船用卫星导航接收设备国际标准分析

陈倩,杜辉

(1. 中国电子技术标准化研究院,北京 100007;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050000)

0 引 言

IEC 61108系列标准按照发布时间顺序分别为1996年的GPS接收设备标准(以下简称GPS标准)第一版、1998年的GLONASS接收设备标准[1](以下简称GLONASS标准)、2003年的GPS标准[2]修订版、2004年的差分接收设备标准[3](以下简称差分标准)、2010年的Galileo接收设备标准[4](以下简称伽利略标准)。现行的IEC 61108系列标准有:

1)IEC 61108-1《海上导航与无线电通信设备及系统—全球导航卫星系统(GNSS)—第1部分:全球定位系统(GPS)——接收设备性能标准、测试方法和要求的测试结果》;

2)IEC 61108-2《海上导航与无线电通信设备及系统—全球导航卫星系统(GNSS)—第2部分:GLONASS接收设备性能标准、测试方法和要求的测试结果》;

3)IEC 61108-3《海上导航与无线电通信设备及系统—全球导航卫星系统(GNSS)—第3部分:伽利略接收设备性能要求、测试方法和要求的测试结果》;

4)IEC 61108-4《海上导航与无线电通信设备及系统—全球导航卫星系统(GNSS)—第4部分:船用DGPS和DGLONASS海上无线电信标接收设备性能要求、测试方法和要求的测试结果》。

2017年10月,IEC/TC 80 通过了中国代表团提交的IEC 61108-5 BDS接收设备接收设备标准(以下简称BDS标准)提案申请。目前BDS标准制定工作已展开。

同年12月,国际海事组织(IMO)通过了中国代表团提交的有关船用多无线电导航系统性能标准的建议。未来IEC/TC 80将制定船用GNSS接收设备标准(以下简称GNSS标准)来替代其单系统接收设备标准。

为了更好地开展BDS标准的制定工作,下面主要从IEC 61108-1～3系列标准内容比对、标准存在的问题以及对于后续BDS/GNSS标准的建议三方面进行分析。

1 标准内容比对

1.1 最低性能要求

1.1.1 目标

GLONASS标准中限定最大航速50 kn,GPS和伽利略标准中最大航速为70 kn。

GLONASS标准中未明确服务内容,GPS标准为面向标准位置服务(SPS)服务,伽利略标准为面向公开和救生服务并明确了频点和定位方式。

1.1.2 接收设备

伽利略标准涉及了组合导航应用;相对于GLONASS标准,GPS和伽利略标准增加了设备的质量保证内容。

1.1.3 性能要求

1)伽利略标准增加了在单频和双频接收两种条件下进行电离层误差修正的内容;

2)GLONASS和GPS标准要求至少有一个提供位置信息的输出接口;伽利略标准接口数量要求增加为四个,其中2个为输出接口,用于提供位置信息、UTC、对地航向、对地航速和告警信息;1个用于指示故障的常态静默接口,以及1个用于给外部系统告警的双向接口;

3)GLONASS标准未列出详细的语句输出要求;GPS标准列出了定位和组合导航的语句输出要求;除这两类,伽利略标准还列出了告警语句输出要求;

4)GLONASS和GPS标准中定位精度要求比对如表1所示;

表1 定位精度要求比对m

*伽利略救生服务的性能在注释中出现。

5)捕获(定位)时间要求比对如表2所示;

表2 捕获(定位)时间要求比对min

6) 动态范围要求比对如表3所示;

表3 动态范围要求比对dBm

7) 在“特殊干扰信号影响”一节中,GPS和伽利略标准规定了天线安装手册中应给出有效降低干扰影响的建议,GLONASS标准未涉及;

8) 位置更新要求比对如表4所示。

表4 位置更新要求比对s

9)在“差分输入”(差分标准IEC 61108-4现行版本中未涉及伽利略和BDS。)”一节中,伽利略标准规定了需给出差分信号接收情况以及是否应用于定位的标志;GPS和GLONASS标准未涉及;GPS和伽利略标准规定了需支持差分数据误字率测试功能,GLONASS标准未涉及;

10)故障/导航告警和状态指示要求比对如表5所示;

11)在“时间信息的可用性与有效性”一节中,GPS标准指示时间有效性为GGA的定位有效标志;伽利略标准则为GNS中定位有效标志;

12)在“典型的干扰环境”一节中,伽利略标准规定了正常工作的具体要求以及干扰类型的划分;GPS标准相应内容在后续测试方法中。

1.2 测试方法和要求的测试结果

1.2.1 标准测试信号

在GPS和GLONASS标准中,强调测试需用实际卫星信号,而在伽利略标准中,实际信号和模拟器信号均可选用;在GPS和伽利略标准中,均要求有差分测试信号,GLONASS标准未涉及差分测试信号;伽利略标准规定模拟器应能产生差分修正数据;尤其是伽利略标准还涉及了对干扰信号模拟器的要求。

1.2.2 测试条件

在GPS和GLONASS标准中,强调所有静态测试应采用实际信号。

1.2.3 精度

1)在“静态精度”一节中,伽利略标准有采样间隔的概念,GPS和GLONASS标准未涉及;伽利略标准中位置数据按采样间隔获取,在其他标准中,单点定位模式下未限定定位数据的更新频度,差分模式下限定为1 s/次。在GLONASS标准中静态精度测试时间为2 h,另外两个标准均要求24 h;

2)定位精度测试方法比对如表6所示。

表6 定位精度测试方法比对

1.2.4 捕获

1)在“初始化”一节中,与GLONASS标准相比,其他标准增加了删除历书的方法,尤其是伽利略标准又增加了使用模拟器的测试方法;

2)GPS和GLONASS标准将“断电”和“信号中断”列为两节,伽利略标准将这两部分合并为一节,称为“历书无效”;

3)“短暂中断”一节中,伽利略和GPS标准为“短暂断电”,GLONASS标准为“短暂屏蔽信号”。

1.2.5 灵敏度和动态范围

GPS和伽利略标准中明确要求须用模拟器进行测试,GLONASS标准要求可用模拟器;相较于GLONASS标准,GPS和伽利略标准对于步骤的表述更为细致准确;三个标准对于跟踪要求的测试结果不同,GLONASS标准要求“持续正常工作”,GPS标准要求“连续跟踪至少一颗卫星”,伽利略标准要求“继续跟踪至少四颗卫星并提供有效的位置解”。

1.2.6 “特殊干扰信号的影响”(伽利略标准为“针对其他船用发射装置的保护”)

与GLONASS标准不同,GPS和伽利略标准额外规定了干扰停止后进行检验的时间限制(5 min)。

同时,GPS和伽利略标准还对干扰信号发射天线提出了要求,而GLONASS标准仅在性能要求中对发射天线提出了要求。

1.2.7 位置更新

GPS和伽利略标准明确可使用模拟器,GLONASS标准未提及;GLONASS标准中只考核位置是否更新,GPS和伽利略标准除位置更新外,还考核位置与基准位置的一致性。

1.2.8 差分输入

与GLONASS和伽利略标准不同,GPS标准提出了关于误字率指示/输出的要求。

1.2.9 “故障告警和状态指示”(伽利略标准为“导航告警和状态指示”):

1)在GLONASS标准中采用性能测试中记录的指示和告警信息来测试该项功能;GPS和伽利略标准对测试流程进行了详尽说明;

2)在“位置警告测试”一节中,GPS标准规定了关于HDOP的告警测试,伽利略标准未涉及;

3)在“差分状态指示”一节中,GPS标准设置龄期为可选功能,伽利略为标配;

4)状态指示测试方法比对如表7所示。

表7 状态指示测试方法比对

1.2.10 COG、SOG与UTC输出在“时间信息的可用性与有效性”一节中,GPS标准指示时间有效性为GGA中的定位有效标志,伽利略标准则使用GNS中的定位有效标志。

2 现行标准存在问题及建议

通过对IEC 61108系列标准的比对分析,发现现行标准中存在一些问题与疑问,并针对问题给出了相应建议。具体问题及建议如表8所示。

表8 现行标准中存在问题

表8(续)

3 BDS和GNSS标准的建议

通过研究分析可以看出,伴随着理论和技术的发展,IEC 61108系列标准在技术要求方面,精度和时间特性指标方面不断提高,完好性要求也更具体;在测试方法方面,随着模拟器的技术发展和成熟,模拟器能提供的测试手段更为丰富,测试逐步从主用实际卫星信号过渡到主用模拟器(这方面也可能存在Galileo标准制定时并无实际可用卫星的原因)。

因此,对BDS和GNSS标准内容,建议如下:

1)增加模拟器的应用

随着信号仿真和模拟技术的不断进步,模拟器在测试中所占的比重也不断增大。一方面,模拟器能模拟一些不易在现实中实现的场景;另一方面,模拟器能测试一些对卫星信号有严格要求的项目;同时,需要模拟卫星星座、导航电文错误或伪距畸变等信号情况时,只能通过模拟器进行;此外,接收实际卫星信号存在不可复现的问题,不利于测试的一致性,宜采用模拟器进行。

2)采用更加通用/常用的专用术语

现行的标准中,一些指标名称与通常的应用习惯不符,因此建议在BDS和GNSS标准中予以酌情修正。

3)突出北斗系统特点

在BDS和GNSS标准中,增加有关北斗RDSS的说明;可根据不同系统和终端能力确定指标。

4)突出船载应用特点

在“典型的干扰环境”一节中,目前GPS和伽利略标准中干扰环境及等级等内容主要借鉴航空设备标准。船载设备的干扰环境与航空设备有所不同,因而抗干扰的要求也有所不同,标准需要考虑船载干扰环境特点。

4 结束语

综上所述,可以看出IEC 61108-1～3系列标准的内容完整,基本涵盖了船用卫星导航接收设备的功能、性能要求及对应的测试方法;该系列标准存在一定的继承性,制(修)订时间相近的标准之间差异不大;随着接收机和测试技术的持续发展,标准内容和要求也在不断更新。虽然该系列标准中依然存在一些文字和内容的错误和不规范、对于干扰的要求直接引用RTCA标准而没有突出船载应用环境等问题,但该系列标准为GPS/GLONASS/伽利略设备的船载应用提供了型式认可的合法依据,促进了船用卫星导航接收设备的应用及推广。