船用衛星導航接收設備國際標準分析

陳倩,杜輝

(1. 中國電子技術標準化研究院,北京 100007;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050000)

0 引 言

IEC 61108系列標準按照發布時間順序分別為1996年的GPS接收設備標準(以下簡稱GPS標準)第一版、1998年的GLONASS接收設備標準[1](以下簡稱GLONASS標準)、2003年的GPS標準[2]修訂版、2004年的差分接收設備標準[3](以下簡稱差分標準)、2010年的Galileo接收設備標準[4](以下簡稱伽利略標準)。現行的IEC 61108系列標準有:

1)IEC 61108-1《海上導航與無線電通信設備及系統—全球導航衛星系統(GNSS)—第1部分:全球定位系統(GPS)——接收設備性能標準、測試方法和要求的測試結果》;

2)IEC 61108-2《海上導航與無線電通信設備及系統—全球導航衛星系統(GNSS)—第2部分:GLONASS接收設備性能標準、測試方法和要求的測試結果》;

3)IEC 61108-3《海上導航與無線電通信設備及系統—全球導航衛星系統(GNSS)—第3部分:伽利略接收設備性能要求、測試方法和要求的測試結果》;

4)IEC 61108-4《海上導航與無線電通信設備及系統—全球導航衛星系統(GNSS)—第4部分:船用DGPS和DGLONASS海上無線電信標接收設備性能要求、測試方法和要求的測試結果》。

2017年10月,IEC/TC 80 通過了中國代表團提交的IEC 61108-5 BDS接收設備接收設備標準(以下簡稱BDS標準)提案申請。目前BDS標準制定工作已展開。

同年12月,國際海事組織(IMO)通過了中國代表團提交的有關船用多無線電導航系統性能標準的建議。未來IEC/TC 80將制定船用GNSS接收設備標準(以下簡稱GNSS標準)來替代其單系統接收設備標準。

為了更好地開展BDS標準的制定工作,下面主要從IEC 61108-1～3系列標準內容比對、標準存在的問題以及對于后續BDS/GNSS標準的建議三方面進行分析。

1 標準內容比對

1.1 最低性能要求

1.1.1 目標

GLONASS標準中限定最大航速50 kn,GPS和伽利略標準中最大航速為70 kn。

GLONASS標準中未明確服務內容,GPS標準為面向標準位置服務(SPS)服務,伽利略標準為面向公開和救生服務并明確了頻點和定位方式。

1.1.2 接收設備

伽利略標準涉及了組合導航應用;相對于GLONASS標準,GPS和伽利略標準增加了設備的質量保證內容。

1.1.3 性能要求

1)伽利略標準增加了在單頻和雙頻接收兩種條件下進行電離層誤差修正的內容;

2)GLONASS和GPS標準要求至少有一個提供位置信息的輸出接口;伽利略標準接口數量要求增加為四個,其中2個為輸出接口,用于提供位置信息、UTC、對地航向、對地航速和告警信息;1個用于指示故障的常態靜默接口,以及1個用于給外部系統告警的雙向接口;

3)GLONASS標準未列出詳細的語句輸出要求;GPS標準列出了定位和組合導航的語句輸出要求;除這兩類,伽利略標準還列出了告警語句輸出要求;

4)GLONASS和GPS標準中定位精度要求比對如表1所示;

表1 定位精度要求比對m

*伽利略救生服務的性能在注釋中出現。

5)捕獲(定位)時間要求比對如表2所示;

表2 捕獲(定位)時間要求比對min

6) 動態范圍要求比對如表3所示;

表3 動態范圍要求比對dBm

7) 在“特殊干擾信號影響”一節中,GPS和伽利略標準規定了天線安裝手冊中應給出有效降低干擾影響的建議,GLONASS標準未涉及;

8) 位置更新要求比對如表4所示。

表4 位置更新要求比對s

9)在“差分輸入”(差分標準IEC 61108-4現行版本中未涉及伽利略和BDS。)”一節中,伽利略標準規定了需給出差分信號接收情況以及是否應用于定位的標志;GPS和GLONASS標準未涉及;GPS和伽利略標準規定了需支持差分數據誤字率測試功能,GLONASS標準未涉及;

10)故障/導航告警和狀態指示要求比對如表5所示;

11)在“時間信息的可用性與有效性”一節中,GPS標準指示時間有效性為GGA的定位有效標志;伽利略標準則為GNS中定位有效標志;

12)在“典型的干擾環境”一節中,伽利略標準規定了正常工作的具體要求以及干擾類型的劃分;GPS標準相應內容在后續測試方法中。

1.2 測試方法和要求的測試結果

1.2.1 標準測試信號

在GPS和GLONASS標準中,強調測試需用實際衛星信號,而在伽利略標準中,實際信號和模擬器信號均可選用;在GPS和伽利略標準中,均要求有差分測試信號,GLONASS標準未涉及差分測試信號;伽利略標準規定模擬器應能產生差分修正數據;尤其是伽利略標準還涉及了對干擾信號模擬器的要求。

1.2.2 測試條件

在GPS和GLONASS標準中,強調所有靜態測試應采用實際信號。

1.2.3 精度

1)在“靜態精度”一節中,伽利略標準有采樣間隔的概念,GPS和GLONASS標準未涉及;伽利略標準中位置數據按采樣間隔獲取,在其他標準中,單點定位模式下未限定定位數據的更新頻度,差分模式下限定為1 s/次。在GLONASS標準中靜態精度測試時間為2 h,另外兩個標準均要求24 h;

2)定位精度測試方法比對如表6所示。

表6 定位精度測試方法比對

1.2.4 捕獲

1)在“初始化”一節中,與GLONASS標準相比,其他標準增加了刪除歷書的方法,尤其是伽利略標準又增加了使用模擬器的測試方法;

2)GPS和GLONASS標準將“斷電”和“信號中斷”列為兩節,伽利略標準將這兩部分合并為一節,稱為“歷書無效”;

3)“短暫中斷”一節中,伽利略和GPS標準為“短暫斷電”,GLONASS標準為“短暫屏蔽信號”。

1.2.5 靈敏度和動態范圍

GPS和伽利略標準中明確要求須用模擬器進行測試,GLONASS標準要求可用模擬器;相較于GLONASS標準,GPS和伽利略標準對于步驟的表述更為細致準確;三個標準對于跟蹤要求的測試結果不同,GLONASS標準要求“持續正常工作”,GPS標準要求“連續跟蹤至少一顆衛星”,伽利略標準要求“繼續跟蹤至少四顆衛星并提供有效的位置解”。

1.2.6 “特殊干擾信號的影響”(伽利略標準為“針對其他船用發射裝置的保護”)

與GLONASS標準不同,GPS和伽利略標準額外規定了干擾停止后進行檢驗的時間限制(5 min)。

同時,GPS和伽利略標準還對干擾信號發射天線提出了要求,而GLONASS標準僅在性能要求中對發射天線提出了要求。

1.2.7 位置更新

GPS和伽利略標準明確可使用模擬器,GLONASS標準未提及;GLONASS標準中只考核位置是否更新,GPS和伽利略標準除位置更新外,還考核位置與基準位置的一致性。

1.2.8 差分輸入

與GLONASS和伽利略標準不同,GPS標準提出了關于誤字率指示/輸出的要求。

1.2.9 “故障告警和狀態指示”(伽利略標準為“導航告警和狀態指示”):

1)在GLONASS標準中采用性能測試中記錄的指示和告警信息來測試該項功能;GPS和伽利略標準對測試流程進行了詳盡說明;

2)在“位置警告測試”一節中,GPS標準規定了關于HDOP的告警測試,伽利略標準未涉及;

3)在“差分狀態指示”一節中,GPS標準設置齡期為可選功能,伽利略為標配;

4)狀態指示測試方法比對如表7所示。

表7 狀態指示測試方法比對

1.2.10 COG、SOG與UTC輸出在“時間信息的可用性與有效性”一節中,GPS標準指示時間有效性為GGA中的定位有效標志,伽利略標準則使用GNS中的定位有效標志。

2 現行標準存在問題及建議

通過對IEC 61108系列標準的比對分析,發現現行標準中存在一些問題與疑問,并針對問題給出了相應建議。具體問題及建議如表8所示。

表8 現行標準中存在問題

表8(續)

3 BDS和GNSS標準的建議

通過研究分析可以看出,伴隨著理論和技術的發展,IEC 61108系列標準在技術要求方面,精度和時間特性指標方面不斷提高,完好性要求也更具體;在測試方法方面,隨著模擬器的技術發展和成熟,模擬器能提供的測試手段更為豐富,測試逐步從主用實際衛星信號過渡到主用模擬器(這方面也可能存在Galileo標準制定時并無實際可用衛星的原因)。

因此,對BDS和GNSS標準內容,建議如下:

1)增加模擬器的應用

隨著信號仿真和模擬技術的不斷進步,模擬器在測試中所占的比重也不斷增大。一方面,模擬器能模擬一些不易在現實中實現的場景;另一方面,模擬器能測試一些對衛星信號有嚴格要求的項目;同時,需要模擬衛星星座、導航電文錯誤或偽距畸變等信號情況時,只能通過模擬器進行;此外,接收實際衛星信號存在不可復現的問題,不利于測試的一致性,宜采用模擬器進行。

2)采用更加通用/常用的專用術語

現行的標準中,一些指標名稱與通常的應用習慣不符,因此建議在BDS和GNSS標準中予以酌情修正。

3)突出北斗系統特點

在BDS和GNSS標準中,增加有關北斗RDSS的說明;可根據不同系統和終端能力確定指標。

4)突出船載應用特點

在“典型的干擾環境”一節中,目前GPS和伽利略標準中干擾環境及等級等內容主要借鑒航空設備標準。船載設備的干擾環境與航空設備有所不同,因而抗干擾的要求也有所不同,標準需要考慮船載干擾環境特點。

4 結束語

綜上所述,可以看出IEC 61108-1～3系列標準的內容完整,基本涵蓋了船用衛星導航接收設備的功能、性能要求及對應的測試方法;該系列標準存在一定的繼承性,制(修)訂時間相近的標準之間差異不大;隨著接收機和測試技術的持續發展,標準內容和要求也在不斷更新。雖然該系列標準中依然存在一些文字和內容的錯誤和不規范、對于干擾的要求直接引用RTCA標準而沒有突出船載應用環境等問題,但該系列標準為GPS/GLONASS/伽利略設備的船載應用提供了型式認可的合法依據,促進了船用衛星導航接收設備的應用及推廣。