖区域。可将该系统的信号与由美国运营、围绕地球运行的约30颗GPS卫星的定位信号同时使用。

目前广泛使用的GPS存在的问题是,GPS卫星与地面的仰角为30~50度,因此,在很多情况下,其发出的定位信号会因高楼及大山等障碍物的遮挡而无被法接收到。

要准确定位,必须同时从4颗以上的卫星接收定位信号。但在有的位置或某个时间段,只有很少的卫星可以利用,而且也常常会受到高层建筑的反射波影响,导致定位误差增大。

而准天顶卫星几乎位于地面使用者正上空的位置,因此卫星发送的定位信号不易被高层建筑及大山等阻挡。

日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)宣传部长寺田弘慈强调:“在日本任何地方都可接收的‘引路号’定位信号,可以与GPS信号互补,在高楼大厦较多的城市及山区也能实现准确度较高的定位。”

无人农业机械可完成精密的农田作业

组合使用GPS和准天顶卫星的定位信号,可使定位误差减小至数厘米。为了完全利用其出色的定位性能,日本业界已开始开发相关服务及使用方法。

利用GPS和引路号的定位信号,由无人驾驶的拖拉机及联合收割机完成耕地、播种和撒农药等作业,这样的实证试验已开始在北海道士别市和芽室町的农场实施。无人农业机械由北海道大学和洋马联合开发。

士别市已于5月成功使用无人农业机械耕作了约6.8公顷的大面积水田,计划9月份使用无人农业机械完成收获作业。

芽室町则使用无人农业机械在约一公顷大的农田中种植大豆,完成了从整地到播种的一整套作业。此外还在7月中旬开始了使用无人农业机械撒农药的试验。2013~2014年将在士别市和芽室町两个地方进行实验。

北海道大学研究生院农学研究院教授野口伸对上述试验充满信心,他表示:“通过使用GPS和准天顶卫星的定位信号,可以实现准确的田间作业所必需的稳定定位及高精度。无人农业机械也能安全地完成精密的作业。”该大学力争2015年成本完成实用化。

误差不到GPS的五分之一

城市地区也在进行这方面的实际验证。比如,已在高楼林立的东京新宿证实,组合使用引路号时的可定位时间和场所增加到了单独使用GPS时的约2.5倍。

而关于定位误差也已证实,使用个人用小型接收器时,误差为2米左右,可减小至单独使用GPS时的五分之一。而使用工业用大型接收器时,误差可降至数厘米水平。

今后,日本将陆续发射准天顶卫星,使其数量不断增加。2011年9月,日本政府内阁会议做出决定,在2020年之前再发射3颗卫星,建成由4颗卫星组成的系统。

日本内阁府宇宙战略室参事官野村荣悟称,在这一决定下,“准天顶卫星被定位为国家建设的重要基础设施,成为日本宇宙政策中的优先项目”。具体计划为,在2017年3月之前发射2号卫星,2017年5月之前发射3号卫星,2017年7月之前发射4号卫星。从2018年度开始全面启用由4颗卫星构成的系统。

2012年度以后的5年内,日本的人造卫星开发等预算为503亿日元。三菱电机已获得卫星制造订单,地面管制系统的构建和管理由NEC等出资的特殊目的公司“准天顶卫星系统服务公司”负责。发射4颗卫星是为了实现24小时不间断的定位。准天顶系统中,一颗卫星每天覆盖日本上空的时间只有约8小时。因此,要实现24小时不间断使用,轨道上最少要有三颗卫星。

除了这三颗卫星之外,还需要准备一颗发生故障时的备用卫星。因此,总共需要4颗卫星。野村参事官透露:“计划在4颗卫星中设置一颗静止卫星。”

据称,尽管时间尚未确定,但构建4星体制之后,日本还计划再增加3颗卫星,使准天顶卫星达到7颗。这样的话,即便不与美国的GPS并用,只使用日本的准天顶卫星系统,也可实现高精度单独定位。

由于该系统的卫星轨道覆盖亚太地区,因此,日本政府还打算在海外推广使用该卫星的定位服务,并出口相关基础设施等。日本政府推算,在北海道大学等正在进行实证试验的IT(信息技术)农业、便携终端及汽车等领域,到2020年,准天顶卫星在亚太地区可带来约4万亿日元的经济效应。

盯上这一潜在市场的国家不仅有日本,俄罗斯、中国、欧盟及印度也开始构建自己的定位卫星,目的是让其他国家和地区使用自己的卫星,从而在该领域占据霸主地位。因为卫星与军事密切相关,各国都下了大力气。

日本要在这种形势下获胜,不仅在基础设施方面要在目标的2018年度之前建立起全面运用体制,还要普及使用日本版GPS的车载导航仪等设备,并开发出将卫星系统应用到自动驾驶等领域的技术。 (日经技术在线! 供稿) 

(责编:值班编辑、庄红韬)

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