衛星導航系統標準現狀分析

朱筱虹,徐 瑞,趙金賢,王 森,唐 云

(北京環球信息應用開發中心,北京100094)

0 引言

目前,國際上已投入運行的衛星導航系統是美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統。正在建設的衛星導航系統主要有歐洲的Galileo[3]系統和北斗衛星導航系統[4]。GPS系統是投入運行最早、最為穩定、不斷進行創新和改進的系統。GLONASS系統是和GPS同時期發展的,但中間由于未及時實施補網衛星發射一直處于降效運行狀態。GLONASS系統的衛星將在今年全部部署到位。歐洲的Galileo系統由于資金和管理等方面的問題導致項目延期,進展相對緩慢。北斗衛星導航系統是獨立發展、自主運行的全球衛星導航系統,該系統將于2020年前后形成由30顆衛星組成的北斗衛星導航網絡,形成全球覆蓋能力,并作為全球衛星導航系統的核心供應商,融入國際民航和海事等體系[1]。GNSS全球導航衛星系統是所有在軌工作的衛星導航系統的總稱。目前主要包括GPS衛星全球定位系統、GLONASS全球衛星導航系統、Galileo系統、北斗衛星導航系統、WAAS[2]廣域增強系統、LAAS[3]局域增強系統、EGNOS歐洲靜地衛星重疊系統和其他衛星導航以及衛星增強系統。

近年來,衛星導航系統應用已經深入到各行各業,呈現無孔不入的景象,衛星導航產業化前景日益廣闊,并逐漸產生出巨大的經濟效益。實踐證明,一類新技術要想真正走上持續、高效的產業化發展之路,取得可觀的經濟效益,就必須要有與之相適應、相對完善的技術法規和標準作為基礎。加強衛星導航系統標準的制定和實施對衛星導航事業的發展有著非常重要的現實意義。例如規范衛星導航系統的頻率可減少接收機制造的成本;規范坐標系統和時間系統可提高多衛星導航系統的互操作性;規范衛星導航系統的軌道產品有利于衛星定軌軟件的編制和用戶位置的解算;規范衛星導航系統用戶機的接口和協議可提高應用系統與用戶設備的互連互通?？傊?標準是衛星導航產業化健康、有序和良性發展的前提條件。

1 衛星導航系統標準現狀與分析

1.1 GPS系統標準

GPS系統標準包括GPS衛星導航系統標準和差分GPS(DGPS)標準。截止到2010年初,與GPS全球衛星導航系統相關的標準共有69項。其中,國外GPS標準27項,差分GPS標準8項;國內GPS標準30項,差分GPS標準4項。

衛星導航系統以用戶終端為媒介為不同用戶提供各種導航、定位和授時(PNT)服務,因此系統應用標準應包括以用戶終端為核心的用戶設備標準;同時,為了滿足不同行業對衛星導航系統的應用需求,系統應用標準還應包括各種行業服務標準。在此基礎上,對系統應用標準按照用戶設備和行業服務的分類進行了歸納。

國外與GPS相關的27項標準主要由德國標準協會、英國標準協會、法國標準化學會、歐洲電信標準協會、歐洲電工標準化委員會和國際電工委員會等標準化組織頒布和制定,其中《數字蜂窩移動通信系統(階段2+.廣播網輔助的定位服務(LCS)、增強觀測時間差分和全球定位系統檢測方法》共有2個版本;此外,美國國家海洋電子學會(NMEA)、航空無線電委員會(RTCA)、航空無線電通信公司(ARINC)等也都制定了GPS的相關標準,如圖1所示。國內GPS標準如圖2所示。

圖1 國外GPS標準

圖2 國內GPS標準

國內GPS標準包括通用基礎和系統應用類標準,國外GPS標準和國內外差分GPS標準都是系統應用方面的標準。

國外GPS系統應用涉及的用戶設備類和行業服務類標準歸納起來只有2種,即對用戶設備和衛星導航系統服務的技術要求和測試檢定標準。國內GPS系統涉及的標準相對較多,其用戶設備類標準主要規定了GPS各類用戶設備的技術要求和測試、檢定、校準及維修方法;行業服務類標準主要頒布的是協議和各種行業應用類的技術要求,主要涉及到的行業有測繪、交通、電子、漁業、鐵路、石油和地震等。

國外差分GPS標準是針對海上差分GPS信號接收設備的性能、測試方法和要求的測試結果的規定,屬于用戶設備標準。國內差分GPS標準主要是行業服務標準,即技術要求和測試檢定標準,涉及到的行業有交通、石油和船舶。

1.2 GLONASS系統標準

國外已公布的GLONASS系統標準共有6項。國際電工委員會、英國標準協會、法國標準化學會、德國標準化學會、國際標準化組織及歐洲電信會議各1項。國外已公布的差分GLONASS標準是英國標準學會公布的《海上導航和無線電通信設備和系統、全球導航衛星系統(GNSS)船載DGPS和DGLONASS無線電信標接收設備的性能要求、試驗方法和所要求的試驗結果》(BS EN 61108-4-2004),與差分GPS遵循同一標準,因此,這里不再單獨列出。GLONASS標準如圖3所示。

圖3中,1是海上導航和無線電通信設備與系統全球導航衛星系統(GNSS)第2部分:全球定位系統(GLONASS)接收設備性能標準、測試方法和要求的測試結果;2是1 610～1626.5MHz的移動衛星和GLONASS服務兼容性研究;3是運行于已分配給無線電導航衛星和航空無線導航業務以及全球導航衛星系統的頻段的其他業務系統共享的考慮(GLONASS-M)。

圖3 GLONASS標準

從目前GLONASS系統公布的標準來看,標準數量較少,不成體系,標準的內容與系統應用相關,同樣是用戶設備和行業服務類標準,目前出臺的標準主要涉及了用戶設備性能和測試方法及服務兼容和共享等方面的內容。而且,GLONASS系統標準的公布時間相對集中,都在1994年～2000年之間。這與GLONASS系統的發展情況有密切關系,GLONASS系統在前蘇聯解體后,由俄羅斯繼續發展,由于受俄羅斯經濟不斷下滑的影響,在2000年后,GLONASS系統未出臺新的相關標準。近年來,隨著俄羅斯對GLONASS系統維護費用的投入,GLONASS系統正在積極地恢復建設,可以預見,隨著GLONASS系統服務能力的逐漸恢復和系統應用的不斷深入,必然導致與系統應用相關的標準陸續出臺。

1.3 “北斗”系統標準

目前,對外公布的“北斗”標準共有7項。其中,行業標準-交通6項、行業標準-海軍1項?！氨倍贰睒藴嗜鐖D4所示。

圖4中,1是北斗一號民用車(船)載遇險報警終端設備技術要求和使用要求;2是北斗一號民用數據采集終端設備技術要求和使用要求;3是北斗一號民用車(船)載終端設備技術要求和使用要求;4是北斗一號艦載用戶機通用規范;5是北斗衛星導航系統船舶監測終端技術要求;6是北斗衛星導航系統船舶遇險報警終端技術要求;7是北斗衛星導航系統船舶監測終端數據交換協議。

目前公布的“北斗”標準都是與“北斗一號”相關的標準。“北斗一號”系統于2003年建設完成,標準的公布時間在2004年以后,目前出臺的標準都是系統應用方面的標準,主要涉及的是各類用戶設備的技術要求以及行業服務標準中的協議類標準。

根據北斗衛星導航系統的3步走發展戰略,“北斗一號”系統的開通運行標志著已完成北斗衛星導航試驗系統建設。目前,北斗全球衛星導航系統計劃于2012年前形成周邊地區的覆蓋能力,隨著衛星導航系統建設的逐步深入及系統服務能力的最終形成,衛星導航標準化建設已迫在眉睫。

圖4 北斗標準

1.4 GNSS標準

GNSS作為所有在軌工作的衛星導航系統的總稱,目前出臺的標準側重于衛星導航增強系統相關標準及以GNSS為整體概念,集成之后制定的相關標準,強調的是系統的集成與融合,不包括對單一衛星導航系統制定的標準。因此,考慮到它的獨特性,這里將這一部分標準進行了整理歸納。GNSS標準如圖5所示。

圖5 GNSS標準

目前,國外GNSS標準共有23項,其中ARINC標準13項;RTCA標準10項,如圖5(a)所示。圖5(a)中,1是GNSS傳感器規范;2是GNSS機載天線最低性能要求;3是GNSS導航裝置規范;4是GNSS和著陸裝置規范;5是GPS/WAAS機載設備最低性能要求;6是GNSS系統L1頻段機載有源天線設備最低操作性能要求;7是GNSS/WAAS機載設備最低性能要求;8是GPS局域增強系統(LAAS)載設備最低操作性能要求;9是GPS/空基增強系統機載設備的最低操作性能要求;10是差分GNSS(DGNSS)設備一類精密進近(CAT-I)最低航空系統性能要求;11是GNSS系統對機場地面導航操作的支撐;12是區域導航的最低航空系統性能要求;13是GPS局域增強系統(LAAS)最低航空系統性能要求;14是基于GNSS的精密進近系統LAAS空間信號接口控制文件(ICD);15是GNSS無線電干擾評估;16是GNSSL1頻段無線電干擾評估;17是GNSSL5/E5A頻段無線電干擾評估。

國內GNSS標準共有5項,分別是行業標準-船舶2項、國家質檢總局標準1項、行業標準-郵電通信1項和行業標準-海軍1項,如圖5(b)所示。圖5(b)中,1是全球導航衛星系統連續運行參考站網建設規范;2是差分全球導航衛星系統(DGNSS)技術要求;3是GPS/GLONASS組合導航接收機通用規范;4是CDMA數字蜂窩移動通信網無線同步雙模(GPS/GLONASS)接收機性能要求及與基站間接口技術規范;5是全球導航衛星系統(GNSS)測量型接收機RTK檢定規程。

國外GNSS系統目前出臺的相關標準都是ARINC和RTCA標準,其中,ARINC標準主要針對GNSS用戶設備制定了技術要求;RTCA標準涉及的比較廣泛,既有GNSS機載用戶設備技術要求,也有WAAS、LAAS等系統標準。國內GNSS標準與國外GNSS標準稍有不同,因為中國的GNSS系統還在建設過程中,因此,國內的GNSS標準有系統工程標準,主要就是系統建設的技術要求和規范。除了這類標準以外,就是用戶設備的技術、接口要求和測試檢定標準。

2 啟示與建議

通過對包括國外GPS系統、GLONASS系統及各種衛星導航增強系統的GNSS全球導航衛星系統標準以及北斗衛星導航標準現狀的分析,可知目前國內外公布的相關標準主要都是圍繞衛星導航系統應用來制定的,其中以用戶設備和行業服務這2個領域的相關標準為標準的主要制定對象。通過分析得到2點啟示:①GPS系統的應用標準相對完善,已經初步形成了體系,在建立北斗衛星導航系統標準體系時,關于應用標準部分可充分借鑒和參考其現有的體系結構;②目前已出臺的GNSS標準相對零散,在制定GNSS相關標準時,要充分借鑒國外GNSS系統標準制定的經驗,以增強系統和GNSS系統集成與融合方面所涉及到的標準為重點。

針對目前衛星導航標準化的實際情況,下面給出以下幾點建議:

①對現有標準開展有效的適用性分析,搭建急需制定的標準框架。對標準現狀的研究,最直接的目的就是為了進一步開展標準的適用性分析,梳理出急需制定的標準。適用性分析包括3個方面內容:其一是要對國外領先衛星導航系統標準,如GPS標準的適用性進行分析,看是否符合中國國情;其二是要對國內已經頒布的衛星導航標準的適用性進行分析,看是否符合中國衛星導航系統建設和應用情況,不再適用的標準建議修訂;其三是要對民用領域存在的衛星導航標準進行適用性分析,看是否符合軍用,凡是民用標準已經滿足軍用標準需求的,可以采用,無需重復制定。衛星導航標準的適用性分析是制定中國衛星導航系統標準的前提和基礎;

②充分考慮衛星導航系統標準的兼容性,規范和約束多衛星導航系統資源的利用與共享。衛星導航系統的兼容性是指分別或綜合使用多個全球衛星導航系統及區域增強系統,不會引起不可接受的干擾,也不會傷害其他單一衛星導航系統及其服務。衛星導航的兼容性是多衛星導航系統發展的必然趨勢,因此,在制定相關標準時,就必然要考慮標準的兼容性。衛星導航標準的兼容性包括2個方面含義:其一,要以國外先進衛星導航系統標準為參考,充分考慮與其兼容。以GPS為例,由于GPS系統技術的先進性,已有的其他衛星導航系統在作改進時或新研制的衛星導航系統在作設計時,都以GPS系統作為藍本或參照,并在盡可能的條件下與之兼容;其二,要充分考慮與現有GNSS標準的兼容。在制定衛星導航系統標準時,要滿足衛星導航系統兼容性要求,即不能影響和干擾多個衛星導航系統及區域增強系統的綜合使用。總之,對于多衛星導航系統并存的GNSS而言,既要注重衛星導航系統之間標準的兼容性;又要滿足與現有GNSS標準的兼容;

③以應用標準的制定與推廣為重點,不斷推進衛星導航產業化發展。衛星導航系統標準的制定應該包括工程標準和應用標準2個部分內容:一方面,考慮到國內北斗衛星導航系統尚處在建設的攻堅階段,系統的建設需要有統一的技術規范和標準,使系統及各組成部分的設計、研制、集成、安裝、測試、操作、維護等全壽命管理有章可循;提高系統建設和運行管理的效率;另一方面,系統應用的逐步深入使得衛星導航市場在步入快速發展軌道的同時,急需標準來規范,主要包括以用戶機為核心的各種用戶設備的技術要求、接口要求、測試檢定、使用規范;各種行業服務的使用和技術要求以及衛星導航系統的應用服務協議等。應用標準的制定有利于衛星導航先進的制造技術的推廣應用;有利于提高衛星導航產品質量和發展產品品種。在制定衛星導航標準時,一方面,不能忽視工程標準的制定,這是由目前北斗衛星導航系統建設的實際情況決定的;另一方面,衛星導航應用是衛星導航系統建立的根本出發點,也是其最終目的,因此,衛星導航標準要以應用標準的制定和實施為核心和重點;

④注重衛星導航標準體系建設,全面統籌衛星導航標準化建設。衛星導航標準的制定將使衛星導航工程建設和應用效率極大化,成本極小化。在不斷加強衛星導航標準制定的同時,也要注重衛星導航標準體系的建設,衛星導航標準體系是指該領域內的標準按其內在聯系形成的科學的有機整體,衛星導航標準體系的建設不僅可以優化體系內各項標準的制定;而且可以使標準朝通用化、系列化、組合化方向發展,最終促進衛星導航系統健康、有序、可持續發展。在標準體系建設過程中,要采用系統的分析方法,全盤考慮,為衛星導航標準化建設做好頂層規劃與設計。

3 結束語

目前,北斗衛星導航系統尚無健全的國家政策和標準。開展國內外主要衛星導航系統相關標準現狀的研究,不僅能夠較準確地掌握目前衛星導航系統已經制定的相關標準,有利于進一步進行標準的適用性分析,搞清體系中仍然缺失的標準;而且對中國衛星導航系統標準體系的建立有比較重要的參考和借鑒意義。

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