大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 李 慧　張淑芳

船載導(dǎo)航接收機新標準及對我國北斗應(yīng)用的建議*

大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(tǒng)船載無線電導(dǎo)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(zhí)行。詳細闡述該標準為船載導(dǎo)航接收機提出的要求，并分析該決議給我國北斗應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)和機遇，提出我國履行決議應(yīng)采取的舉措，以促進我國船舶導(dǎo)航管理部門、船載導(dǎo)航接收機生產(chǎn)企業(yè)和航運企業(yè)及早做好履約準備。

船載無線電導(dǎo)航接收機；船舶導(dǎo)航；GNSS；IMO；履約；北斗

一、引言

為了確保為船舶提供適應(yīng)性強的、在整個航程中都能夠適用的船載無線電導(dǎo)航設(shè)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(tǒng)船載無線電導(dǎo)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(tǒng)船載無線電導(dǎo)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(dǎo)航管理部門能夠針對決議及早修改和制定管理規(guī)則，使我國的船載導(dǎo)航接收機生產(chǎn)企業(yè)能夠及早按照決議研究開發(fā)符合要求的產(chǎn)品，而不至于被國外廠商占領(lǐng)市場，本文介紹了決議的主要內(nèi)容，并提出我國為滿足決議要求應(yīng)采取的必要措施，對于船舶導(dǎo)航管理部門建立新的履約規(guī)范和促進我國船載導(dǎo)航特別是北斗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

二、多系統(tǒng)船載無線電導(dǎo)航接收機性能標準介紹

1.前言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）是空基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，有的已經(jīng)被IMO認可為世界無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（WWRNS）的一部分，這些系統(tǒng)在全球范圍提供位置、速率和時間（PVT）服務(wù)。每個GNSS空間段由布設(shè)在多個軌道的30顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星的布設(shè)原則要求世界范圍內(nèi)所有用戶能夠至少收到4個衛(wèi)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(dǎo)航。

陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)利用陸基發(fā)射臺發(fā)射的信號為系統(tǒng)提供PVT信息。接收機設(shè)備應(yīng)至少接收3個臺的信號以進行二維定位。

對于特殊的服務(wù)領(lǐng)域，例如港口入口、港口通道和沿岸水域，可利用增強系統(tǒng)。增強系統(tǒng)利用陸基或者空基的發(fā)射臺提供增強數(shù)據(jù)以改進準確度和完好性服務(wù)。

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

使用兩個或者多個GNSS導(dǎo)航信號的多系統(tǒng)接收機提供改進的位置、速率和時間數(shù)據(jù)，可利用或者不利用增強系統(tǒng)。當(dāng)使用兩個或者多個獨立的或者多頻的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)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(tǒng)提供冗余以減少損失。

接收機設(shè)備能夠用于速度不超過70 kn的船舶的導(dǎo)航，該設(shè)備能夠組合來自多GNSS和一個可選的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可利用或者不利用增強系統(tǒng)，形成單一的適應(yīng)性強的PVT結(jié)果。這樣的設(shè)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(tǒng)船載無線電導(dǎo)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(dǎo)航或用于輸入到船載其他系統(tǒng)。這些信息在靜態(tài)和動態(tài)條件下都應(yīng)能夠得到。

該性能標準允許應(yīng)用不同的方法和技術(shù)實現(xiàn)，以提供PVT數(shù)據(jù)和相關(guān)的完好性信息。在涉及PNT數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)提供和在用的PNT系統(tǒng)的完好性監(jiān)視，以及所提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)由IMO認可等方面，都要應(yīng)用該性能標準。

2.接收機設(shè)備（模塊A）

“多系統(tǒng)船載無線電導(dǎo)航接收機設(shè)備”（以下簡稱“設(shè)備”）包括所有的部件和單元，這些對于正確發(fā)揮功能是必需的。該設(shè)備應(yīng)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(shè)備發(fā)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(dǎo)航信號，以支持接收機設(shè)備發(fā)揮功能；

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

（4）用于提供接收機數(shù)據(jù)控制和配置的接口；

（5）顯示；

（6）原始數(shù)據(jù)輸出，用于提供輔助信息，例如測距數(shù)據(jù)和GNSS衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)等；

（7）計算的和向用戶發(fā)布的數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性指示；

（8）當(dāng)前所使用的向用戶提供PVT信息的各個無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的指示。

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

設(shè)備的設(shè)計應(yīng)：（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(tǒng)的完好性監(jiān)視（如RAIM，參見A.915（22））的手段，以及多系統(tǒng)的自主完好性監(jiān)視（在各個獨立的PVT系統(tǒng)之間進行互檢）。

3.操作和功能性設(shè)備（模塊B）

該設(shè)備應(yīng)：

（1）至少使用兩種獨立的民用GNSS導(dǎo)航信號，該GNSS是IMO認可的WWRNS的一部分，這些信號是空對地?zé)o線電導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)頻段，并符合ITU的無線電規(guī)則。

（2）提供的PVT數(shù)據(jù)應(yīng)具有必要的適應(yīng)性和完好性水平，無論是否直接應(yīng)用于其他設(shè)備的輸入或在組合導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Integrated Navigation System）中使用。

（3）能夠利用滿足相關(guān)的國際標準的方法處理增強數(shù)據(jù)。

（4）能夠方便用戶選擇或不選擇無線電導(dǎo)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(jié)為單位提供對地航速（SOG）信息，精度達到百分分之一節(jié)；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(wèi)星歷書數(shù)據(jù)的冷啟動時間為5分鐘；②存在有效衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)的熱啟動時間為1分鐘；③當(dāng)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(dǎo)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(chǎn)生新PVT解，對于小于70節(jié)的常規(guī)船舶至少1秒的更新頻率產(chǎn)生PVT解。

（10）能夠?qū)γ總€導(dǎo)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(dāng)不能進行評估時應(yīng)給出報警信號。

（11）對于每個導(dǎo)航歷元，高速運載體（HSC）2秒后，常規(guī)船舶3秒后，如果設(shè)備不能評估當(dāng)前的性能，即PVT的準確性和完好性，應(yīng)給出報警。

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

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

（14）提供增強狀態(tài)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(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)，以文字和數(shù)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(tǒng)；⑤利用性能要求評價導(dǎo)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(shè)備應(yīng)：

（1）提供下面符合相關(guān)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(dǎo)航歷元評估、增強信息等。提供將基于WGS84計算的位置轉(zhuǎn)換成為兼容所使用的導(dǎo)航圖坐標的數(shù)據(jù)。②至少一個接口將所有可能得到的導(dǎo)航源的數(shù)據(jù)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(huán)境和無線電頻譜環(huán)境下，以及常規(guī)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(chǎn)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(shè)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(yīng)提供設(shè)備文本，最好以電子格式，應(yīng)包括操作說明書和安裝手冊。操作說明書應(yīng)包含全部功能說明，包括：（1）多系統(tǒng)的概念，使用GNSS和陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)和增強系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)和增強系統(tǒng)；（3）說明哪些PVT解析使用了哪些導(dǎo)航歷元；（4）解釋所使用的指示和門限設(shè)定的方法；（5）解釋多系統(tǒng)的輸入選擇和融合過程；（6）描述可能的失效和對接收機設(shè)備的影響。

三、北斗系統(tǒng)和伽利略（GALIEO）系統(tǒng)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(xué)導(dǎo)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(jīng)注意到中國提交的信息文件中關(guān)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的IMO國際標準化的里程碑文件。此后北斗系統(tǒng)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(wù)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(shè)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(wù)，計劃于2014年末給出任務(wù)成果，即給出中國提議的“北斗在海事領(lǐng)域的應(yīng)用”任務(wù)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(shù)問題做了進一步的說明。同時提交了北斗接收機設(shè)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(wù)：研究北斗接收機設(shè)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(jīng)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(shè)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(jīng)完成。

與此同時，2014年3月由英國和歐盟聯(lián)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(jīng)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(tài)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(tǒng)，即GPS、GLONASS、北斗和GALILEO，統(tǒng)稱為GNSS。

四、我國北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)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(dǎo)航接收機，至少是履約船舶裝載的船載無線電導(dǎo)航接收機，應(yīng)增加滿足“性能標準”要求的功能：

1.未來船載無線電導(dǎo)航接收機新的性能要求

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

目前我國生產(chǎn)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(tǒng)尚不具備全球定位的能力，對于在亞太地區(qū)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(dǎo)航接收機廠商面前的重要任務(wù)。

2.對于提供的PVT數(shù)據(jù)應(yīng)具有評估功能

目前的船載GNSS接收機都不具準確性、適應(yīng)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(tǒng)提供的信息。該功能的實現(xiàn)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(xiàn)

建議我國的船載無線電導(dǎo)航接收機生產(chǎn)廠商應(yīng)及早深入研究“性能標準”，以使所生產(chǎn)的產(chǎn)品符合要求。

4.我國生產(chǎn)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(dǎo)航系統(tǒng)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(tǒng)，這為我國的北斗系統(tǒng)走向國際化帶來了機遇。我國的北斗生產(chǎn)廠商應(yīng)及早與世界各國船載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)生產(chǎn)廠商合作，為船舶提供符合“性能標準”要求的產(chǎn)品。

五、我國船舶導(dǎo)航管理部門面臨的挑戰(zhàn)

“性能標準”要求未來的船載無線電導(dǎo)航接收機應(yīng)能夠方便用戶選擇或不選擇任何無線電導(dǎo)航信號和增強信號，并能夠?qū)邮諜C輸出的PVT信息進行準確性、適應(yīng)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(tǒng)以輔助船載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)這些功能要求，本文認為：

（1）船舶導(dǎo)航管理部門應(yīng)根據(jù)海域航行安全的需求，建立符合定位精度要求增強系統(tǒng)。目前我國沿海的RBN/DGPS系統(tǒng)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(shè)的連續(xù)運行參考站（CORS，Continuously Operating Reference Stations）系統(tǒng)將為高精度導(dǎo)航和航道測量提供增強服務(wù)。

（2）針對船載接收機進行PVT信息的準確性、適應(yīng)性和完好性評估功能，海事管理部門應(yīng)按照需求建立支撐系統(tǒng)，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(yīng)及早研究功能檢測檢驗標準或規(guī)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(jié)束語

MSC.401（95）決議已經(jīng)頒布一年了，但是我國很多企業(yè)和管理部門對該決議尚不甚了解。筆者建議相關(guān)企業(yè)和管理部門盡快對性能標準進行深入研究，進而實現(xiàn)：一、我國的北斗生產(chǎn)企業(yè)能夠及時在2017年12月前生產(chǎn)出符合標準的多系統(tǒng)船載導(dǎo)航接收機，從而占領(lǐng)國內(nèi)外市場；二、我國的海事和船舶導(dǎo)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(tǒng)；三、航運企業(yè)及早設(shè)計履約規(guī)劃，使船載導(dǎo)航接收機能夠順利按時履約，從而使企業(yè)避免因設(shè)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(dǎo)師，E-mail：sfzhang@dlmu.edu.cn

*研究資助：國家自然科學(xué)基金重點項目，No.61231006