船載北斗衛星導航系統（BDS）接收設備性能標準

林德輝

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船載北斗衛星導航系統（BDS）接收設備性能標準

林德輝

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

1 GPS與BDS

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）由美國于1970 年建設，其前身是一套專為美軍研制的定位系統，出于軍用考量，為防止敵方通過定位信號截獲美軍位置，定位系統被設定為單向傳輸（即GPS接收機只接受衛星信號，而不向外發射信號），這一特性也為 GPS 面向民用領域奠定了基礎［1］。打開GPS，地球上空的衛星在幾分鐘之內就會鎖定你的位置，并告訴你行進的速度、所處位置的海拔高度……。

現在，世界上可以提供精確定位的全球導航系統共有四種：美國的 GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo Satellite Navigation System）和中國的北斗衛星導航系統（Beidou Satellite Navigation System，BDS）。目前美國的GPS最為成熟，覆蓋面也最廣。

GPS由空間、地面監控和用戶三部分組成（參見圖1）：

（1）空間部分，由24 顆GPS衛星（包括 21 顆工作衛星和 3 顆備用衛星）組成；

（2）地面監控部分，由 1 個主控站、3 個注入站和5 個監控站組成；

（3）用戶部分，即 GPS 接收機，主要作用是從GPS 衛星接收信號，并利用傳來的信號計算用戶的三維位置及時間［1］。

圖1 GPS衛星系統的組成

24 顆衛星均勻分布在 6 個軌道平面上（即每個平面上 4 顆衛星），各個軌道面均設定為特定的角度。這種布局旨在保證每個接收機在全球范圍隨時隨地至少可以接收 4 顆衛星的信號。每顆衛星每時每刻都在任何地點向全球播報自己的位置信號。既然 GPS 接收機不向衛星發送任何信號，只是接收衛星信號，而衛星只是播報自己的位置，那么 GPS如何通過這些數據確定用戶位置？為此必須關注此定位系統中的重要部件原子鐘與 GPS 芯片。

衛星播報自己位置信號時，會附上信號發出的時間。GPS 終端接收到信號后，用當前時間減去發送時間，乘以傳播速度（光速），即得出接收機與衛星的距離。GPS 芯片的核心功能是讀懂衛星發來的信號并進行相關運算。為精確測定接收機與衛星的距離，在光速確定的情況下，時間必須精準，原子鐘正是為確保時間的精準度。因為時間上的微小誤差，在乘以光速之后則會失之毫厘、差之千里。

根據立體幾何原理，在三維空間中，三個坐標就可以確定一個點的位置。如此看來，似乎只需要 3顆衛星就足夠了，但事實上必須有4顆衛星才能進行定位，3顆衛星定位只是理想狀態。光速數字實在太大，對時間精度有極高要求，并且光速在大氣中也因受到一定影響而產生誤差，而衛星播報自己的位置也會有誤差。這些誤差的存在，使3 顆衛星不足以保證定位精度。根據愛因斯坦相對論，快速移動的物體隨時間的流逝比靜止的要慢，衛星上的時鐘就和地球的時鐘并不同步，這樣 GPS 衛星每天都會產生 38 微秒的偏差，即每天將會增大 11 km的誤差，這種誤差也必須進行補償。所以，要進行有效定位，必須引入第4顆衛星來提高定位精度。在實際應用中，定位衛星數往往大于4，理論上 GPS 接收機接收到的衛星數越多，定位越精準。以上是 GPS 定位原理。

除上述四大全球導航系統外，世界上尚有兩個區域性導航系統：

（1）印度區域導航衛星系統（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）

以前，印度有一個依賴于GPS的區域增強系統，在印巴沖突期間，美國關掉了交戰雙方的GPS服務。印度后來自力更生，由印度空間研究組織（ISRO）建成了一個獨立的區域型衛星導航系統，覆蓋范圍僅限印度及其附近，印度政府對這個系統有完全的掌控權。但最近其幾顆衛星上的原子鐘接連出現故障，如不快速發射衛星進行補充，很可能會導致任務失效。

（2）日本的準天頂衛星系統（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）

這是一個依賴于GPS服務、加強GPS系統在日本地區應用的系統，發的信號與GPS相同。如果美國GPS關閉信號，它則無法使用。現在僅有3顆衛星為其服務。日本的準天頂衛星系統是目前世界上最小的導航系統［2］。

我國的北斗衛星導航系統（BDS）與GPS相比，其原理略有不同，在相關功能上有所創新，從應用的角度來說，相比 GPS，BDS有著不少獨特的優勢。不同于世界上其他任何系統，BDS是唯一使用地球同步軌道（高度為36 000 km）、傾斜地球同步軌道（高度為36 000 km）和中地球軌道（高度為21 500 km）的衛星導航系統。GPS、格洛納斯、伽利略都是僅使用中地球軌道的衛星導航系統。

與 GPS 類似，BDS也由空間部分、地面部分和用戶部分這三部分組成?？臻g部分即空間段，BDS計劃由 35 顆衛星組成；地面部分即地面控制部分，其由主控站、注入站和監測站組成，主控站用于系統運行管理與控制，注入站用于向衛星發送信號，對衛星進行控制管理；用戶部分即接收機，其需捕獲并跟蹤衛星的信號，根據數據按一定方式進行定位計算。

第一代BDS的定位原理屬于有源定位，需用戶終端主動發送信號，可靠性較差。1994年，我國開始進行“北斗1號”的研制工作；2000年，發射兩顆靜止軌道衛星，實現區域性（僅限于亞太地區）衛星導航；2003年，又發射一顆備份衛星，“北斗1號”正式完工，使我國在軍事領域（戰術武器等）擺脫了對 GPS 的依賴［2］。

第二代BDS采用類似 GPS 的無源定位技術，即用戶至少接收 4 顆衛星信號來定位。2007年，中國開始建設自己的第二代BDS，到了2012年，我們已經發射16顆衛星，完全覆蓋亞太地區?！氨倍?號”的建設與運轉為我們積累了大量的技術和經驗，我們的目光已超越亞太地區，投向全世界。BDS擁有獨一無二的短報文傳信功能，可用于軍事、救援、科研等許多方面。2012年12月27日，BDS向亞太大部分區域提供連續無源定位、導航和授時等服務，其覆蓋區域擴展到東經55°~180°，定位精度提高到平面10 m、高程10 m，測速精度提高到0.2 m/sec。

第三代BDS于2015年開始建設，當年中國發射了“北斗3號”第一顆衛星［2］。2017年9月16日，“第六屆中國衛星導航與位置服務年會暨首屆衛星應用國際博覽會”在深圳召開，發布了第三代北斗芯片。這是由深圳華大北斗科技有限公司研發且擁有完全自主知識產權的國產基帶和射頻一體化芯片，將是全球首個支持新一代“北斗3號”信號體系的多系統多頻高精度芯片。而其主要用于“北斗3號”衛星系統的建設。這款超低功耗的第三代北斗芯片可在無需地基增強的情況下，實現亞米級（即精度可達到1 m以內）的定位精度，并且實現芯片級別的安全加密［3］。隨著全新一代芯片的推出，北斗系統也即將進入3.0時代。

2017年11月5日19時45分，我國在西昌衛星發射中心用“長征3號”乙運載火箭，以“一箭雙星”方式成功發射第24、25顆北斗導航衛星。這兩顆衛星屬于中地球軌道衛星，是我國“北斗3號”第1、2顆組網衛星，開啟了北斗衛星導航系統全球組網的新時代［8］。

目前相關“北斗3號”全球系統的建設已經全面鋪開，預計在2017年底發射4顆衛星，在2018年將完成18顆全球組網衛星發射，率先為“一帶一路”沿線國家提供基本服務。而到2020年前后，將實現覆蓋全球的服務能力，屆時將有35顆衛星處于工作狀態，從而實現全球高精度定位，“北斗3號”系統將使定位精度提高到2.5~5 m［2］。

2 船載BDS及其接收設備

國際海事組織（IMO）海上安全委員會第93屆會議（MSC 93）2014 年 5 月 16 日通過了MSC.379（93）決議《船載BDS接收設備性能標準》（Performance standards for Shipborne BDS receiver equipment），根據該決議，可以認可BDS衛星導航系統為全球無線電導航系統的可能組成部分（the BDS satellite navigation system may be recognized as a possible component of the world-wide radionavigation system）。注意到船載全球無線電導航系統接收設備的設計應滿足有關特定系統的詳細要求，認識到需要制定船載 BDS 接收設備的性能標準，以確保該設備的操作可靠性，并考慮到技術進步和所獲得的經驗，通過此船載 BDS 接收設備性能標準，建議各國政府確保 2016 年 7 月 1 日或以后安裝的 BDS 接收設備的性能標準應不低于該決議附件所規定的性能標準［4］。

該決議附件《船載 BDS 接收設備性能標準》分為：1“引言”、2 “BDS 接收設備”、3 “BDS 接收設備性能標準”、4 “完整性檢查、故障警告和狀態顯示”以及5“保護” 等五條。

在1“引言”中明確，作為與世界上其他導航衛星系統相兼容的全球導航衛星系統，BDS 是由中國獨立開發和運行的系統，其由空間段、地面控制部分和用戶終端（space constellation，ground control segment and user terminals）等三部分組成。

空間段由35顆衛星組成，其包括5 顆地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）衛星、27顆中地球軌道（Medium-Earth Orbit，MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）衛星。GEO 衛星的位置分別為經度058.75°E、080°E、110.5°E、140°E 和 160°E。 MEO 衛星運行軌道的高度為 21 500 km，傾斜角為 55°，平均分布于三個軌道平面內。IGSO 衛星運行軌道的高度為 36 000 km，傾斜角為 55°，平均分布于三個傾斜地球同步軌道平面內。3 顆 IGSO 衛星的星下點軌跡重合，交點的經度為 118°E。該幾何形狀確保至少有 4 顆衛星對全球用戶可見，且位置精度因子（Position Dilution Of Precision，PDOP）≤ 6。每顆衛星在“L”波段上以載波頻率 1 561.098 MHz 發送公開服務信號 B1I。B1I 信號包括能提供公開服務的測距碼（ranging code which could provide the open service）。導航數據電文疊加于該編碼（A navigation data message is superimposed on this code）。BDS 衛星由碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）識別。BDS 公開服務（Open Service，OS）提供定位、導航和授時服務，不直接向用戶收費。BDS 接收設備應能接收和處理公開服務信號。 航速不超過 70 kn的船舶上擬用于導航的 BDS 接收設備，除符合 A.694（17）決議［5］（參見 IEC 60945 出版物［6］）中規定的一般要求外，還應符合MSC.379（93）決議所附的最低性能要求。

本標準包括為導航目的或作為對其他功能輸入而進行的定位、確定對地航向（Course Over Ground，COG）、對地航速（Speed Over Ground，SOG）和授時的基本要求。本標準不涉及該設備可能設有的其他計算裝置，也不涉及對可能從 BDS 接收設備獲取輸入的其他系統的要求。

在2“BDS 接收設備”的 2.1中表明，本性能標準使用的術語“BDS 接收設備”包括系統正確執行其預定功能所需的所有組件和元件。BDS 接收設備應至少包括以下裝置：

——2.1.1 能接收 BDS 信號的天線；

——2.1.2 BDS 接收器和處理器；

——2.1.3存取所計算的緯度/經度位置的器件；

——2.1.4 數據控制器和接口；和

——2.1.5 位置顯示和其他輸出形式（如要求）。

如 BDS 構成經認可的綜合航行系統（Integrated Navigation System，INS）的一部分，則2.1.3、2.1.4 和 2.1.5所要求的裝置 可在 INS 內提供。

在2“BDS 接收設備”的 2.2中載明，天線的設計應適合于裝設在船上能確保清晰地看到衛星段的位置（The antenna design should be suitable for fitting at a position on the ship which ensures a clear view of the satellite constellation），同時考慮到船上可能存在的任何障礙物。

3 船載BDS接收設備性能標準

在3“BDS 接收設備性能標準”中明確，BDS 接收設備應：

——3.1 能接收和處理 BDS 定位和速度以及授時信號，并應使用衛星段對接收器的電離層模型廣播（ionospheric model broadcast）生成電離層更正；

——3.2 提供（以度、分和千分之一分為單位的緯度和經度）位置信息【北斗使用 2000 中國大地坐標系（China Geodetic Coordinate System，CGCS），該坐標系實現了國際地球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）系統，且在全球范圍內與 WGS 84 的偏差小于 5 cm。對于海上航行，無需轉換至WGS 84?！?；

——3.3 提供參照“協調世界時”（Universal Time Coordinated，UTC）的中國國家授時中心（China National Time Service Centre，NTSC）的時間；

——3.4 至少設有兩個輸出端，向其他設備提供位置信息、UTC、對地航向（Course Over Ground，COG）、 對地航速（Speed Over Ground，SOG）和報警。位置信息的輸出應依據 WGS 84 基準，且應符合國際標準IEC 61162 出版物。UTC、COG、SOG和報警的輸出應與 3.15 和 3.17 的要求一致；

——3.5 具有靜態精度，使天線位置在達到水平定位精度 25 m（95%）置信度和垂直定位精度 30 m（95%）置信度范圍內確定；

——3.6 具有在正常海況和船舶所經歷的運動之下，與上述3.5 所規定的靜態精度相當的動態精度（參見 A.694 （17） 決議，IEC 60721-3-6 和 IEC 60945 出版物［6］）；

【編者注：英文原文為IEC 6721-3-6，似有誤，因為IEC標準編號為五位數，估計應為IEC 60721-3-6“環境條件的分類—第3部分：環境參數及其嚴酷度的分類—船舶環境”（Classification of environmental conditions—Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities—Ship environment】

——3.7 具有（以度、分和千分之一分為單位的緯度和經度）位置信息，且位置分辨率等于或優于緯度和經度的 0.001 分；

——3.8 能自動選擇合適的衛星所發送的信號，以所要求的精度和更新率，確定船舶位置和速度以及時間；

——3.9 能獲取輸入信號的載波電平為-130 dBm 至-120 dBm 的衛星信號。衛星信號一經獲取，該設備即應在載波電平降至-133 dBm的衛星信號情況下繼續令人滿意地運行；

——3.10 能在符合 A.694 （17） 決議要求的正常干擾條件下令人滿意地運行；

——3.11 如所處位置無有效的衛星星歷數據（almanac data），則BDS 接收設備應能在 12 min 內獲取所要求精度的位置、速度和時間信息；

——3.12 如所處位置有有效的衛星星歷數據，則BDS 接收設備應能在 1 min 內獲取所要求精度的位置、速度 和時間信息；

——3.13 當服務中斷時間為 60 s 或以內時，應能在 1 min 內重新獲取所要求精度的位置、速度和時間信息；

——3.14 至少1 s一次（對于常規船舶）和至少每 0.5 s一次（對于高速船）生成新的位置，且輸出至顯示器和數字接口（IEC 61162 出版物）；

——3.15 提供 COG、SOG 和 UTC 輸出（具有與位置輸出有效性標志一致的有效性標志）。COG和SOG的精度要求應不低于首向（對于常規船舶的 A.424 （XI） 決議和對于高速船的 A.821 （19） 決議）、航速和距離測量設備（Speed and Distance Measuring Equipment，SDME）的相關性能標準（經 MSC.96 （72） 決議修正的 A.824 （19） 決議）的要求，且此精度應在船上可能經歷的各種動態條件下獲得；

——3.16 至少設有一個能顯示 BDS 接收設備故障的常閉觸點（normally closed contact）；

——3.17 具有便利通信的雙向接口，從而能將報警傳輸至外部系統，且來自 BDS 接收器的聽覺報警可從外部系統應答（can be acknowledged from external systems）；該接口應符合相關國際標準（IEC 61162出版物）；和

——3.18 具有按ITU-R標準（國際電信聯盟ITU-R M.823 建議案——ITU-R Recommendation M.823）和相應的RTCM（Radio Technical Commission for Marine Service，航海無線電技術委員會）標準處理輸入的差分北斗衛星導航系統（Differential BDS，DBDS）數據，且顯示 DBDS 信號的接收及其是否應用于船舶位置的裝置。當 BDS 接收器設有差分接收器時，靜態和動態精度的性能標準（以上3.5和3.6）應為10 m（95%） 置信度。

4 完整性檢查和保護

在4“完整性檢查、故障警告和狀態顯示”的4.1中闡明，BDS接收設備還應顯示BDS的性能是否超出 A.1046 （27） 決議或 A.915 （22） 決議附錄 2 及其任何后續修正案（如適用）中所規定的，對于在海洋、沿海水域、進港航道和受限水域以及其航行的內河航道段的一般導航所規定的要求范圍。

在4“完整性檢查、故障警告和狀態顯示”的4.2中明確， BDS 接收設備應至少：

——4.2.1 在位置丟失的 5 s 內，或如根據 BDS 空間段提供的信息，在超過 1 s（對于常規船舶）和超過 0.5 s（對于高速船）后未計算出新位置的情況下發出警告。在此情況下，在恢復正常操作前，應輸出上次的已知位置以及有效定位時間，且狀態顯示明確而無任何模糊性（with the explicit indication of the state allowing for no ambiguity）；

——4.2.2 使用接收器自動完整性檢測（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM），以提供與所承擔運行相應的完整性能；和

——4.2.3 提供自測試功能（a self-test function）。

在5“保護”中明確， 應采取預防措施，以確保在天線或其任何輸入或輸出接線意外短路或接地，或者 BDS 接收設備的任何持續 5 min輸入或輸出時，都不可能導致永久性損壞。

5 中國船級社的規定

針對上述《船載BDS接收設備性能標準》，中國船級社（CCS）在（2015 年）技術通告第 7 號總第168 號中明確，該性能標準，適用于 2016年7月1日及以后裝船的船載北斗衛星導航系統設備，并指出［7］：

——此設備除需滿足該決議的要求外，還需符合IMO大會決議 A.694（17）規定的船載通信導航設備的一般要求和 MSC.191（79）對航行信息的顯示要求。

——對于該系統的性能驗證及試驗具體要求可參照即將發布的《船載北斗衛星導航系統接收機檢驗（暫行規定）》。并注意產品樣機應由CCS驗船師封樣后，送CCS指定或授權的船用北斗接收機專業測試機構進行認可試驗。

——如為BDS單系統設備，認可檢驗、審圖均依據此性能標準進行檢驗、認可和審圖；如為BDS /GPS 兼容機設備，可分別依據各自性能標準進行檢驗、認可和審圖。認可證書上應明確屬于單系統接收機或多系統導航兼容機，以便驗證裝船。

鑒于IMO建議各國政府確保 2016 年 7 月 1 日或以后安裝的 BDS 接收設備的性能標準應不低于以上所規定的性能標準，在船舶設計中所選用的BDS 接收設備均應符合此性能標準，以滿足有關特定系統的詳細要求，從而使由我國獨立開發和運行的BDS接收設備能更好地為國際海事活動作出貢獻，造福于全人類。

［1］ 冰盾防火墻. 北斗導航系統是如何定位的［EB/OL］. 2017-09-09. https://wenku.baidu.com/view/54f93010f705cc1754270912.html.

［2］ 毛新愿. 身負兩大“絕活”的中國北斗能超越美國GPS嗎?［EB/OL］. 2017-10-12. https://mp.weixin.qq.com/s/_xMuudDwv kxexPJWEL—mg.

［3］ 威鋒網. 第三代北斗芯片及北斗定位系統3.0厲害在哪?［EB/OL］. 2017-09-17. https://www.ithome.com/html/discovery/326184.htm.

［4］ International Maritime Organization. MSC.379 （93） Performance standards for Shipborne BDS receiver equipment （adopted on 16 May 2014） ［M］. London：IMO Headquarters，2014：1-5.

［5］ International Maritime Organization. A.694 （17） General requirements for shipborne radio equipment forming part of the global maritime distress and safety system （GMDSS） and for electronic navigational aids （adopted on 6 November 1991）［M］. London：IMO Headquarters，1991：2-4.

［6］ International Electrotechnical Commission. IEC 60945 （2002/08） [IEC 60945:2002 Corrigendum 1（2008/04）] Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems—General requirements—Methods of testing and required test results.［M］. Geneva：IEC Headquarters，2008：6-18.

［7］ 中國船級社（CCS）關于實施 MSC.379（93）決議“船載北斗衛星導航系統 接收設備性能標準”的技術通知，（2015年）技術通告第 7 號總第 168 號（2015年2月11日）［EB/OL］，2017-7-17. http://www.ccs.org.cn/ccswz/font/fontAction!moudleIndex.do?moudleId=86.

［8］ 央視新聞. 北斗！“一箭雙星”!［EB/OL］. 2017-11-07. http://wemedia.ifeng.com/35914390/wemedia.shtml.

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.097

2017-11-09

林德輝（1941-），男，研究員。研究方向：船舶電氣標準（含規則、規范）。