國外衛星導航應用標準綜述

●　文|北京空間科技信息研究所　　　郭玉婷　　黃飛炯　　方杰

國外衛星導航應用標準綜述

●文|北京空間科技信息研究所郭玉婷黃飛炯方杰

全球衛星導航系統已深入到各國軍事、安全、經濟領域的方方面面，已成為現代高新技術實現軍民兩用的成功典范。以產業化程度最高的GPS為例，已逐步演變為一種世界性的高新技術產業，它使航空、航海、軍事、測繪、時間及機械控制等傳統產業的工作方式發生了根本的轉變，它開拓了個人移動位置服務等全新的信息服務領域[1，2]。隨著衛星導航應用的逐步深入及應用領域的逐漸拓展，國外發布了大量衛星導航應用標準，本文主要針對目前檢索到的國外衛星導航應用標準進行梳理和分析。

一、國外衛星導航相關標準化組織

國外涉及衛星導航應用相關的國際和國外標準化組織非常多，它們共同研究制定各國在航空、航海等領域賴以遵循、統一通用的導航條約和規范等標準。與衛星導航相關的國外標準化組織主要有國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、國際電信聯盟（ITU）。此外，還有其他比較權威的區域標準化組織和國際組織也參與制定和發布衛星導航技術標準。經過調研與分析，共整理出了24個與衛星導航相關的標準化組織，這些標準化組織并不能涵蓋衛星導航應用的所有領域，但已反映了衛星導航應用主流領域的標準化組織情況，如表1所示，其中美國的標準化組織有8個，歐洲的標準化組織有4個，核心的標準化組織除ISO、IEC和ITU外，還有ARINC、ETSI、FAA、NMEA、RTCM和RTCA。

表1　與衛星導航相關的國際、國外標準化組織和國際組織

二、國外衛星導航應用標準分析

通過對表1中24個組織和機構的調研，共檢索到衛星導航應用相關標準191項。經過整理和分析，可將其歸納為衛星導航系統標準、衛星導航應用基礎標準、電子地圖標準、接收設備數據格式標準、接收設備性能要求與檢測方法五類。其中，衛星導航系統標準主要是各衛星導航系統的接口標準、系統性能標準；衛星導航應用基礎標準主要為術語類和時空系統類標準；接收設備數據格式主要為應用領域的接收設備通用數據格式要求標準；接收設備性能要求與檢測方法主要是各類接收機的標準。

1.衛星導航系統標準

（1） 系統接口標準

系統接口標準主要是各衛星導航系統研制國公布的接口控制文件。目前GPS系統、GLONASS系統和Galileo系統都已經公布了各自的接口控制文件。

以GPS系統為例，自20世紀90年代末美國政府提出提升軍用和民用GPS性能的GPS現代化計劃以來，美國軍方先后發布了IS-GPS-200、IS-GPS-705、ISGPS-800和IS-GPS-870四類接口性能規范：

·IS-GPS-200對GPS空間段與GPS無線電頻率鏈路1（L1）和2（L2）的用戶接收機之間的接口要求進行了定義，最新版本為IS-GPS-200G[3]；

·IS-GPS-705規定了GPS無線電頻率鏈路5（L5）上全球定位系統空間段和導航用戶段之間的接口要求，其最新版本為IS-GPS-705C[4]；

·IS-GPS-800定義了無線電頻率鏈路1（L1）上GPS衛星與導航接收機之間的信號傳輸特征。雖然廣播頻段L1內有多個信號，這個接口規范只定義了L1內的民用信號（L1C），其最新版本為IS-GPS-800C[5]；

·IS-GPS-870定義了GPS下一代運行控制段（OCX）與GPS用戶和用戶支持通信之間的功能數據傳輸接口。其描述了接口傳輸的數據文件及其分布方式。目前的版本為IS-GPS-870A[6]。

（2）系統性能標準

主要是GPS系統的性能標準。這些文件規定了用戶可以從GPS及其相關系統獲得的技術性能指標。

GPS標準定位服務(SPS)性能標準[7]

該文檔定義了美國政府為用戶提供的GPS標準定位服務——即眾所周知的GPS民用服務——的性能水平。管理網絡和信息集成的國防部副部長制定了此性能標準文件，作為美國政府和國防部的基本文件。早期版本被稱為“信號規范”而不是性能標準。

GPS精確定位服務（PPS）性能標準[8]

該文檔定義了美國政府為授權用戶提供的GPS精密定位服務——也被稱為軍用GPS服務——的性能水平。它和GPS標準定位服務（SPS）性能標準文件一樣，也是美國政府和國防部的基本文件。

GPS廣域增強系統(WAAS)性能標準[9]

該文檔定義了美國政府GPS標準定位服務（SPS）通過廣域增強系統（WAAS）提升后為用戶提供的性能水平。美國聯邦航空管理局副總裁根據航空領域的需要制定了此性能標準文件，作為美國政府及交通運輸部的基本文件。

GPS民用監測性能規范[10]

該文件根據GPS民用服務和信號監測的要求，提供所有信息詳細的全天時監測性能指標。規范文件的制定和修改是在GPS民用計劃主管的指導下進行，被認為是美國政府及交通運輸部的基本文件。

2.衛星導航應用基礎標準

衛星導航的基礎類標準包括術語標準、時空系統標準等方面的內容，為衛星導航應用提供依托作用。如ISO 19018[11]規定了船舶和海上技術中的導航術語、縮寫、圖形符號和概念等相關的要求。

3.電子地圖標準

電子地圖是衛星導航應用的基礎，更是導航和位置服務類產品的核心，因此國際上的相關組織以及各國從事電子地圖研制的主流企業都積極地參與到相關標準的制定中，如IEC 61174[12]規定了電子地圖展示和信息系統（ECDIS）的操作和性能要求、測試方法和要求的結果；IEC 62376[13]規定了電子地圖系統（ECS）的操作和性能要求、測試方法和要求的結果；RTCM也制定了專門的電子地圖系統（ECS）標準，其標準號為RTCM 10900.5[14]。

4. 接收設備數據格式標準

由于早期GPS系統應用最為廣泛，有關衛星導航的接收設備多為GPS接收設備。隨著GLONASS等其他衛星導航系統的應用，GPS壟斷的地位逐漸被打破，特別是在GNSS概念提出后，衛星導航接收設備的數據格式標準開始從主要適應于GPS的數據格式向兼容GNSS的數據格式標準發展。接收設備的數據格式由各應用協會自行制定，現廣泛應用的數據格式標準主要有以下幾種：

NMEA-0183海洋電子設備接口標準

該標準由美國國家海洋電子協會（NMEA）發布，是一種船用電子設備之間的數據傳輸標準，并且正在向陸地應用擴展，其規定了海用和陸用接收設備輸出的定位數據、時間、衛星狀態、接收機狀態等信息，在市場上的GPS接收機產品中已廣泛使用，并隨著技術的發展而不斷發展變化，先后經歷了2.00，2.10、2.30、2.40、3.00、3.01、High Speed 1.00等多個版本的演進，目前已經發展到了NMEA 0183 V4.10以及NMEA 0183-HighSpeed V1.01版本。NMEA-0183數據標準解決了不同品牌、不同型號的GPS接收機之間實現任意連接的接口問題。

RTCM-SC104數據格式標準

該標準由RTCM發布，規定了海用和陸用差分GNSS數據格式，目前海用和陸用GNSS差分系統接收機均采用此數據格式。RTCM-SC104數據格式標準共經歷了1.0、2.0、2.1、2.2、2.3、3.0、3.1、3.2等多個版本，不斷增加了RTK，GLONASS，GPS天線定義，網絡RTK和GNSS的內容。

RTCA-SC159數據格式標準

該標準由RTCA發布，與RTCM-SC104標準類似，為適應航空用戶的快速變化，該標準在動態速度上做了相應的改變。

RINEX 3.0 衛星導航數據自主交換格式標準

是一種在GPS測量應用中普遍采用的標準數據格式，該格式采用文本文件存儲數據，數據記錄格式與接收機的制造廠商和具體型號無關。由國際大地測量協會（IAG）發布，共經歷了1.0、2.0、2.1、2.2、2.3、3.0等多個版本。目前發布的最新版本為v3.02，該版本可支持全部GNSS系統（包括美國GPS系統、俄羅斯GLONASS系統、歐洲Galileo系統和日本QZSS系統）和WAAS、EGNOS、MSAS等導航衛星增強系統的內容。

5 . 差分技術標準

差分技術標準主要有ISO 17123-8-2007《實時動態差分（RTK）的GNSS現場測量系統》[15]和IEC 61108-4-2004《海上導航和無線電通信裝置及系統-全球導航衛星系統-第4部分：船用DGPS和DGLONASS海上無線電信標接收設備-性能要求、測試方法及所需測試結果》[16]等。

6.接收設備性能要求與檢測方法

由目前已掌握的標準來看，與用戶接收設備相關的標準大致可以分為三類，即接收設備的性能要求、接收設備檢測方法和接收設備的關鍵件標準。

接收設備性能要求：此類標準化主要對接收設備的技術性能提出要求，如ITU-R M.1477-2000 《1559-1610MHz干擾研究中考慮的現有的和規劃中的無線導航衛星業務（空對地）和航空無線電導航業務接收機的技術和性能特性》[17]。

接收設備檢測方法：有關導航接收設備檢測方法主要采用IEC第80技術委員會（TC80）制定的IEC 61108《海上導航和無線電通信設備與系統全球導航衛星系統（GNSS）》系列標準。該系列的標準分為4個部分，分別對船用GPS接收設備、船用GLONASS接收設備、船用Galileo接收設備及船用DGPS和DGLONASS接收設備的最低性能標準、試驗方法和要求的試驗結果進行了規定。此系列的標準經過不斷的修訂改進，在英國、德國、法國等多個國家得到廣泛的應用，并且已被國際海事組織航海安全委員會通過IMO決議。

接收設備關鍵件標準：目前掌握的接收設備的關鍵件標準主要為接收機天線的相關標準，如RTCA-DO-301《全球衛星導航系統（GNSS）L1頻段機載有源天線設備最低操作性能要求》[18]。

三、結束語

通過上面對國外衛星導航應用標準的整理及分析，可以看出國外衛星導航應用標準主要有導航衛星系統標準和應用標準兩個方面，導航衛星系統標準是導航應用的基礎，導航應用標準主要為術語、數據格式、差分技術、接收設備、電子地圖等方面的標準。導航應用標準主要是立足于各行業的應用需求而制定的。其中術語、差分技術、數據格式方面的標準主要是國際標準，是各行業應用的基礎標準。此外，目前所檢索到的國際和國外標準中，接收設備標準所占比重較大，主要集中在面向航海和航空應用的接收設備方面的標準，除國際海事組織與國際民航組織在國際層面規定相關設備要求，在行業層面上，以RTCA、EUROCAE和ARINC為主發布了許多機載接收設備的標準，NMEA和RTCM為主發布了許多船載接收設備的標準，這些接收設備標準多為門檻性標準，是各種接收設備的最低要求，同時，國外也非常重視接收設備的檢測工作，制定了很多檢測標準，以保證接收設備的質量和性能。

在差分增強標準方面，一些國際和國外標準化組織也都制定了相應的標準，這些標準大部分是基于接收設備而制定的，涉及到接收設備數據格式標準和接收設備檢測方法標準。此外，美國聯邦航空管理局（FAA）還專門組織制定了一系列WAAS和LAAS系統及相關導航設備的標準。

參考文獻

[1]朱筱虹，徐瑞，孫妍，等.GPS標準現狀及體系分析[J].無線電工程，2012,42（8）：28–31.

[2]魏永剛，陸 靜，周玉霞，等.衛星導航應用國家標準發展思路[J].航天標準化，2012（1）：1-4.

[3]IS-GPS-200G Navstar GPS Space Segment/ Navigation User Interfaces.2012.

[4]IS-GPS-705C Navstar GPS Space Segment/User Segment L5 Interfaces.2012.

[5]IS-GPS-800C Navstar GPS Space Segment/User Segment L1C Interface.2012.

[6]IS-GPS-870A Navstar GPS Control Segment to User Support Community Interfaces.2011.

[7]GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE PERFORMANCE STANDARD.2008.

[8]GLOBAL POSITIONING SYSTEM PRECISE POSITIONING SERVICE PERFORMANCE STANDARD.2007.

[9]GLOBAL POSITIONING SYSTEM WIDE AREA AUGMENTATION SYSTEM (WAAS) PERFORMANCE STANDARD.2008.

[10]GLOBAL POSITIONING SYSTEM CIVIL MONITORING PERFORMANCE SPECIFICATION.2009.

[11]ISO 19018《Ships and marine technology—Terms, abbreviations, graphical symbols and concepts on navigation》，2004.

[12]IEC 61174 《Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems -Electronic chart display and information system (ECDIS) - Operational and performance requirements, methods of testing and required test results》，2012.

[13]IEC 62376 《Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems -Electronic chart system (ECS) - Operational and performance requirements, methods of testing and required test results》.

[14]RTCM 10900.5 《RTCM Standard for Electronic Chart Systems (ECS)》.

[15]ISO 17123-8-2007 《Optics and optical instruments - Field procedures for testing geodetic and surveying instruments - Part 8: GNSS field measurement systems in real-time kinematic (RTK)》.

[16]IEC 61108-4-2004 《Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems -Global navigation satellite systems (GNSS) -Part 4: Shipborne DGPS and DGLONASS maritime radio beacon receiver equipment - Performance requirements, methods of testing and required test results》.

[17]ITU-R M.1477-2000 《Technical and Performance Characteristics of Current and Planned Radionavigation-Satellite Service (Space-to-Earth) and Aeronautical Radionavigation Service Receivers to be Considered in Interference Studies in the Band 1559-1610 MHz》.

[18]RTCA-DO-301 《Minimum Operational Performance Standards for Global Navigation Satellite System (GNSS) Airborne Active Antenna Equipment for the L1 Frequency Band》.