船载导航接收机新标准及对我国北斗应用的建议*

大连海事大学信息科学技术学院 李 慧　张淑芳

船载导航接收机新标准及对我国北斗应用的建议*

大连海事大学信息科学技术学院 李 慧张淑芳

2015年6月22日国际海事组织海上安全委员会第95次会议通过了一项决议——《多系统船载无线电导航接收机性能标准》，并要求各国政府确保2017年12月31日后执行。详细阐述该标准为船载导航接收机提出的要求，并分析该决议给我国北斗应用带来的挑战和机遇，提出我国履行决议应采取的举措，以促进我国船舶导航管理部门、船载导航接收机生产企业和航运企业及早做好履约准备。

船载无线电导航接收机；船舶导航；GNSS；IMO；履约；北斗

一、引言

为了确保为船舶提供适应性强的、在整个航程中都能够适用的船载无线电导航设备，2015年6月22日国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC，MARITIME SAFETY COMMITTEE）通过了决议MSC.401（95）《多系统船载无线电导航接收机性能标准》（PERFORMANCE STANDARDS FOR MULTI-SYSTEM SHIPBORNE RADIONAVIGATION RECEIVERS，以下简称“性能标准”），并建议各国政府确保2017年12月31日后安装的多系统船载无线电导航接收机，其性能不低于该决议给出的标准。为了使我国的船舶导航管理部门能够针对决议及早修改和制定管理规则，使我国的船载导航接收机生产企业能够及早按照决议研究开发符合要求的产品，而不至于被国外厂商占领市场，本文介绍了决议的主要内容，并提出我国为满足决议要求应采取的必要措施，对于船舶导航管理部门建立新的履约规范和促进我国船载导航特别是北斗产业的发展具有重要意义。

二、多系统船载无线电导航接收机性能标准介绍

1.前言

全球卫星导航系统（GNSS）是空基无线电导航系统，有的已经被IMO认可为世界无线电导航系统（WWRNS）的一部分，这些系统在全球范围提供位置、速率和时间（PVT）服务。每个GNSS空间段由布设在多个轨道的30颗卫星组成。卫星的布设原则要求世界范围内所有用户能够至少收到4个卫星的信号，以进行定位（三维定位要求PDOP＜6，二维定位要求HDOP＜4），确保位置信息能够可靠用于导航。

陆基无线电导航系统利用陆基发射台发射的信号为系统提供PVT信息。接收机设备应至少接收3个台的信号以进行二维定位。

对于特殊的服务领域，例如港口入口、港口通道和沿岸水域，可利用增强系统。增强系统利用陆基或者空基的发射台提供增强数据以改进准确度和完好性服务。

多系统船载导航接收机性能标准的引进将允许当前的和将来的无线电导航系统以及在海上导航系统中用于提供PVT的增强系统的组合使用。

使用两个或者多个GNSS导航信号的多系统接收机提供改进的位置、速率和时间数据，可利用或者不利用增强系统。当使用两个或者多个独立的或者多频的无线电导航系统时，对有意和无意的无线频率具有抗干扰性。这样的组合方法也能对于单一系统提供冗余以减少损失。

接收机设备能够用于速度不超过70 kn的船舶的导航，该设备能够组合来自多GNSS和一个可选的陆基无线电导航系统，可利用或者不利用增强系统，形成单一的适应性强的PVT结果。这样的设备除满足决议A.694（17）（参阅IEC 60945）要求外，还要遵从本文给出的最小性能标准。

这些性能标准是限定最小要求，而没有给出采用的方法。

多系统船载无线电导航接收机至少要确定位置、对地航向（COG）、对地速度（SOG）和时间，这些输出可用于导航或用于输入到船载其他系统。这些信息在静态和动态条件下都应能够得到。

该性能标准允许应用不同的方法和技术实现，以提供PVT数据和相关的完好性信息。在涉及PNT数据的协调提供和在用的PNT系统的完好性监视，以及所提供的数据产品已经由IMO认可等方面，都要应用该性能标准。

2.接收机设备（模块A）

“多系统船载无线电导航接收机设备”（以下简称“设备”）包括所有的部件和单元，这些对于正确发挥功能是必需的。该设备应包括下面的最小组成部分和能力：

（1）天线，能够接收所有的无线电信号，以支持接收机设备发挥其功能；

（2）一个或多个接收机，一个或多个处理器，能够处理无线电导航信号，以支持接收机设备发挥功能；

（3）访问所计算的PVT信息的手段和方法（即显示经度、维度、COG、SOC、时间、来源，以及当前导航的历元，参见A915（22）和A.1046（27））；

（4）用于提供接收机数据控制和配置的接口；

（5）显示；

（6）原始数据输出，用于提供辅助信息，例如测距数据和GNSS卫星的导航数据等；

（7）计算的和向用户发布的数据的质量和可靠性指示；

（8）当前所使用的向用户提供PVT信息的各个无线电导航系统的指示。

天线的设计应适合于放置在船的某些位置上，提供满意的环境以接收所有需要的无线电导航信号。应考虑多径干扰和电磁EMC兼容的影响。

设备的设计应：（1）减轻带外干扰源的干扰，该带外干扰源是允许的；（2）提供进行每个PVT系统的完好性监视（如RAIM，参见A.915（22））的手段，以及多系统的自主完好性监视（在各个独立的PVT系统之间进行互检）。

3.操作和功能性设备（模块B）

该设备应：

（1）至少使用两种独立的民用GNSS导航信号，该GNSS是IMO认可的WWRNS的一部分，这些信号是空对地无线电导航卫星服务频段，并符合ITU的无线电规则。

（2）提供的PVT数据应具有必要的适应性和完好性水平，无论是否直接应用于其他设备的输入或在组合导航系统（INS，Integrated Navigation System）中使用。

（3）能够利用满足相关的国际标准的方法处理增强数据。

（4）能够方便用户选择或不选择无线电导航信号和增强信号。

（5）能够处理上述的信号，能够组合提供单一的PVT解，包括：①能够提供国际大地参照系（ITRF，International Terrestrial Reference Frame）的位置信息；②提供相对于真北的对地航向（COG），以度为单位，达到十分之一的精度；③以节为单位提供对地航速（SOG）信息，精度达到百分分之一节；④UTC时间精确到十分之一秒。

（6）能够以所要求的准确度提供PVT解，参照A.1046（27）：①没有有效卫星历书数据的冷启动时间为5分钟；②存在有效卫星历书数据的热启动时间为1分钟；③当断电或丢失信号小于60秒时，启动时间为2分钟。

（7）提供UTC时间。

（8）能够满足A.1046（27）给出的导航历元要求。

（9）对于高速运载体（HSC）能够以至少0.5秒的更新频率产生新PVT解，对于小于70节的常规船舶至少1秒的更新频率产生PVT解。

（10）能够对每个导航历元评估PVT解的性能是否满足要求，例如准确度和完好性。当不能进行评估时应给出报警信号。

（11）对于每个导航历元，高速运载体（HSC）2秒后，常规船舶3秒后，如果设备不能评估当前的性能，即PVT的准确性和完好性，应给出报警。

（12）HSC5秒后，常规船7秒后，如果不能计算新的PVT，应给出报警。在这种条件下，应给出上次的有效位置和时间，连同状态的说明，以至于不引起模糊，直到恢复正常运行。

（13）如果在规定的下个更新时刻不能提供新的位置更新，应输出上次有效的位置、SOG、COG和时间，并附加状态说明，直至恢复位置更新。

（14）提供增强状态指示，包括：①接收的增强信号；②接收的这些信号的有效性；③在PVT解的位置中是否应用了增强信号；④各增强信号的识别。

（15）对最终的PVT解和每个单独的导航系统，以文字和数字的形式提供下面的信息，并进行本地显示和分开的显示：①位置；②COG和SOG；③时间；④获得该PVT解的源系统；⑤利用性能要求评价导航历元；⑥位置解析所利用的增强信号；⑦任何报警信息。

4.接口和综合（模块C）

该设备应：

（1）提供下面符合相关国际标准的接口，参见IEC 61162：①至少提供一个接口，以提供以WGS84的PVT解，例如包括位置信息、COG、SOG、时间、得到的和使用的PVT源、满足性能要求的导航历元评估、增强信息等。提供将基于WGS84计算的位置转换成为兼容所使用的导航图坐标的数据。②至少一个接口将所有可能得到的导航源的数据提供给INS从而对以WGS得到PVT信息进行增强评价。③一个接口用于船桥报警管理（BAM）。④提供至少接收一个增强信号源的输入部件。

（2）能够在典型的船舶和外来电磁环境和无线电频谱环境下，以及常规的干扰条件下，提供满意的操作运行，符合A.694（17）的要求。

（3）确保在下列情况下不产生永久损坏：天线的或者它的输入或输出的意外短路或接地、设备的任何输入或输出的意外短路或接地等。

5.文本（模块D）

应提供设备文本，最好以电子格式，应包括操作说明书和安装手册。操作说明书应包含全部功能说明，包括：（1）多系统的概念，使用GNSS和陆基无线电导航系统和增强系统的好处和限制（即PVT解的源）；（2）说明使用了哪些GNSS、陆基无线电导航系统和增强系统；（3）说明哪些PVT解析使用了哪些导航历元；（4）解释所使用的指示和门限设定的方法；（5）解释多系统的输入选择和融合过程；（6）描述可能的失效和对接收机设备的影响。

三、北斗系统和伽利略（GALIEO）系统的IMO标准化历程

2011年12月27日北斗宣布投入试运行，大连海事大学导航研究所在国家北斗办和交通运输部海事局的支持下主持撰写了向IMO介绍中国北斗卫星导航系统的信息文件，并由交通运输部外事部门代表中国于2012年1月6日向COMSAR第16次分委会提交了信息文件“DEVELOPMENT OF AN ENAVIGATION STRATEGY IMPLEMENTATION PLAN BeiDou the new member of GNSS for e-navigation”。该信息文件在2012年3月在COMSAR16次分委会大会上进行了宣读。该分委会向MSC提交的大会报告中指出，分委会已经注意到中国提交的信息文件中关于“the development of the BeiDou Navigation Satellite System in China”。这是中国首次正式向IMO介绍北斗卫星导航系统，是中国的北斗卫星导航系统的IMO国际标准化的里程碑文件。此后北斗系统的IMO国际标准化工作正式开始。

2012年8月，MSC第91次会议接受了中国提交的议案“Proposal for a new unplanned output on the application of BeiDou in the maritime field，Submitted by China”，并于MSC第92次会议上为NAV分委会安排了该项工作议题，任务是研究“Application of the satellite navigation system "BeiDou" in the maritime field”。中国提出的建议包括：承认北斗是未来WWRNS的一部分，研究编制北斗接收机设备的最小性能标准。这些议题成为接下来NAV分委会的两年工作任务，计划于2014年末给出任务成果，即给出中国提议的“北斗在海事领域的应用”任务的研究成果。NAV分委会专门为该议题建立了工作组。2 013年5月中国就该议题向NAV59提交了“Preliminary Review of BeiDou Satellite Navigation System”，对北斗的技术问题做了进一步的说明。同时提交了北斗接收机设备的最小性能标准草案“Proposed draft performance standards for shipborne BeiDou receiver equipment”。NAV的北斗工作组进一步明确了工作组的任务：研究北斗接收机设备的最小性能标准，对北斗作为将来WWRNS的一部分进行全面评价。

经过北斗工作组的工作，最后于2014年6月MSC93次会议的第379号决议（即MSC.379（93））通过了北斗船载接收机设备的最小性能标准，参见MSC93/22/ Add.3 附件18。2014年11月MSC第94次会议承认北斗为将来的WWRNS的一部分，并通过了IMO第329号通函SN.1/Circ.329“Recognition of the BeiDou Satellite Navigation System（BDS）as a component of the World-Wide Radionavigation System”。2015年3月的NCSR第2次会议上宣布北斗的工作已经完成。

与此同时，2014年3月由英国和欧盟联合向MSC提交了信息文件“Proposal for a new unplanned output on the adoption of the Galileo GNSS into the WWRNS Annex 1: Information note on compelling need”。因为Galileo的船载接收机最小性能标准已经在2006年MSC.82通过，但是没有履行WWRNS的程序。在中国北斗的工作启示下欧洲也启动了该工作程序，并于2014年12月向NCSR2提交了在“RECOGNITION OF GALILEO AS A COMPONENT OF THE WWRNS”议题下的第2个文件“Galileo GNSS status update and next steps”。该文件为使Galileo被IMO承认为WWRNS的一部分提供Galileo的性能和状态的信息。2015年3月的NCSR2会议决定该工作将于2016年完成。

因此，到2016年末WWRNS将有四个系统，即GPS、GLONASS、北斗和GALILEO，统称为GNSS。

四、我国北斗应用产业面临的挑战和机遇

通过研究和分析“性能标准”，笔者认为，2017年末后船舶装载的无线电导航接收机，至少是履约船舶装载的船载无线电导航接收机，应增加满足“性能标准”要求的功能：

1.未来船载无线电导航接收机新的性能要求

未来的船载无线电导航接收机应至少使用两种独立的民用GNSS导航信号，该GNSS是IMO认可的WWRNS的一部分。

目前我国生产的北斗芯片基本是北斗和GPS双模芯片，可以满足“性能标准”要求。但是，2020年前我国的北斗系统尚不具备全球定位的能力，对于在亚太地区航行的船舶能够满足要求，而对于全球航行的远洋船舶如何满足“性能标准”要求，是摆在船载导航接收机厂商面前的重要任务。

2.对于提供的PVT数据应具有评估功能

目前的船载GNSS接收机都不具准确性、适应性和完好性评估功能，而该功能的增加需要深入研究船载综合PNT算法，并需要多种感器或辅助系统提供的信息。该功能的实现需要较长的研究周期，因此必须及早进行研究。

3.其他功能的对比研究与实现

建议我国的船载无线电导航接收机生产厂商应及早深入研究“性能标准”，以使所生产的产品符合要求。

4.我国生产厂商面临的机遇

“性能标准”将在全球施行，任何国家的船载无线电导航系统都将必须装备至少接收两种GNSS信号的接收机，而目前世界上只有四种IMO认可的WWRNS系统，这为我国的北斗系统走向国际化带来了机遇。我国的北斗生产厂商应及早与世界各国船载无线电导航系统生产厂商合作，为船舶提供符合“性能标准”要求的产品。

五、我国船舶导航管理部门面临的挑战

“性能标准”要求未来的船载无线电导航接收机应能够方便用户选择或不选择任何无线电导航信号和增强信号，并能够对接收机输出的PVT信息进行准确性、适应性和完好性评估。这些功能对海事管理部门提出了新的要求，即如何建立支撑系统以辅助船载无线电导航系统实现这些功能要求，本文认为：

（1）船舶导航管理部门应根据海域航行安全的需求，建立符合定位精度要求增强系统。目前我国沿海的RBN/DGPS系统正在扩展差分北斗（DBD，Differential BeiDou）功能，可为GPS和北斗提供增强功能，但是尚不具备GLNASS和GALILEO的用户增强功能。正在建设的连续运行参考站（CORS，Continuously Operating Reference Stations）系统将为高精度导航和航道测量提供增强服务。

（2）针对船载接收机进行PVT信息的准确性、适应性和完好性评估功能，海事管理部门应按照需求建立支撑系统，例如海域气象信息、海况信息和其他辅助信息等。

（3）针对船载接收机的新功能，船舶检验部门应及早研究功能检测检验标准或规范，以使将来在我国沿海航行的中外船舶符合“性能标准”的要求。

六、结束语

MSC.401（95）决议已经颁布一年了，但是我国很多企业和管理部门对该决议尚不甚了解。笔者建议相关企业和管理部门尽快对性能标准进行深入研究，进而实现：一、我国的北斗生产企业能够及时在2017年12月前生产出符合标准的多系统船载导航接收机，从而占领国内外市场；二、我国的海事和船舶导航管理部门能够及早准备和实施履约要求，为新标准要求的船载接收机提供必要的支撑和助航系统；三、航运企业及早设计履约规划，使船载导航接收机能够顺利按时履约，从而使企业避免因设备不满足性能标准带来的损失。

10.16176/j.cnki.21-1284.2016.08.001

李慧（1988—），女，硕士研究生，E-mail：490610335@qq.com

张淑芳（1955—），女，博士，教授，博士生导师，E-mail：sfzhang@dlmu.edu.cn

*研究资助：国家自然科学基金重点项目，No.61231006