卫星导航系统标准现状分析

朱筱虹,徐 瑞,赵金贤,王 森,唐 云

(北京环球信息应用开发中心,北京100094)

0 引言

目前,国际上已投入运行的卫星导航系统是美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。正在建设的卫星导航系统主要有欧洲的Galileo[3]系统和北斗卫星导航系统[4]。GPS系统是投入运行最早、最为稳定、不断进行创新和改进的系统。GLONASS系统是和GPS同时期发展的,但中间由于未及时实施补网卫星发射一直处于降效运行状态。GLONASS系统的卫星将在今年全部部署到位。欧洲的Galileo系统由于资金和管理等方面的问题导致项目延期,进展相对缓慢。北斗卫星导航系统是独立发展、自主运行的全球卫星导航系统,该系统将于2020年前后形成由30颗卫星组成的北斗卫星导航网络,形成全球覆盖能力,并作为全球卫星导航系统的核心供应商,融入国际民航和海事等体系[1]。GNSS全球导航卫星系统是所有在轨工作的卫星导航系统的总称。目前主要包括GPS卫星全球定位系统、GLONASS全球卫星导航系统、Galileo系统、北斗卫星导航系统、WAAS[2]广域增强系统、LAAS[3]局域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星重叠系统和其他卫星导航以及卫星增强系统。

近年来,卫星导航系统应用已经深入到各行各业,呈现无孔不入的景象,卫星导航产业化前景日益广阔,并逐渐产生出巨大的经济效益。实践证明,一类新技术要想真正走上持续、高效的产业化发展之路,取得可观的经济效益,就必须要有与之相适应、相对完善的技术法规和标准作为基础。加强卫星导航系统标准的制定和实施对卫星导航事业的发展有着非常重要的现实意义。例如规范卫星导航系统的频率可减少接收机制造的成本;规范坐标系统和时间系统可提高多卫星导航系统的互操作性;规范卫星导航系统的轨道产品有利于卫星定轨软件的编制和用户位置的解算;规范卫星导航系统用户机的接口和协议可提高应用系统与用户设备的互连互通。总之,标准是卫星导航产业化健康、有序和良性发展的前提条件。

1 卫星导航系统标准现状与分析

1.1 GPS系统标准

GPS系统标准包括GPS卫星导航系统标准和差分GPS(DGPS)标准。截止到2010年初,与GPS全球卫星导航系统相关的标准共有69项。其中,国外GPS标准27项,差分GPS标准8项;国内GPS标准30项,差分GPS标准4项。

卫星导航系统以用户终端为媒介为不同用户提供各种导航、定位和授时(PNT)服务,因此系统应用标准应包括以用户终端为核心的用户设备标准;同时,为了满足不同行业对卫星导航系统的应用需求,系统应用标准还应包括各种行业服务标准。在此基础上,对系统应用标准按照用户设备和行业服务的分类进行了归纳。

国外与GPS相关的27项标准主要由德国标准协会、英国标准协会、法国标准化学会、欧洲电信标准协会、欧洲电工标准化委员会和国际电工委员会等标准化组织颁布和制定,其中《数字蜂窝移动通信系统(阶段2+.广播网辅助的定位服务(LCS)、增强观测时间差分和全球定位系统检测方法》共有2个版本;此外,美国国家海洋电子学会(NMEA)、航空无线电委员会(RTCA)、航空无线电通信公司(ARINC)等也都制定了GPS的相关标准,如图1所示。国内GPS标准如图2所示。

图1 国外GPS标准

图2 国内GPS标准

国内GPS标准包括通用基础和系统应用类标准,国外GPS标准和国内外差分GPS标准都是系统应用方面的标准。

国外GPS系统应用涉及的用户设备类和行业服务类标准归纳起来只有2种,即对用户设备和卫星导航系统服务的技术要求和测试检定标准。国内GPS系统涉及的标准相对较多,其用户设备类标准主要规定了GPS各类用户设备的技术要求和测试、检定、校准及维修方法;行业服务类标准主要颁布的是协议和各种行业应用类的技术要求,主要涉及到的行业有测绘、交通、电子、渔业、铁路、石油和地震等。

国外差分GPS标准是针对海上差分GPS信号接收设备的性能、测试方法和要求的测试结果的规定,属于用户设备标准。国内差分GPS标准主要是行业服务标准,即技术要求和测试检定标准,涉及到的行业有交通、石油和船舶。

1.2 GLONASS系统标准

国外已公布的GLONASS系统标准共有6项。国际电工委员会、英国标准协会、法国标准化学会、德国标准化学会、国际标准化组织及欧洲电信会议各1项。国外已公布的差分GLONASS标准是英国标准学会公布的《海上导航和无线电通信设备和系统、全球导航卫星系统(GNSS)船载DGPS和DGLONASS无线电信标接收设备的性能要求、试验方法和所要求的试验结果》(BS EN 61108-4-2004),与差分GPS遵循同一标准,因此,这里不再单独列出。GLONASS标准如图3所示。

图3中,1是海上导航和无线电通信设备与系统全球导航卫星系统(GNSS)第2部分:全球定位系统(GLONASS)接收设备性能标准、测试方法和要求的测试结果;2是1 610～1626.5MHz的移动卫星和GLONASS服务兼容性研究;3是运行于已分配给无线电导航卫星和航空无线导航业务以及全球导航卫星系统的频段的其他业务系统共享的考虑(GLONASS-M)。

图3 GLONASS标准

从目前GLONASS系统公布的标准来看,标准数量较少,不成体系,标准的内容与系统应用相关,同样是用户设备和行业服务类标准,目前出台的标准主要涉及了用户设备性能和测试方法及服务兼容和共享等方面的内容。而且,GLONASS系统标准的公布时间相对集中,都在1994年～2000年之间。这与GLONASS系统的发展情况有密切关系,GLONASS系统在前苏联解体后,由俄罗斯继续发展,由于受俄罗斯经济不断下滑的影响,在2000年后,GLONASS系统未出台新的相关标准。近年来,随着俄罗斯对GLONASS系统维护费用的投入,GLONASS系统正在积极地恢复建设,可以预见,随着GLONASS系统服务能力的逐渐恢复和系统应用的不断深入,必然导致与系统应用相关的标准陆续出台。

1.3 “北斗”系统标准

目前,对外公布的“北斗”标准共有7项。其中,行业标准-交通6项、行业标准-海军1项。“北斗”标准如图4所示。

图4中,1是北斗一号民用车(船)载遇险报警终端设备技术要求和使用要求;2是北斗一号民用数据采集终端设备技术要求和使用要求;3是北斗一号民用车(船)载终端设备技术要求和使用要求;4是北斗一号舰载用户机通用规范;5是北斗卫星导航系统船舶监测终端技术要求;6是北斗卫星导航系统船舶遇险报警终端技术要求;7是北斗卫星导航系统船舶监测终端数据交换协议。

目前公布的“北斗”标准都是与“北斗一号”相关的标准。“北斗一号”系统于2003年建设完成,标准的公布时间在2004年以后,目前出台的标准都是系统应用方面的标准,主要涉及的是各类用户设备的技术要求以及行业服务标准中的协议类标准。

根据北斗卫星导航系统的3步走发展战略,“北斗一号”系统的开通运行标志着已完成北斗卫星导航试验系统建设。目前,北斗全球卫星导航系统计划于2012年前形成周边地区的覆盖能力,随着卫星导航系统建设的逐步深入及系统服务能力的最终形成,卫星导航标准化建设已迫在眉睫。

图4 北斗标准

1.4 GNSS标准

GNSS作为所有在轨工作的卫星导航系统的总称,目前出台的标准侧重于卫星导航增强系统相关标准及以GNSS为整体概念,集成之后制定的相关标准,强调的是系统的集成与融合,不包括对单一卫星导航系统制定的标准。因此,考虑到它的独特性,这里将这一部分标准进行了整理归纳。GNSS标准如图5所示。

图5 GNSS标准

目前,国外GNSS标准共有23项,其中ARINC标准13项;RTCA标准10项,如图5(a)所示。图5(a)中,1是GNSS传感器规范;2是GNSS机载天线最低性能要求;3是GNSS导航装置规范;4是GNSS和着陆装置规范;5是GPS/WAAS机载设备最低性能要求;6是GNSS系统L1频段机载有源天线设备最低操作性能要求;7是GNSS/WAAS机载设备最低性能要求;8是GPS局域增强系统(LAAS)载设备最低操作性能要求;9是GPS/空基增强系统机载设备的最低操作性能要求;10是差分GNSS(DGNSS)设备一类精密进近(CAT-I)最低航空系统性能要求;11是GNSS系统对机场地面导航操作的支撑;12是区域导航的最低航空系统性能要求;13是GPS局域增强系统(LAAS)最低航空系统性能要求;14是基于GNSS的精密进近系统LAAS空间信号接口控制文件(ICD);15是GNSS无线电干扰评估;16是GNSSL1频段无线电干扰评估;17是GNSSL5/E5A频段无线电干扰评估。

国内GNSS标准共有5项,分别是行业标准-船舶2项、国家质检总局标准1项、行业标准-邮电通信1项和行业标准-海军1项,如图5(b)所示。图5(b)中,1是全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范;2是差分全球导航卫星系统(DGNSS)技术要求;3是GPS/GLONASS组合导航接收机通用规范;4是CDMA数字蜂窝移动通信网无线同步双模(GPS/GLONASS)接收机性能要求及与基站间接口技术规范;5是全球导航卫星系统(GNSS)测量型接收机RTK检定规程。

国外GNSS系统目前出台的相关标准都是ARINC和RTCA标准,其中,ARINC标准主要针对GNSS用户设备制定了技术要求;RTCA标准涉及的比较广泛,既有GNSS机载用户设备技术要求,也有WAAS、LAAS等系统标准。国内GNSS标准与国外GNSS标准稍有不同,因为中国的GNSS系统还在建设过程中,因此,国内的GNSS标准有系统工程标准,主要就是系统建设的技术要求和规范。除了这类标准以外,就是用户设备的技术、接口要求和测试检定标准。

2 启示与建议

通过对包括国外GPS系统、GLONASS系统及各种卫星导航增强系统的GNSS全球导航卫星系统标准以及北斗卫星导航标准现状的分析,可知目前国内外公布的相关标准主要都是围绕卫星导航系统应用来制定的,其中以用户设备和行业服务这2个领域的相关标准为标准的主要制定对象。通过分析得到2点启示:①GPS系统的应用标准相对完善,已经初步形成了体系,在建立北斗卫星导航系统标准体系时,关于应用标准部分可充分借鉴和参考其现有的体系结构;②目前已出台的GNSS标准相对零散,在制定GNSS相关标准时,要充分借鉴国外GNSS系统标准制定的经验,以增强系统和GNSS系统集成与融合方面所涉及到的标准为重点。

针对目前卫星导航标准化的实际情况,下面给出以下几点建议:

①对现有标准开展有效的适用性分析,搭建急需制定的标准框架。对标准现状的研究,最直接的目的就是为了进一步开展标准的适用性分析,梳理出急需制定的标准。适用性分析包括3个方面内容:其一是要对国外领先卫星导航系统标准,如GPS标准的适用性进行分析,看是否符合中国国情;其二是要对国内已经颁布的卫星导航标准的适用性进行分析,看是否符合中国卫星导航系统建设和应用情况,不再适用的标准建议修订;其三是要对民用领域存在的卫星导航标准进行适用性分析,看是否符合军用,凡是民用标准已经满足军用标准需求的,可以采用,无需重复制定。卫星导航标准的适用性分析是制定中国卫星导航系统标准的前提和基础;

②充分考虑卫星导航系统标准的兼容性,规范和约束多卫星导航系统资源的利用与共享。卫星导航系统的兼容性是指分别或综合使用多个全球卫星导航系统及区域增强系统,不会引起不可接受的干扰,也不会伤害其他单一卫星导航系统及其服务。卫星导航的兼容性是多卫星导航系统发展的必然趋势,因此,在制定相关标准时,就必然要考虑标准的兼容性。卫星导航标准的兼容性包括2个方面含义:其一,要以国外先进卫星导航系统标准为参考,充分考虑与其兼容。以GPS为例,由于GPS系统技术的先进性,已有的其他卫星导航系统在作改进时或新研制的卫星导航系统在作设计时,都以GPS系统作为蓝本或参照,并在尽可能的条件下与之兼容;其二,要充分考虑与现有GNSS标准的兼容。在制定卫星导航系统标准时,要满足卫星导航系统兼容性要求,即不能影响和干扰多个卫星导航系统及区域增强系统的综合使用。总之,对于多卫星导航系统并存的GNSS而言,既要注重卫星导航系统之间标准的兼容性;又要满足与现有GNSS标准的兼容;

③以应用标准的制定与推广为重点,不断推进卫星导航产业化发展。卫星导航系统标准的制定应该包括工程标准和应用标准2个部分内容:一方面,考虑到国内北斗卫星导航系统尚处在建设的攻坚阶段,系统的建设需要有统一的技术规范和标准,使系统及各组成部分的设计、研制、集成、安装、测试、操作、维护等全寿命管理有章可循;提高系统建设和运行管理的效率;另一方面,系统应用的逐步深入使得卫星导航市场在步入快速发展轨道的同时,急需标准来规范,主要包括以用户机为核心的各种用户设备的技术要求、接口要求、测试检定、使用规范;各种行业服务的使用和技术要求以及卫星导航系统的应用服务协议等。应用标准的制定有利于卫星导航先进的制造技术的推广应用;有利于提高卫星导航产品质量和发展产品品种。在制定卫星导航标准时,一方面,不能忽视工程标准的制定,这是由目前北斗卫星导航系统建设的实际情况决定的;另一方面,卫星导航应用是卫星导航系统建立的根本出发点,也是其最终目的,因此,卫星导航标准要以应用标准的制定和实施为核心和重点;

④注重卫星导航标准体系建设,全面统筹卫星导航标准化建设。卫星导航标准的制定将使卫星导航工程建设和应用效率极大化,成本极小化。在不断加强卫星导航标准制定的同时,也要注重卫星导航标准体系的建设,卫星导航标准体系是指该领域内的标准按其内在联系形成的科学的有机整体,卫星导航标准体系的建设不仅可以优化体系内各项标准的制定;而且可以使标准朝通用化、系列化、组合化方向发展,最终促进卫星导航系统健康、有序、可持续发展。在标准体系建设过程中,要采用系统的分析方法,全盘考虑,为卫星导航标准化建设做好顶层规划与设计。

3 结束语

目前,北斗卫星导航系统尚无健全的国家政策和标准。开展国内外主要卫星导航系统相关标准现状的研究,不仅能够较准确地掌握目前卫星导航系统已经制定的相关标准,有利于进一步进行标准的适用性分析,搞清体系中仍然缺失的标准;而且对中国卫星导航系统标准体系的建立有比较重要的参考和借鉴意义。

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[2]宋炜琳,谭述森.WAAS技术现状与发展[J].无线电工程,2007,37(6):50-52.

[3]SWIDER R,BRAFF R,WALLSCHLEGER V.The FAA'S LocalArea Augmentation System(LAAS)[J].The Journal of Navigation,1997(2):183-192.

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[5]李冬航,李 辉,刘学孔.我国卫星导航标准体系的现状与展望[J].航天标准化,2008(2):18-21.