船載導航接收機新標準及對我國北斗應用的建議*

大連海事大學信息科學技術學院 李 慧　張淑芳

船載導航接收機新標準及對我國北斗應用的建議*

大連海事大學信息科學技術學院 李 慧張淑芳

2015年6月22日國際海事組織海上安全委員會第95次會議通過了一項決議——《多系統船載無線電導航接收機性能標準》，并要求各國政府確保2017年12月31日后執行。詳細闡述該標準為船載導航接收機提出的要求，并分析該決議給我國北斗應用帶來的挑戰和機遇，提出我國履行決議應采取的舉措，以促進我國船舶導航管理部門、船載導航接收機生產企業和航運企業及早做好履約準備。

船載無線電導航接收機；船舶導航；GNSS；IMO；履約；北斗

一、引言

為了確保為船舶提供適應性強的、在整個航程中都能夠適用的船載無線電導航設備，2015年6月22日國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC，MARITIME SAFETY COMMITTEE）通過了決議MSC.401（95）《多系統船載無線電導航接收機性能標準》（PERFORMANCE STANDARDS FOR MULTI-SYSTEM SHIPBORNE RADIONAVIGATION RECEIVERS，以下簡稱“性能標準”），并建議各國政府確保2017年12月31日后安裝的多系統船載無線電導航接收機，其性能不低于該決議給出的標準。為了使我國的船舶導航管理部門能夠針對決議及早修改和制定管理規則，使我國的船載導航接收機生產企業能夠及早按照決議研究開發符合要求的產品，而不至于被國外廠商占領市場，本文介紹了決議的主要內容，并提出我國為滿足決議要求應采取的必要措施，對于船舶導航管理部門建立新的履約規范和促進我國船載導航特別是北斗產業的發展具有重要意義。

二、多系統船載無線電導航接收機性能標準介紹

1.前言

全球衛星導航系統（GNSS）是空基無線電導航系統，有的已經被IMO認可為世界無線電導航系統（WWRNS）的一部分，這些系統在全球范圍提供位置、速率和時間（PVT）服務。每個GNSS空間段由布設在多個軌道的30顆衛星組成。衛星的布設原則要求世界范圍內所有用戶能夠至少收到4個衛星的信號，以進行定位（三維定位要求PDOP＜6，二維定位要求HDOP＜4），確保位置信息能夠可靠用于導航。

陸基無線電導航系統利用陸基發射臺發射的信號為系統提供PVT信息。接收機設備應至少接收3個臺的信號以進行二維定位。

對于特殊的服務領域，例如港口入口、港口通道和沿岸水域，可利用增強系統。增強系統利用陸基或者空基的發射臺提供增強數據以改進準確度和完好性服務。

多系統船載導航接收機性能標準的引進將允許當前的和將來的無線電導航系統以及在海上導航系統中用于提供PVT的增強系統的組合使用。

使用兩個或者多個GNSS導航信號的多系統接收機提供改進的位置、速率和時間數據，可利用或者不利用增強系統。當使用兩個或者多個獨立的或者多頻的無線電導航系統時，對有意和無意的無線頻率具有抗干擾性。這樣的組合方法也能對于單一系統提供冗余以減少損失。

接收機設備能夠用于速度不超過70 kn的船舶的導航，該設備能夠組合來自多GNSS和一個可選的陸基無線電導航系統，可利用或者不利用增強系統，形成單一的適應性強的PVT結果。這樣的設備除滿足決議A.694（17）（參閱IEC 60945）要求外，還要遵從本文給出的最小性能標準。

這些性能標準是限定最小要求，而沒有給出采用的方法。

多系統船載無線電導航接收機至少要確定位置、對地航向（COG）、對地速度（SOG）和時間，這些輸出可用于導航或用于輸入到船載其他系統。這些信息在靜態和動態條件下都應能夠得到。

該性能標準允許應用不同的方法和技術實現，以提供PVT數據和相關的完好性信息。在涉及PNT數據的協調提供和在用的PNT系統的完好性監視，以及所提供的數據產品已經由IMO認可等方面，都要應用該性能標準。

2.接收機設備（模塊A）

“多系統船載無線電導航接收機設備”（以下簡稱“設備”）包括所有的部件和單元，這些對于正確發揮功能是必需的。該設備應包括下面的最小組成部分和能力：

（1）天線，能夠接收所有的無線電信號，以支持接收機設備發揮其功能；

（2）一個或多個接收機，一個或多個處理器，能夠處理無線電導航信號，以支持接收機設備發揮功能；

（3）訪問所計算的PVT信息的手段和方法（即顯示經度、維度、COG、SOC、時間、來源，以及當前導航的歷元，參見A915（22）和A.1046（27））；

（4）用于提供接收機數據控制和配置的接口；

（5）顯示；

（6）原始數據輸出，用于提供輔助信息，例如測距數據和GNSS衛星的導航數據等；

（7）計算的和向用戶發布的數據的質量和可靠性指示；

（8）當前所使用的向用戶提供PVT信息的各個無線電導航系統的指示。

天線的設計應適合于放置在船的某些位置上，提供滿意的環境以接收所有需要的無線電導航信號。應考慮多徑干擾和電磁EMC兼容的影響。

設備的設計應：（1）減輕帶外干擾源的干擾，該帶外干擾源是允許的；（2）提供進行每個PVT系統的完好性監視（如RAIM，參見A.915（22））的手段，以及多系統的自主完好性監視（在各個獨立的PVT系統之間進行互檢）。

3.操作和功能性設備（模塊B）

該設備應：

（1）至少使用兩種獨立的民用GNSS導航信號，該GNSS是IMO認可的WWRNS的一部分，這些信號是空對地無線電導航衛星服務頻段，并符合ITU的無線電規則。

（2）提供的PVT數據應具有必要的適應性和完好性水平，無論是否直接應用于其他設備的輸入或在組合導航系統（INS，Integrated Navigation System）中使用。

（3）能夠利用滿足相關的國際標準的方法處理增強數據。

（4）能夠方便用戶選擇或不選擇無線電導航信號和增強信號。

（5）能夠處理上述的信號，能夠組合提供單一的PVT解，包括：①能夠提供國際大地參照系（ITRF，International Terrestrial Reference Frame）的位置信息；②提供相對于真北的對地航向（COG），以度為單位，達到十分之一的精度；③以節為單位提供對地航速（SOG）信息，精度達到百分分之一節；④UTC時間精確到十分之一秒。

（6）能夠以所要求的準確度提供PVT解，參照A.1046（27）：①沒有有效衛星歷書數據的冷啟動時間為5分鐘；②存在有效衛星歷書數據的熱啟動時間為1分鐘；③當斷電或丟失信號小于60秒時，啟動時間為2分鐘。

（7）提供UTC時間。

（8）能夠滿足A.1046（27）給出的導航歷元要求。

（9）對于高速運載體（HSC）能夠以至少0.5秒的更新頻率產生新PVT解，對于小于70節的常規船舶至少1秒的更新頻率產生PVT解。

（10）能夠對每個導航歷元評估PVT解的性能是否滿足要求，例如準確度和完好性。當不能進行評估時應給出報警信號。

（11）對于每個導航歷元，高速運載體（HSC）2秒后，常規船舶3秒后，如果設備不能評估當前的性能，即PVT的準確性和完好性，應給出報警。

（12）HSC5秒后，常規船7秒后，如果不能計算新的PVT，應給出報警。在這種條件下，應給出上次的有效位置和時間，連同狀態的說明，以至于不引起模糊，直到恢復正常運行。

（13）如果在規定的下個更新時刻不能提供新的位置更新，應輸出上次有效的位置、SOG、COG和時間，并附加狀態說明，直至恢復位置更新。

（14）提供增強狀態指示，包括：①接收的增強信號；②接收的這些信號的有效性；③在PVT解的位置中是否應用了增強信號；④各增強信號的識別。

（15）對最終的PVT解和每個單獨的導航系統，以文字和數字的形式提供下面的信息，并進行本地顯示和分開的顯示：①位置；②COG和SOG；③時間；④獲得該PVT解的源系統；⑤利用性能要求評價導航歷元；⑥位置解析所利用的增強信號；⑦任何報警信息。

4.接口和綜合（模塊C）

該設備應：

（1）提供下面符合相關國際標準的接口，參見IEC 61162：①至少提供一個接口，以提供以WGS84的PVT解，例如包括位置信息、COG、SOG、時間、得到的和使用的PVT源、滿足性能要求的導航歷元評估、增強信息等。提供將基于WGS84計算的位置轉換成為兼容所使用的導航圖坐標的數據。②至少一個接口將所有可能得到的導航源的數據提供給INS從而對以WGS得到PVT信息進行增強評價。③一個接口用于船橋報警管理（BAM）。④提供至少接收一個增強信號源的輸入部件。

（2）能夠在典型的船舶和外來電磁環境和無線電頻譜環境下，以及常規的干擾條件下，提供滿意的操作運行，符合A.694（17）的要求。

（3）確保在下列情況下不產生永久損壞：天線的或者它的輸入或輸出的意外短路或接地、設備的任何輸入或輸出的意外短路或接地等。

5.文本（模塊D）

應提供設備文本，最好以電子格式，應包括操作說明書和安裝手冊。操作說明書應包含全部功能說明，包括：（1）多系統的概念，使用GNSS和陸基無線電導航系統和增強系統的好處和限制（即PVT解的源）；（2）說明使用了哪些GNSS、陸基無線電導航系統和增強系統；（3）說明哪些PVT解析使用了哪些導航歷元；（4）解釋所使用的指示和門限設定的方法；（5）解釋多系統的輸入選擇和融合過程；（6）描述可能的失效和對接收機設備的影響。

三、北斗系統和伽利略（GALIEO）系統的IMO標準化歷程

2011年12月27日北斗宣布投入試運行，大連海事大學導航研究所在國家北斗辦和交通運輸部海事局的支持下主持撰寫了向IMO介紹中國北斗衛星導航系統的信息文件，并由交通運輸部外事部門代表中國于2012年1月6日向COMSAR第16次分委會提交了信息文件“DEVELOPMENT OF AN ENAVIGATION STRATEGY IMPLEMENTATION PLAN BeiDou the new member of GNSS for e-navigation”。該信息文件在2012年3月在COMSAR16次分委會大會上進行了宣讀。該分委會向MSC提交的大會報告中指出，分委會已經注意到中國提交的信息文件中關于“the development of the BeiDou Navigation Satellite System in China”。這是中國首次正式向IMO介紹北斗衛星導航系統，是中國的北斗衛星導航系統的IMO國際標準化的里程碑文件。此后北斗系統的IMO國際標準化工作正式開始。

2012年8月，MSC第91次會議接受了中國提交的議案“Proposal for a new unplanned output on the application of BeiDou in the maritime field，Submitted by China”，并于MSC第92次會議上為NAV分委會安排了該項工作議題，任務是研究“Application of the satellite navigation system "BeiDou" in the maritime field”。中國提出的建議包括：承認北斗是未來WWRNS的一部分，研究編制北斗接收機設備的最小性能標準。這些議題成為接下來NAV分委會的兩年工作任務，計劃于2014年末給出任務成果，即給出中國提議的“北斗在海事領域的應用”任務的研究成果。NAV分委會專門為該議題建立了工作組。2 013年5月中國就該議題向NAV59提交了“Preliminary Review of BeiDou Satellite Navigation System”，對北斗的技術問題做了進一步的說明。同時提交了北斗接收機設備的最小性能標準草案“Proposed draft performance standards for shipborne BeiDou receiver equipment”。NAV的北斗工作組進一步明確了工作組的任務：研究北斗接收機設備的最小性能標準，對北斗作為將來WWRNS的一部分進行全面評價。

經過北斗工作組的工作，最后于2014年6月MSC93次會議的第379號決議（即MSC.379（93））通過了北斗船載接收機設備的最小性能標準，參見MSC93/22/ Add.3 附件18。2014年11月MSC第94次會議承認北斗為將來的WWRNS的一部分，并通過了IMO第329號通函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次會議上宣布北斗的工作已經完成。

與此同時，2014年3月由英國和歐盟聯合向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”。因為Galileo的船載接收機最小性能標準已經在2006年MSC.82通過，但是沒有履行WWRNS的程序。在中國北斗的工作啟示下歐洲也啟動了該工作程序，并于2014年12月向NCSR2提交了在“RECOGNITION OF GALILEO AS A COMPONENT OF THE WWRNS”議題下的第2個文件“Galileo GNSS status update and next steps”。該文件為使Galileo被IMO承認為WWRNS的一部分提供Galileo的性能和狀態的信息。2015年3月的NCSR2會議決定該工作將于2016年完成。

因此，到2016年末WWRNS將有四個系統，即GPS、GLONASS、北斗和GALILEO，統稱為GNSS。

四、我國北斗應用產業面臨的挑戰和機遇

通過研究和分析“性能標準”，筆者認為，2017年末后船舶裝載的無線電導航接收機，至少是履約船舶裝載的船載無線電導航接收機，應增加滿足“性能標準”要求的功能：

1.未來船載無線電導航接收機新的性能要求

未來的船載無線電導航接收機應至少使用兩種獨立的民用GNSS導航信號，該GNSS是IMO認可的WWRNS的一部分。

目前我國生產的北斗芯片基本是北斗和GPS雙模芯片，可以滿足“性能標準”要求。但是，2020年前我國的北斗系統尚不具備全球定位的能力，對于在亞太地區航行的船舶能夠滿足要求，而對于全球航行的遠洋船舶如何滿足“性能標準”要求，是擺在船載導航接收機廠商面前的重要任務。

2.對于提供的PVT數據應具有評估功能

目前的船載GNSS接收機都不具準確性、適應性和完好性評估功能，而該功能的增加需要深入研究船載綜合PNT算法，并需要多種感器或輔助系統提供的信息。該功能的實現需要較長的研究周期，因此必須及早進行研究。

3.其他功能的對比研究與實現

建議我國的船載無線電導航接收機生產廠商應及早深入研究“性能標準”，以使所生產的產品符合要求。

4.我國生產廠商面臨的機遇

“性能標準”將在全球施行，任何國家的船載無線電導航系統都將必須裝備至少接收兩種GNSS信號的接收機，而目前世界上只有四種IMO認可的WWRNS系統，這為我國的北斗系統走向國際化帶來了機遇。我國的北斗生產廠商應及早與世界各國船載無線電導航系統生產廠商合作，為船舶提供符合“性能標準”要求的產品。

五、我國船舶導航管理部門面臨的挑戰

“性能標準”要求未來的船載無線電導航接收機應能夠方便用戶選擇或不選擇任何無線電導航信號和增強信號，并能夠對接收機輸出的PVT信息進行準確性、適應性和完好性評估。這些功能對海事管理部門提出了新的要求，即如何建立支撐系統以輔助船載無線電導航系統實現這些功能要求，本文認為：

（1）船舶導航管理部門應根據海域航行安全的需求，建立符合定位精度要求增強系統。目前我國沿海的RBN/DGPS系統正在擴展差分北斗（DBD，Differential BeiDou）功能，可為GPS和北斗提供增強功能，但是尚不具備GLNASS和GALILEO的用戶增強功能。正在建設的連續運行參考站（CORS，Continuously Operating Reference Stations）系統將為高精度導航和航道測量提供增強服務。

（2）針對船載接收機進行PVT信息的準確性、適應性和完好性評估功能，海事管理部門應按照需求建立支撐系統，例如海域氣象信息、海況信息和其他輔助信息等。

（3）針對船載接收機的新功能，船舶檢驗部門應及早研究功能檢測檢驗標準或規范，以使將來在我國沿海航行的中外船舶符合“性能標準”的要求。

六、結束語

MSC.401（95）決議已經頒布一年了，但是我國很多企業和管理部門對該決議尚不甚了解。筆者建議相關企業和管理部門盡快對性能標準進行深入研究，進而實現：一、我國的北斗生產企業能夠及時在2017年12月前生產出符合標準的多系統船載導航接收機，從而占領國內外市場；二、我國的海事和船舶導航管理部門能夠及早準備和實施履約要求，為新標準要求的船載接收機提供必要的支撐和助航系統；三、航運企業及早設計履約規劃，使船載導航接收機能夠順利按時履約，從而使企業避免因設備不滿足性能標準帶來的損失。

10.16176/j.cnki.21-1284.2016.08.001

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

張淑芳（1955—），女，博士，教授，博士生導師，E-mail：sfzhang@dlmu.edu.cn

*研究資助：國家自然科學基金重點項目，No.61231006