衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準現(xiàn)狀分析

朱筱虹,徐 瑞,趙金賢,王 森,唐 云

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京100094)

0 引言

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

近年來,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)深入到各行各業(yè),呈現(xiàn)無孔不入的景象,衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化前景日益廣闊,并逐漸產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟效益。實踐證明,一類新技術(shù)要想真正走上持續(xù)、高效的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路,取得可觀的經(jīng)濟效益,就必須要有與之相適應(yīng)、相對完善的技術(shù)法規(guī)和標準作為基礎(chǔ)。加強衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準的制定和實施對衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義。例如規(guī)范衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率可減少接收機制造的成本;規(guī)范坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)可提高多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作性;規(guī)范衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道產(chǎn)品有利于衛(wèi)星定軌軟件的編制和用戶位置的解算;規(guī)范衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶機的接口和協(xié)議可提高應(yīng)用系統(tǒng)與用戶設(shè)備的互連互通。總之,標準是衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化健康、有序和良性發(fā)展的前提條件。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準現(xiàn)狀與分析

1.1 GPS系統(tǒng)標準

GPS系統(tǒng)標準包括GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準和差分GPS(DGPS)標準。截止到2010年初,與GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)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(nèi)GPS標準30項,差分GPS標準4項。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以用戶終端為媒介為不同用戶提供各種導(dǎo)航、定位和授時(PNT)服務(wù),因此系統(tǒng)應(yīng)用標準應(yīng)包括以用戶終端為核心的用戶設(shè)備標準;同時,為了滿足不同行業(yè)對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求,系統(tǒng)應(yīng)用標準還應(yīng)包括各種行業(yè)服務(wù)標準。在此基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)應(yīng)用標準按照用戶設(shè)備和行業(yè)服務(wù)的分類進行了歸納。

國外與GPS相關(guān)的27項標準主要由德國標準協(xié)會、英國標準協(xié)會、法國標準化學會、歐洲電信標準協(xié)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(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(階段2+.廣播網(wǎng)輔助的定位服務(wù)(LCS)、增強觀測時間差分和全球定位系統(tǒng)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(guān)標準,如圖1所示。國內(nèi)GPS標準如圖2所示。

圖1 國外GPS標準

圖2 國內(nèi)GPS標準

國內(nèi)GPS標準包括通用基礎(chǔ)和系統(tǒng)應(yīng)用類標準,國外GPS標準和國內(nèi)外差分GPS標準都是系統(tǒng)應(yīng)用方面的標準。

國外GPS系統(tǒng)應(yīng)用涉及的用戶設(shè)備類和行業(yè)服務(wù)類標準歸納起來只有2種,即對用戶設(shè)備和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的技術(shù)要求和測試檢定標準。國內(nèi)GPS系統(tǒng)涉及的標準相對較多,其用戶設(shè)備類標準主要規(guī)定了GPS各類用戶設(shè)備的技術(shù)要求和測試、檢定、校準及維修方法;行業(yè)服務(wù)類標準主要頒布的是協(xié)議和各種行業(yè)應(yīng)用類的技術(shù)要求,主要涉及到的行業(yè)有測繪、交通、電子、漁業(yè)、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(shè)備的性能、測試方法和要求的測試結(jié)果的規(guī)定,屬于用戶設(shè)備標準。國內(nèi)差分GPS標準主要是行業(yè)服務(wù)標準,即技術(shù)要求和測試檢定標準,涉及到的行業(yè)有交通、石油和船舶。

1.2 GLONASS系統(tǒng)標準

國外已公布的GLONASS系統(tǒng)標準共有6項。國際電工委員會、英國標準協(xié)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(dǎo)航和無線電通信設(shè)備和系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)船載DGPS和DGLONASS無線電信標接收設(shè)備的性能要求、試驗方法和所要求的試驗結(jié)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(dǎo)航和無線電通信設(shè)備與系統(tǒng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)第2部分:全球定位系統(tǒng)(GLONASS)接收設(shè)備性能標準、測試方法和要求的測試結(jié)果;2是1 610～1626.5MHz的移動衛(wèi)星和GLONASS服務(wù)兼容性研究;3是運行于已分配給無線電導(dǎo)航衛(wèi)星和航空無線導(dǎo)航業(yè)務(wù)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的頻段的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)共享的考慮(GLONASS-M)。

圖3 GLONASS標準

從目前GLONASS系統(tǒng)公布的標準來看,標準數(shù)量較少,不成體系,標準的內(nèi)容與系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān),同樣是用戶設(shè)備和行業(yè)服務(wù)類標準,目前出臺的標準主要涉及了用戶設(shè)備性能和測試方法及服務(wù)兼容和共享等方面的內(nèi)容。而且,GLONASS系統(tǒng)標準的公布時間相對集中,都在1994年～2000年之間。這與GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展情況有密切關(guān)系,GLONASS系統(tǒng)在前蘇聯(lián)解體后,由俄羅斯繼續(xù)發(fā)展,由于受俄羅斯經(jīng)濟不斷下滑的影響,在2000年后,GLONASS系統(tǒng)未出臺新的相關(guān)標準。近年來,隨著俄羅斯對GLONASS系統(tǒng)維護費用的投入,GLONASS系統(tǒng)正在積極地恢復(fù)建設(shè),可以預(yù)見,隨著GLONASS系統(tǒng)服務(wù)能力的逐漸恢復(fù)和系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入,必然導(dǎo)致與系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)的標準陸續(xù)出臺。

1.3 “北斗”系統(tǒng)標準

目前,對外公布的“北斗”標準共有7項。其中,行業(yè)標準-交通6項、行業(yè)標準-海軍1項。“北斗”標準如圖4所示。

圖4中,1是北斗一號民用車(船)載遇險報警終端設(shè)備技術(shù)要求和使用要求;2是北斗一號民用數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備技術(shù)要求和使用要求;3是北斗一號民用車(船)載終端設(shè)備技術(shù)要求和使用要求;4是北斗一號艦載用戶機通用規(guī)范;5是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)船舶監(jiān)測終端技術(shù)要求;6是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)船舶遇險報警終端技術(shù)要求;7是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)船舶監(jiān)測終端數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

目前公布的“北斗”標準都是與“北斗一號”相關(guān)的標準。“北斗一號”系統(tǒng)于2003年建設(shè)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(tǒng)應(yīng)用方面的標準,主要涉及的是各類用戶設(shè)備的技術(shù)要求以及行業(yè)服務(wù)標準中的協(xié)議類標準。

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的3步走發(fā)展戰(zhàn)略,“北斗一號”系統(tǒng)的開通運行標志著已完成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建設(shè)。目前,北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃于2012年前形成周邊地區(qū)的覆蓋能力,隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的逐步深入及系統(tǒng)服務(wù)能力的最終形成,衛(wèi)星導(dǎo)航標準化建設(shè)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱,目前出臺的標準側(cè)重于衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)相關(guān)標準及以GNSS為整體概念,集成之后制定的相關(guān)標準,強調(diào)的是系統(tǒng)的集成與融合,不包括對單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(guī)范;2是GNSS機載天線最低性能要求;3是GNSS導(dǎo)航裝置規(guī)范;4是GNSS和著陸裝置規(guī)范;5是GPS/WAAS機載設(shè)備最低性能要求;6是GNSS系統(tǒng)L1頻段機載有源天線設(shè)備最低操作性能要求;7是GNSS/WAAS機載設(shè)備最低性能要求;8是GPS局域增強系統(tǒng)(LAAS)載設(shè)備最低操作性能要求;9是GPS/空基增強系統(tǒng)機載設(shè)備的最低操作性能要求;10是差分GNSS(DGNSS)設(shè)備一類精密進近(CAT-I)最低航空系統(tǒng)性能要求;11是GNSS系統(tǒng)對機場地面導(dǎo)航操作的支撐;12是區(qū)域?qū)Ш降淖畹秃娇障到y(tǒng)性能要求;13是GPS局域增強系統(tǒng)(LAAS)最低航空系統(tǒng)性能要求;14是基于GNSS的精密進近系統(tǒng)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(nèi)GNSS標準共有5項,分別是行業(yè)標準-船舶2項、國家質(zhì)檢總局標準1項、行業(yè)標準-郵電通信1項和行業(yè)標準-海軍1項,如圖5(b)所示。圖5(b)中,1是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范;2是差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(DGNSS)技術(shù)要求;3是GPS/GLONASS組合導(dǎo)航接收機通用規(guī)范;4是CDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)無線同步雙模(GPS/GLONASS)接收機性能要求及與基站間接口技術(shù)規(guī)范;5是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測量型接收機RTK檢定規(guī)程。

國外GNSS系統(tǒng)目前出臺的相關(guān)標準都是ARINC和RTCA標準,其中,ARINC標準主要針對GNSS用戶設(shè)備制定了技術(shù)要求;RTCA標準涉及的比較廣泛,既有GNSS機載用戶設(shè)備技術(shù)要求,也有WAAS、LAAS等系統(tǒng)標準。國內(nèi)GNSS標準與國外GNSS標準稍有不同,因為中國的GNSS系統(tǒng)還在建設(shè)過程中,因此,國內(nèi)的GNSS標準有系統(tǒng)工程標準,主要就是系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)要求和規(guī)范。除了這類標準以外,就是用戶設(shè)備的技術(shù)、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(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)及各種衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)的GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)標準以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航標準現(xiàn)狀的分析,可知目前國內(nèi)外公布的相關(guān)標準主要都是圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用來制定的,其中以用戶設(shè)備和行業(yè)服務(wù)這2個領(lǐng)域的相關(guān)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(tǒng)的應(yīng)用標準相對完善,已經(jīng)初步形成了體系,在建立北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準體系時,關(guān)于應(yīng)用標準部分可充分借鑒和參考其現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu);②目前已出臺的GNSS標準相對零散,在制定GNSS相關(guān)標準時,要充分借鑒國外GNSS系統(tǒng)標準制定的經(jīng)驗,以增強系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)集成與融合方面所涉及到的標準為重點。

針對目前衛(wèi)星導(dǎo)航標準化的實際情況,下面給出以下幾點建議:

①對現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)容:其一是要對國外領(lǐng)先衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(nèi)已經(jīng)頒布的衛(wèi)星導(dǎo)航標準的適用性進行分析,看是否符合中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用情況,不再適用的標準建議修訂;其三是要對民用領(lǐng)域存在的衛(wèi)星導(dǎo)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(jīng)滿足軍用標準需求的,可以采用,無需重復(fù)制定。衛(wèi)星導(dǎo)航標準的適用性分析是制定中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準的前提和基礎(chǔ);

②充分考慮衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準的兼容性,規(guī)范和約束多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)資源的利用與共享。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性是指分別或綜合使用多個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及區(qū)域增強系統(tǒng),不會引起不可接受的干擾,也不會傷害其他單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航的兼容性是多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,因此,在制定相關(guān)標準時,就必然要考慮標準的兼容性。衛(wèi)星導(dǎo)航標準的兼容性包括2個方面含義:其一,要以國外先進衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準為參考,充分考慮與其兼容。以GPS為例,由于GPS系統(tǒng)技術(shù)的先進性,已有的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在作改進時或新研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在作設(shè)計時,都以GPS系統(tǒng)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(xiàn)有GNSS標準的兼容。在制定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準時,要滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性要求,即不能影響和干擾多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及區(qū)域增強系統(tǒng)的綜合使用。總之,對于多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并存的GNSS而言,既要注重衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間標準的兼容性;又要滿足與現(xiàn)有GNSS標準的兼容;

③以應(yīng)用標準的制定與推廣為重點,不斷推進衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準的制定應(yīng)該包括工程標準和應(yīng)用標準2個部分內(nèi)容:一方面,考慮到國內(nèi)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)尚處在建設(shè)的攻堅階段,系統(tǒng)的建設(shè)需要有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標準,使系統(tǒng)及各組成部分的設(shè)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(tǒng)建設(shè)和運行管理的效率;另一方面,系統(tǒng)應(yīng)用的逐步深入使得衛(wèi)星導(dǎo)航市場在步入快速發(fā)展軌道的同時,急需標準來規(guī)范,主要包括以用戶機為核心的各種用戶設(shè)備的技術(shù)要求、接口要求、測試檢定、使用規(guī)范;各種行業(yè)服務(wù)的使用和技術(shù)要求以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)協(xié)議等。應(yīng)用標準的制定有利于衛(wèi)星導(dǎo)航先進的制造技術(shù)的推廣應(yīng)用;有利于提高衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)展產(chǎn)品品種。在制定衛(wèi)星導(dǎo)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的實際情況決定的;另一方面,衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立的根本出發(fā)點,也是其最終目的,因此,衛(wèi)星導(dǎo)航標準要以應(yīng)用標準的制定和實施為核心和重點;

④注重衛(wèi)星導(dǎo)航標準體系建設(shè),全面統(tǒng)籌衛(wèi)星導(dǎo)航標準化建設(shè)。衛(wèi)星導(dǎo)航標準的制定將使衛(wèi)星導(dǎo)航工程建設(shè)和應(yīng)用效率極大化,成本極小化。在不斷加強衛(wèi)星導(dǎo)航標準制定的同時,也要注重衛(wèi)星導(dǎo)航標準體系的建設(shè),衛(wèi)星導(dǎo)航標準體系是指該領(lǐng)域內(nèi)的標準按其內(nèi)在聯(lián)系形成的科學的有機整體,衛(wèi)星導(dǎo)航標準體系的建設(shè)不僅可以優(yōu)化體系內(nèi)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(fā)展,最終促進衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健康、有序、可持續(xù)發(fā)展。在標準體系建設(shè)過程中,要采用系統(tǒng)的分析方法,全盤考慮,為衛(wèi)星導(dǎo)航標準化建設(shè)做好頂層規(guī)劃與設(shè)計。

3 結(jié)束語

目前,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)尚無健全的國家政策和標準。開展國內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)標準現(xiàn)狀的研究,不僅能夠較準確地掌握目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)制定的相關(guān)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標準體系的建立有比較重要的參考和借鑒意義。

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