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国外卫星导航应用标准综述

来源:《卫星应用》 发布时间:2015-06-01

一、引言

全球卫星导航系统已深入到各国安全、经济领域的方方面面,已成为现代高新技术民用的成功典范。以产业化程度最高的GPS为例,已逐步演变为一种世界性的高新技术产业,它使航空、航海、测绘、时间及机械控制等传统产业的工作方式发生了根本的转变,它开拓了个人移动位置服务等全新的信息服务领域。随着卫星导航应用的逐步深入及应用领域的逐渐拓展,国外发布了大量卫星导航应用标准,本文将主要针对目前检索到的国外卫星导航应用标准进行梳理和分析。

二、国际及国外卫星导航相关标准化组织

卫星导航应用范围非常广,涉及卫星导航相关的国际和国外标准化组织也非常多,它们共同研究制定各国在航空、航海等领域赖以遵循、统一通用的导航条约法规、规范等标准。与卫星导航相关的国际级标准化组织主要有国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)。此外,还有其他比较权威的区域标准化组织和国际组织也参与制定和发布卫星导航技术标准。经过调研与分析,共整理出了24个与卫星导航相关的标准化组织,这些标准化组织并不能涵盖卫星导航应用的所有领域,但已反映了卫星导航应用主流领域的标准化组织情况,如表1所示。其中美国的标准化组织有8个,欧洲的标准化组织有4个,核心的标准化组织除ISO、IEC和ITU外,还有ARINC、ETSI、FAA、NMEA、RTCM和RTCA。

三、国外卫星导航应用标准分析

通过对表1中24个组织和机构的调研,共检索到卫星导航应用相关标准191项。经过整理和分析,

表 1  与卫星导航相关的国际、国外标准化组织和国际组织(双线分割)

序号

组织名称

序号

组织名称

1

ISO 国际标准化组织

13

IALA国际航标测绘协会

2

IEC 国际电工委员会

14

ICAO 国际民航组织

3

ITU 国际电信联盟

15

ICS 国际航运公会

4

ANSI 美国国家标准学会

16

IEEE 美国电气电子工程师学会

5

ARINC 美国航空无线电通信公司

17

IAG 国际大地测量协会

6

CCIR 国际无线电咨询委员会

18

IMO 国际海事组织

7

CEN 欧洲标准化委员会

19

IMPA 国际海事采购协会

8

CEPT 欧洲邮电管理协会

20

NMEA 美国国家海洋电子协会

9

EUROCAE欧洲民航电子设备组织

21

RTCA 航空无线电技术委员会

10

ETSI 欧洲电信标准化协会

22

RTCM 航海无线电技术委员会

11

FCC 美国联邦通讯委员会

23

SAE美国机动工程师协会

12

EASA欧洲航空安全局

24

FAA美国联邦航空管理局

 

可将其归纳为卫星导航系统标准、卫星导航应用基础标准、电子地图标准、接收设备数据格式标准、差分技术标准、接收设备性能要求与检测方法六类。其中,卫星导航系统标准主要是各卫星导航系统的接口标准、系统性能标准;卫星导航应用基础标准主要为术语类和时空系统类标准;接收设备数据格式主要为应用领域的接收设备通用数据格式要求标准,差分技术标准为增强导航定位精度采用的差分技术和格式标准;接收设备性能要求与检测方法主要是各类接收机的标准。

1.卫星导航系统标准

1.1系统接口标准

系统接口标准主要是各卫星导航系统研制国公布的接口控制文件。目前GPS系统、GLONASS系统和Galileo系统都已经公布了各自的接口控制文件。

以GPS系统为例,自20世纪90年代末美国政府提出GPS现代化计划以来,美国军方先后发布了IS-GPS-200、IS-GPS-705、IS-GPS-800和IS-GPS-870四类接口性能规范:

IS-GPS-200对GPS空间段与GPS无线电频率链路1(L1)和2(L2)的用户接收机之间的接口要求进行了定义,最新版本为IS-GPS-200G;

IS-GPS-705规定了GPS无线电频率链路5(L5)上全球定位系统空间段和导航用户段之间的接口要求,其最新版本为IS-GPS-705C;

IS-GPS-800定义了无线电频率链路1(L1)上GPS卫星与导航接收机之间的信号传输特征。虽然广播频段L1内有多个信号,这个接口规范只定义了L1内的民用信号(L1C),其最新版本为IS-GPS-800C;

IS-GPS-870定义了GPS下一代运行控制段(OCX)与GPS用户和用户支持通信之间的功能数据传输接口。其描述了接口传输的数据文件及其分布方式。目前的版本为IS-GPS-870A。 

1.2系统性能标准

主要是GPS系统的性能标准。这些文件规定了用户可以从GPS及其相关系统获得的技术性能指标。

(1)GPS标准定位服务(SPS)性能标准

 该文档定义了美国政府为用户提供的GPS标准定位服务——即众所周知的GPS民用服务——的性能水平。管理网络和信息集成的国防部副部长制定了此性能标准文件,作为美国政府和国防部的基本文件。早期版本被称为“信号规范”而不是性能标准。

(2)GPS精确定位服务(PPS)性能标准

该文档定义了美国政府为授权用户提供的GPS精密定位服务——也被称为军用GPS服务——的性能水平。它和GPS标准定位服务(SPS)性能标准文件一样,也是美国政府和国防部的基本文件。

(3)GPS广域增强系统(WAAS)性能标准

该文档定义了美国政府GPS标准定位服务(SPS)通过广域增强系统(WAAS)提升后为用户提供的性能水平。美国联邦航空管理局副总裁根据航空领域的需要制定了此性能标准文件,作为美国政府及交通运输部的基本文件。

(4)GPS民用监测性能规范

该文件根据GPS民用服务和信号监测的要求,提供所有信息详细的全天时间监测性能指标。规范文件的制定和修改是在GPS民用计划主管的指导下进行,被认为是美国政府及交通运输部的基本文件。

2. 卫星导航应用基础标准

卫星导航的基础类标准包括术语标准、时空系统标准等方面的内容,为卫星导航应用提供依托作用。为卫星导航应用提供依托作用。如ISO 19018规定了船舶和海上技术中的导航术语、缩写、图形符号和概念等相关的要求。

3.电子地图标准

电子地图是卫星导航应用的基础,更是导航和位置服务类产品的核心,因此国际上的相关组织以及各国从事电子地图研制的主流企业都积极地参与到相关标准的制定中,如IEC 61174 规定了电子地图展示和信息系统(ECDIS)的操作和性能要求、测试方法和要求的结果;IEC 62376 规定了电子地图系统(ECS)的操作和性能要求、测试方法和要求的结果;RTCM也制定了专门的电子地图系统(ECS)标准,其标准号为RTCM 10900.5。

4.接收设备数据格式标准

由于早期GPS系统应用最为广泛,有关卫星导航的接收设备多为GPS接收设备。随着GLONASS等其他卫星导航系统的应用,GPS垄断的地位逐渐被打破,特别是在GNSS概念提出后,卫星导航接收设备的数据格式标准开始从主要适应于GPS的数据格式向兼容GNSS的数据格式标准发展。接收设备的数据格式由各应用协会自行制定,现广泛应用的数据格式标准主要有以下几种:

(1)NMEA-0183海洋电子设备接口标准(Specification for communication between marine electronic devices)。

由美国国家海洋电子协会(NMEA)发布,是一种船用电子设备之间的数据传输标准,并且正在向陆地应用扩展,其规定了海用和陆用接收设备输出的定位数据、时间、卫星状态、接收机状态等信息,在市场上的GPS接收机产品中已广泛使用,并随着技术的发展而不断发展变化,先后经历了2.00,2.10、2.30、2.40、3.00、3.01、High Speed 1.00等多个版本的演进,目前已经发展到了NMEA 0183 V4.10以及NMEA 0183-HighSpeed V1.01版本。NMEA-0183数据标准解决了不同品牌、不同型号的GPS接收机之间实现任意连接的接口问题。

(2)RTCM-SC104数据格式标准。

由RTCM发布,规定了海用和陆用差分GNSS数据格式,目前海用和陆用GNSS差分系统接收机均采用此数据格式。RTCM-SC104数据格式标准共经历了1.0、2.0、2.1、2.2、2.3、3.0、3.1、3.2等多个版本,不断增加了RTK,GLONASS,GPS天线定义,网络RTK和GNSS的内容。

(3)RTCA-SC159数据格式标准。

由RTCA发布,该标准与RTCM-SC104标准类似,为适应航空用户的快速变化,该标准在动态速度上做了相应的改变。

(4)RINEX 3.0 卫星导航数据自主交换格式标准。

它是一种在GPS测量应用中普遍采用的标准数据格式,该格式采用文本文件存储数据,数据记录格式与接收机的制造厂商和具体型号无关。由国际大地测量协会(IAG)发布,共经历了1.0、2.0、2.1、2.2、2.3、3.0等多个版本。目前发布的最新版本为v3.02,该版本可支持全部GNSS系统(包括美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、欧洲Galileo系统和日本QZSS系统)和WAAS、EGNOS、MSAS等导航卫星增强系统的内容。

5.差分技术标准

差分技术标准主要有ISO 17123-8-2007 《实时动态差分(RTK)的GNSS现场测量系统》和IEC 61108-4-2004《海上导航和无线电通信装置及系统-全球导航卫星系统-第4部分:船用DGPS和DGLONASS海上无线电信标接收设备-性能要求、测试方法及所需测试结果》等。

6.接收设备性能要求与检测方法

由目前已掌握的标准来看,与用户接收设备相关的标准大致可以分为三类,即接收设备的性能要求、接收设备检测方法和接收设备的关键件标准:

(1)接收设备性能要求:

此类标准化主要对接收设备的技术性能提出要求,如ITU-R M.1477-2000 《1559-1610MHz干扰研究中考虑的现有的和规划中的无线导航卫星业务(空对地)和航空无线电导航业务接收机的技术和性能特性》。

(2)接收设备检测方法:

有关导航接收设备检测方法主要采用国际电工委员会(IEC)第80技术委员会(TC80)制定的IEC61108《海上导航和无线电通信设备与系统全球导航卫星系统(GNSS)》系列标准。该系列的标准分为4个部分,分别对船用GPS接收设备、船用GLONASS接收设备、船用Galileo接收设备及船用DGPS和DGLONASS接收设备的最低性能标准、试验方法和要求的试验结果进行了规定。此系列的标准经过不断的修订改进,在英国、德国、法国等多个国家受到广泛的应用,并且已被国际海事组织航海安全委员会通过IMO决议。

(3)接收设备关键件标准:

目前掌握的接收设备的关键件标准主要为接收机天线的相关标准,如RTCA-DO-301 《全球卫星导航系统(GNSS)L1频段机载有源天线设备最低操作性能要求》。

四、结束语

通过上面对国外卫星导航应用标准的整理及分析,可以看出国外卫星导航应用标准主要有导航卫星系统标准和应用标准两个方面,导航卫星系统标准是导航应用的基础,导航应用标准主要为术语、数据格式、差分技术、接收设备、电子地图等方面的标准。导航应用标准主要是依立足于各行业的应用需求而制定的。其中术语、差分技术、数据格式方面的标准主要是国际标准,是各行业应用的基础标准。此外,目前所检索到的国际和国外标准中,接收设备标准所占比重较大,主要集中在面向航海和航空应用的接收设备方面的标准,除国际海事组织与国际民航组织在国际层面规定相关设备要求,在行业层面上,以航空无线电委员会(RTCA)、欧洲民航电子设备组织(EUROCAE)和美国航空无线电通信公司(ARINC)为主发布了许多机载接收设备的标准,以美国国家海洋电子协会(NMEA)和航海无线电技术委员会(RTCM)为主发布了许多船载接收设备的标准,这些接收设备标准多为门槛性标准,是各种接收设备的最低要求。同时,国外也非常重视接收设备的检测工作,制定了很多检测标准,以保证接收设备的质量和性能。

在差分增强标准方面,一些国际和国外标准化组织也都制定了相应的标准,这些标准大部分是基于接收设备而制定的。如在接收设备数据格式方面,航海技术无线电委员会(RTCM)制定的RTCM SC 104差分协议是差分GPS中最早发布的标准,并且随着GNSS技术的发展不断演进和完善;在接收设备检测方法方面,国际电工委员会(IEC)发布了《海上导航和无线电通信装置及系统-全球导航卫星系统-第4部分:船用DGPS和DGLONASS海上无线电信标接收设备-性能要求、测试方法及所需测试结果》;此外,美国联邦航空管理局(FAA)组织制定了一系列WAAS和LAAS系统及相关导航设备的标准。

(来源:《卫星应用》 作者:郭玉婷、方杰、黄飞炯 编辑:陈飚)

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