船用北斗导航系统终端定位性能的检测验证

吴晓明

(中国船级社, 北京 100007)

为避免完全依赖全球定位系统(Global Positioning System,GPS)，保障我国的国防安全，加速国家经济发展，经历重要困难，我国自主研发了北斗全球定位导航系统(Beidou Navigation Satellite System, BDS)于2012年获得初步成功,于当年12月对国内、外民用各领域提供区域无源定位、导航和授时服务(北斗二号),并于2020年形成全球覆盖的服务能力。我国交通运输业率先推进BDS在船舶导航、监控和救灾等领域的全面应用[1]。

鉴于BDS技术是首次接轨国际海运行业的船舶全球导航技术体系，也正全面转化应用到我国沿海和内河的民用商船以及海船运输领域中，为保障该船用产品首次应用优质达标，中国船检作为国家授权的船用产品质量监督检验机构，正着力摸索对该高新技术导航产品的定型认可和检验验证把关，以保证向船舶行业提供高质量的国产卫星导航产品。[2-3]由于初始应用不可避免地会出现各种问题，因此船用BDS产品检验验证的科学性和规范化，无疑是海运行业目前应用BDS面临的迫切问题。本文侧重论述船用BDS定位性能检验验证的典型项目、关键要求及对突出问题的分析和解决方法。

BDS具有为海上和内河船舶导航提供实时定位、对地航向(Course Over Ground,COG)、对地航速(SOG)和授时等航行基本功能的服务能力(替代GPS定位设备)，已成为导航雷达、船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)、计程仪、甚高频无线电台和甚至卫星应急示位标等船舶安全航行重要设备正常工作必不可少的技术支撑。目前，IEC船用GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机的标准共有IEC 61108-1、IEC 61108-2、IEC 61108-3和IEC 61108-4等4种,分别表示GPS接收机标准、GLONASS接收机标准、Galileo接收机标准、DGPS和DGLONASS差分接收机标准。我国政府已全力推进国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)将BDS纳入4大全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)；其技术性能和配备要求以IMO MSC379(93)决议[4]公布。在此之前，为响应国家推广该系统倡导将其逐步全面应用于交通运输领域的船舶导航、监控和救灾等服务中的决策，由海事、船检和水运等部门和单位紧密合作，在沿海和长江流域进行船载BDS应用试验已开展多年。对原试行规定进行研究和充实完善之后，完成我国船舶法规将BDS定位终端的要求纳入实施规定的工作。为BDS应用于国际和国内航行船舶提供法定依据。2016年底我国公布北斗接收机标准，提出了接收机设备性能要求、检测方法和检测结果等方面的规定，其中包括设备安装与启动、数据有效性、准确性和精度(静态、动态)等内容。[5]与2013年公布的GPS接收机标准IEC 61108-1相比，二者在卫星捕获跟踪性能检测规定方面的内容一致。在静态精度检测方法中，BDS是以CGCS2000坐标系作为参考基准判断EUT是否正确定位的;而GPS是以WGS 84作为参考基准。同时,在静态精度合格性的判定上，同样收集至少24 h的数据，并从其中筛选出HDOP≤4和PDOP≤6的数据进行计算，BDS水平定位精度小于25 m判定为合格，GPS水平定位精度小于13 m判定为合格[6]，但都存在测试方法描述模糊的现象。

中国船级社(China Classification Society, CCS)作为对船用产品执行技术进行监督和检验发证的国家机构，承担着对船用BDS产品的技术验证和检验认可职责，同时面临着探索民用船舶首次应用与国际接轨的国产BDS技术性能和检测验证细节要求的迫切任务。[2]与已在全球海事行业使用近30 a的GPS不同，船用BDS，技术及其试验无经验可借鉴，面临无民用专业检测机构、需新创建达标等重大困难。CCS主动组织对BDS产品重点厂家的技术宣贯和交流；中加船级社专项组与产品厂、检测机构深入研究、不断改进、反复验证，多方合作，边摸索、边创建、边开展产品技术检验，经历多次研究验证，克服重重困难，最终完成对BDS达标产品的船检认可，探索出对重点检测要求的研究细化和规范化操作。本文就BDS产品的静态定位、动态定位和卫星捕获等典型重要技术性能的验证检验共性问题进行简要分析。

1 捕获性能试验要求的解析与确定

规定的技术要求和指标要求如下：

除了受试设备加电和确保天线接收BDS信号时有宽阔视野之外，无其他辅助，在冷态、温态和热态等3种状态下，能捕获来自卫星的输入信号，即载波电平在-130～-120 dBm内的卫星信号。捕获时间限值应符合要求(通过性能检查来验证)，见表1。一旦捕获卫星信号，当卫星信号的载波电平降至-133 dBm时，设备应继续正常运行。

表1 捕获性能试验要求

在实际进行现场捕获试验时，发现试验规定中的要求不够清晰、存在问题，如：样机检测以冷启动、温启动后第1个数据为基准开始计时，可能与技术规定的本意有偏差，由于规定的方法、步骤不具体，可能导致各型样机(Equipment Under Test, EUT)在确定从数据接收到实际定位时，因基准设定、定位数据接收量和集散性未统一界定，导致样机试验数据千奇百怪，无法判定定位从何时算起。行业和检验专家结合实际，在反复研究之后提炼出较科学合理的检测方案,即:启动后通过软件计算确定样机接收第1个定位数据，以此数据开始连续记录，计算前100组数据，若满足95%置信率，即认为第1个定位准确数据时间为启动时间;若不满足，则自动向后移位选取100组数据计算，直到某100组数据满足95%置信率时,才认为是有效数据。这100组数据的第1个数据计时为启动时间，若启动时间符合表2，即认为合格，否则EUT进行该试验失败。

2 “典型干扰试验验证”数据采集要求的解析与确定

在“导航精度测试”一项中，按2 min采集20组数据还是按船舶法规附件2中的要求“每2 min记录一次EUT的定位数据，共采集20组数据”的理解完全不一致。结合实际，鉴于重捕获测试，增加60 s内测试的要求。之前专家研究的结论已明确“要在信号恢复60 s内连续获得满足精度要求的速度和时间”，因此，在60 s之后应进行性能检测。参照标准的原文：“When steady-state accuracy is reached, record a minimum of 20 position and HDOP values as reported by EUT at a rate of one sample every 2 min.”按标准原文理解，“a minimum of 20 position and HDOP values”可认为是“one sample”，然后记录多少个2 min，也可有不同理解，具体要求不明确。

为此，根据实际可行，统一验证做法：每2 min测1组数据，1组包含至少20个位置信息和HDOP值；对规定要求的每种干扰场景测1组，若满足95%置信度要求，即认为合格，该项测试完整过程大致需要0.5 h。

3 动态试验要求的解析与确定

测试时间原规定为至少2 min，经实际操作存在问题；实际在高动态情况下，由于EUT捕获时间比较长，如BDS样机进行0～48 kn动态运动时测试，一般需要5～10 min，不同的EUT时间可能不一致，因此，在2 min内无法测得完整合理的数据，故参照时间速度曲线图见图1，经专家商议，将检验规定附件2中测试时间从2 min改为15 min比较合理，实际可行。速度变化是在测试前接收机已锁定信号(完成捕获跟踪)，1 min内从0 kn加速到48 kn，再保持2 min，见图1。

4 静态定位测试中的问题

对带有BDS模块的卫星应急示位标产品船检认可期间，依据《我国船舶法规2016》附录中“应急无线电示位标技术和试验要求”，需对北斗示位标样机进行“静态定位精度”(内置BDS模块)的测试。该测试是验证北斗卫星示位标中RNSS定位模块在实际信号环境下，在静态状况下接收解算其所在位置的定位精度，即EUT伪距单点定位结果与已知点位坐标相比的误差值。原静态定位精度测试连接图见图2。

4.1 测试方案

试验开始之前用高精度接收机标定北斗样机天线安装点的坐标，或采用经权威机构标定的基准点作为实际位置坐标点。将样机的定位模拟天线设置于此，再将定位导航天线与射频线缆相连接，将接收信号输入至屏蔽暗室内，使得屏蔽暗室内的北斗样机能接收到GNSS定位导航信号。样机开机之后，将接收并解算后的定位信息通过数据线传输至测控计算机内，测控计算机接收并存储示位标上报的定位信息。最终通过统计定位信息评估，得出对北斗样机实测的静态定位精度(类同BDS导航接收机)。

4.2 评估方法

在测试BDS的RNSS定位精度时，需注意所用卫星的精度因数。HDOP值是接收设备测试时用的可视卫星星座可用性的标志，若HDOP≤4，可认为满足测试条件；若PDOP≤6，则PDOP用于描述空间几何坐标系。利用模拟器测试定位精度，应收集筛选处于HDOP≤4和PDOP≤6的数据。剔除后的定位数据参与定位准确度的解算，将参与解算的定位数据与标定的已知位置值相比，计算定位准确度。

4.3 数据处理

将被测模块输出的大地坐标系(Lenth Breadth Height, BLH)定位数据转换为站心坐标系(Eeat North Universe, NEU)定位数据。计算各历元输出的定位数据在站心坐标系下各方向(NEU方向，即北东天方向)的定位误差，为

(1)

式(1)中：ΔNi、ΔEi、ΔUi和ΔHi分别为第i次实时定位数据的N、E、U方向和水平方向的定位误差(i=1，2，…，n)，m；Ni、Ei和Ui分别为第i次实时定位数据的N、E、U方向分量，m；N0i、E0i和U0i分别为第i次实时定位的标准点坐标N、E、U方向分量，m。

计算站心坐标系下各方向的定位偏倚，为

(2)

计算定位误差的标准差为

(3)

式(3)中：σN、σE和σU分别为定位误差的标准差在N、E和U方向的分量，m；σH为定位误差的标准差在水平方向的分量，m。

计算置信概率为95%的定位精度。对于水平方向，在随机误差接近正态分布时，可取置信因数k≈1.74，或取其安全的近似值k=2(水平误差落在半径为2σH的圆内的概率在95.4%～98.2%，具体值取决于误差椭圆的轴比，2σH值通常作为水平误差大小的95%界限)。测试步骤为

1) 将导航天线架设在室外坐标点已知的基准点位上。

2) 将导航天线接收到的实际卫星信号通过射频线缆传至室内屏蔽暗箱内的发射天线。

3) 将被测示位标放置在屏蔽暗箱内并开机，使示位标样机能接收屏蔽暗箱内发射天线转发的实际卫星导航信号。

4) 将示位标的定位输出串口与测控计算机连接。

5) 北斗示位标以1 Hz速率实时输出解算的位置信息至测控计算机，测控计算机存储位置信息。

6) 北斗示位标正常定位15 min后正式开始测试，测试时间为24 h。

7) 将24 h的数据进行试验标准差统计，得到被测示位标的静态定位精度。

静态定位精度的验证合格要求为：BDS水平定位精度小于25 m判定为合格；BDS垂直定位精度小于30 m判定为合格；GPS水平定位精度小于13 m判定为合格。

在采用实际样机对该项目进行测试过程中发现，BDS样机输出上报给测控计算机的输出定位信息显示：跟踪卫星的信噪比很低，且有很多时间段显示处于“未定位”状态，即EUT动态定位测试失败。

4.4 问题分析

由于该BDS定位模块在其他有关导航的项目中的测试都很顺利，因此暂时排除样机性能故障的原因。根据描述的现象，经测试组人员仔细检查发现，样机上报的信息并非全是“非定位”信息，而是部分存在定位信息，只是接收卫星的功率较差。在检查并排除线缆和接头损坏的可能性后，测试组人员经分析得出的结论：导航信号在通过射频线缆、发射天线和屏蔽暗室内的空间衰减后，信号的能量总衰减过大，其功率已衰减至示位标无法完成正常的定位解算。这一现象不能归咎于示位标天线的RNSS接收能力，因为在BDS官方ICD文件中规定，卫星信号的落地电平不得低于-133 dBm。

进一步问题排查：利用实验室的标准导航接收机替代示位标，进行重新试验。试验结果表明标准导航接收机在同样的环境下也无法完成定位。这证实屏蔽暗室内的实际卫星导航信号的功率已严重低于可接收信号的功率电平。

4.5 分析整改

由于室外的接收天线接收导航信号后，通过较长射频线缆将实际信号传输至屏蔽暗箱内的播发天线，整个链路可能导致实际导航信号功率的衰减。为补偿链路信号功率的衰减，可在接收导航天线与屏蔽暗室内的发射天线之间，增加一个功率放大装置，使接收的静态定位精度导航信号通过放大后播发，以弥补链路功率损耗过大的不足。具体的整改方案见图3, 整改后的试验验证、测试方法和测试步骤不变。将标准接收机和示位标样机分别接入试验，对比发现2者均能进行正常定位，且卫星载噪比能达到约40 dB/Hz，说明接收到的卫星信号状态良好。因此，当测试条件正常时，北斗示位标样机的静态定位精度结果能满足技术指标要求。

5 样机的动态定位精度测试

根据《北斗系统测试大纲》中对BDS定位模块样机的要求，对其进行“动态定位精度”测试，验证BDS在模拟信号环境下，EUT输出定位信息与同一时刻标准位置数据的偏差(动态工况下样机的定位精度)。动态测试分别在2种动态场景下进行。

5.1 动态场景1

初始速度为0，在1 min时间内从0加速至48 kn并保持匀速，以48 kn的速度沿直线运行至少2 min，随后在5 s内沿同一直线将速度降到0，保持静止状态10 s。

5.2动态场景2

初始速度为0，在1 min时间内从0加速至24 kn并保持匀速，以24 kn的速度沿直线航行至少2 min，随后在至少2 min内在直线2侧2 m内以11～12 s周期均匀偏移。连接方式见图4。具体测试步骤描述为

1) 按下列要求将卫星轨道、卫星钟差、电离层时延和对流层时延等误差参数设置为无时变误差模式；卫星星座设置为BDS B1模式，不少于9颗可见BDS卫星，满足HDOP≤4，PDOP≤6；测试系统输出信号至北斗示位标天线口面信号功率设置为-125 dBm；测试环境均规定纵向加速度为5 m/s2，横向加速度为6 m/s2。

2) 选择动态场景1：初始速度为0，在1 min时间内速度从0加速至48 kn并保持匀速，以48 kn的速度沿直线运行至少2 min，随后在5 s内沿同一直线将速度降到0，保持静止状态10 s。

3) 测试系统控制EUT加电，EUT接收测试系统输出信号之后，实时输出定位结果至测试系统。测试时间为135 s。

4) 选择动态场景2：初始速度为0，在1 min时间内速度从0加速至24 kn并保持匀速，以24 kn的速度沿直线航行至少2 min，随后在至少2 min内在直线两侧2 m以内以11～12 s周期均匀偏移。

5) 测试系统控制EUT加电，EUT接收测试系统输出信号之后，实时输出定位结果至测试系统。测试时间为255 s。

(1) 合格判据：动态场景1和动态场景2测量结果均满足下列要求时判定为合格，即：BDS定位锁定，水平定位精度小于25 m，垂直定位精度小于30 m为合格。但是，在顺利完成动态场景1测试之后进行动态场景2的测试时发现，被测的BDS样机不能正常定位。

(2) 问题分析：在排除示位标自身可能存在的故障的同时，测试人员分析：动态场景1与动态场景2的启动方式相同，使用的仪器设备也相同。被测示位标在动态场景2的测试中无法定位，最大的可能性是示位标在进行动态场景2的测试时，其内部还保存着动态场景1的信息，导致无法正常定位。

(3) 问题排查：示位标在进行一个场景的测试之后，必须清空内部存储的星历、概略位置和概略时间等信息，否则当进行下一次测试时，若星历、概略位置和概略时间等信息发生变化，将无法进行定位。因此，在每次进行测试之前，需对被测的示位标进行冷启动操作，以保证内部信息被清空。利用实验室模拟导航信号环境进行重新测试，当先测试动态场景2再测试动态场景1时，动态场景2可正常定位，但动态场景1无法正常定位。

(4) 整改措施：在每项测试之前，向被测示位标发送冷启动指令，使其清空内部信息。由于不同厂家生产的示位标内部的定位模块并不相同，因此不同厂家的冷启动指令也不完全相同，测试人员在探寻各厂家的冷启动指令之后，对各台示位标进行单独操作。整改之后的测试步骤中，第5步增加1条，即“测试系统控制北斗示位标加电，通过测控计算机向被测示位标发送冷启动指令，使被测示位标清空内部信息。在北斗示位标接收测试系统输出信号后，实时输出定位结果至测试系统。测试时间75 s。”整改之后重新对被测的示位标进行试验，发现均能进行正常定位，说明测试条件的整改措施合理、有效。最终评估示位标动态定位精度满足指标的要求。

6 结束语

综上所述，随着国际海事领域船舶导航高新技术产品快速电子化、集成化发展，BDS作为船舶安全导航和节能高效、精准避碰等航行及综合系统的关键技术支撑，在国际公约和国内船舶法规中都明确规定强制实施的要求，这对推动BDS在国内外航海和水上船舶中的应用提供广阔市场和大好前景。全面、正确掌握BDS系统技术要求和关键性能检测验证方法，为船舶提供高质量BDS产品，对在全球推广应用BDS导航产品有着重大现实意义，是对我国海运强国建设的有力保障。