林德辉

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船载北斗卫星导航系统（BDS）接收设备性能标准

林德辉

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

1 GPS与BDS

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）由美国于1970 年建设，其前身是一套专为美军研制的定位系统，出于军用考量，为防止敌方通过定位信号截获美军位置，定位系统被设定为单向传输（即GPS接收机只接受卫星信号，而不向外发射信号），这一特性也为 GPS 面向民用领域奠定了基础［1］。打开GPS，地球上空的卫星在几分钟之内就会锁定你的位置，并告诉你行进的速度、所处位置的海拔高度……。

现在，世界上可以提供精确定位的全球导航系统共有四种：美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System）和中国的北斗卫星导航系统（Beidou Satellite Navigation System，BDS）。目前美国的GPS最为成熟，覆盖面也最广。

GPS由空间、地面监控和用户三部分组成（参见图1）：

（1）空间部分，由24 颗GPS卫星（包括 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星）组成；

（2）地面监控部分，由 1 个主控站、3 个注入站和5 个监控站组成；

（3）用户部分，即 GPS 接收机，主要作用是从GPS 卫星接收信号，并利用传来的信号计算用户的三维位置及时间［1］。

图1 GPS卫星系统的组成

24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面上（即每个平面上 4 颗卫星），各个轨道面均设定为特定的角度。这种布局旨在保证每个接收机在全球范围随时随地至少可以接收 4 颗卫星的信号。每颗卫星每时每刻都在任何地点向全球播报自己的位置信号。既然 GPS 接收机不向卫星发送任何信号，只是接收卫星信号，而卫星只是播报自己的位置，那么 GPS如何通过这些数据确定用户位置？为此必须关注此定位系统中的重要部件原子钟与 GPS 芯片。

卫星播报自己位置信号时，会附上信号发出的时间。GPS 终端接收到信号后，用当前时间减去发送时间，乘以传播速度（光速），即得出接收机与卫星的距离。GPS 芯片的核心功能是读懂卫星发来的信号并进行相关运算。为精确测定接收机与卫星的距离，在光速确定的情况下，时间必须精准，原子钟正是为确保时间的精准度。因为时间上的微小误差，在乘以光速之后则会失之毫厘、差之千里。

根据立体几何原理，在三维空间中，三个坐标就可以确定一个点的位置。如此看来，似乎只需要 3颗卫星就足够了，但事实上必须有4颗卫星才能进行定位，3颗卫星定位只是理想状态。光速数字实在太大，对时间精度有极高要求，并且光速在大气中也因受到一定影响而产生误差，而卫星播报自己的位置也会有误差。这些误差的存在，使3 颗卫星不足以保证定位精度。根据爱因斯坦相对论，快速移动的物体随时间的流逝比静止的要慢，卫星上的时钟就和地球的时钟并不同步，这样 GPS 卫星每天都会产生 38 微秒的偏差，即每天将会增大 11 km的误差，这种误差也必须进行补偿。所以，要进行有效定位，必须引入第4颗卫星来提高定位精度。在实际应用中，定位卫星数往往大于4，理论上 GPS 接收机接收到的卫星数越多，定位越精准。以上是 GPS 定位原理。

除上述四大全球导航系统外，世界上尚有两个区域性导航系统：

（1）印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）

以前，印度有一个依赖于GPS的区域增强系统，在印巴冲突期间，美国关掉了交战双方的GPS服务。印度后来自力更生，由印度空间研究组织（ISRO）建成了一个独立的区域型卫星导航系统，覆盖范围仅限印度及其附近，印度政府对这个系统有完全的掌控权。但最近其几颗卫星上的原子钟接连出现故障，如不快速发射卫星进行补充，很可能会导致任务失效。

（2）日本的准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）

这是一个依赖于GPS服务、加强GPS系统在日本地区应用的系统，发的信号与GPS相同。如果美国GPS关闭信号，它则无法使用。现在仅有3颗卫星为其服务。日本的准天顶卫星系统是目前世界上最小的导航系统［2］。

我国的北斗卫星导航系统（BDS）与GPS相比，其原理略有不同，在相关功能上有所创新，从应用的角度来说，相比 GPS，BDS有着不少独特的优势。不同于世界上其他任何系统，BDS是唯一使用地球同步轨道（高度为36 000 km）、倾斜地球同步轨道（高度为36 000 km）和中地球轨道（高度为21 500 km）的卫星导航系统。GPS、格洛纳斯、伽利略都是仅使用中地球轨道的卫星导航系统。

与 GPS 类似，BDS也由空间部分、地面部分和用户部分这三部分组成。空间部分即空间段，BDS计划由 35 颗卫星组成；地面部分即地面控制部分，其由主控站、注入站和监测站组成，主控站用于系统运行管理与控制，注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理；用户部分即接收机，其需捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定方式进行定位计算。

第一代BDS的定位原理属于有源定位，需用户终端主动发送信号，可靠性较差。1994年，我国开始进行“北斗1号”的研制工作；2000年，发射两颗静止轨道卫星，实现区域性（仅限于亚太地区）卫星导航；2003年，又发射一颗备份卫星，“北斗1号”正式完工，使我国在军事领域（战术武器等）摆脱了对 GPS 的依赖［2］。

第二代BDS采用类似 GPS 的无源定位技术，即用户至少接收 4 颗卫星信号来定位。2007年，中国开始建设自己的第二代BDS，到了2012年，我们已经发射16颗卫星，完全覆盖亚太地区。“北斗2号”的建设与运转为我们积累了大量的技术和经验，我们的目光已超越亚太地区，投向全世界。BDS拥有独一无二的短报文传信功能，可用于军事、救援、科研等许多方面。2012年12月27日，BDS向亚太大部分区域提供连续无源定位、导航和授时等服务，其覆盖区域扩展到东经55°~180°，定位精度提高到平面10 m、高程10 m，测速精度提高到0.2 m/sec。

第三代BDS于2015年开始建设，当年中国发射了“北斗3号”第一颗卫星［2］。2017年9月16日，“第六届中国卫星导航与位置服务年会暨首届卫星应用国际博览会”在深圳召开，发布了第三代北斗芯片。这是由深圳华大北斗科技有限公司研发且拥有完全自主知识产权的国产基带和射频一体化芯片，将是全球首个支持新一代“北斗3号”信号体系的多系统多频高精度芯片。而其主要用于“北斗3号”卫星系统的建设。这款超低功耗的第三代北斗芯片可在无需地基增强的情况下，实现亚米级（即精度可达到1 m以内）的定位精度，并且实现芯片级别的安全加密［3］。随着全新一代芯片的推出，北斗系统也即将进入3.0时代。

2017年11月5日19时45分，我国在西昌卫星发射中心用“长征3号”乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第24、25颗北斗导航卫星。这两颗卫星属于中地球轨道卫星，是我国“北斗3号”第1、2颗组网卫星，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代［8］。

目前相关“北斗3号”全球系统的建设已经全面铺开，预计在2017年底发射4颗卫星，在2018年将完成18颗全球组网卫星发射，率先为“一带一路”沿线国家提供基本服务。而到2020年前后，将实现覆盖全球的服务能力，届时将有35颗卫星处于工作状态，从而实现全球高精度定位，“北斗3号”系统将使定位精度提高到2.5~5 m［2］。

2 船载BDS及其接收设备

国际海事组织（IMO）海上安全委员会第93届会议（MSC 93）2014 年 5 月 16 日通过了MSC.379（93）决议《船载BDS接收设备性能标准》（Performance standards for Shipborne BDS receiver equipment），根据该决议，可以认可BDS卫星导航系统为全球无线电导航系统的可能组成部分（the BDS satellite navigation system may be recognized as a possible component of the world-wide radionavigation system）。注意到船载全球无线电导航系统接收设备的设计应满足有关特定系统的详细要求，认识到需要制定船载 BDS 接收设备的性能标准，以确保该设备的操作可靠性，并考虑到技术进步和所获得的经验，通过此船载 BDS 接收设备性能标准，建议各国政府确保 2016 年 7 月 1 日或以后安装的 BDS 接收设备的性能标准应不低于该决议附件所规定的性能标准［4］。

该决议附件《船载 BDS 接收设备性能标准》分为：1“引言”、2 “BDS 接收设备”、3 “BDS 接收设备性能标准”、4 “完整性检查、故障警告和状态显示”以及5“保护” 等五条。

在1“引言”中明确，作为与世界上其他导航卫星系统相兼容的全球导航卫星系统，BDS 是由中国独立开发和运行的系统，其由空间段、地面控制部分和用户终端（space constellation，ground control segment and user terminals）等三部分组成。

空间段由35颗卫星组成，其包括5 颗地球同步轨道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）卫星、27颗中地球轨道（Medium-Earth Orbit，MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）卫星。GEO 卫星的位置分别为经度058.75°E、080°E、110.5°E、140°E 和 160°E。 MEO 卫星运行轨道的高度为 21 500 km，倾斜角为 55°，平均分布于三个轨道平面内。IGSO 卫星运行轨道的高度为 36 000 km，倾斜角为 55°，平均分布于三个倾斜地球同步轨道平面内。3 颗 IGSO 卫星的星下点轨迹重合，交点的经度为 118°E。该几何形状确保至少有 4 颗卫星对全球用户可见，且位置精度因子（Position Dilution Of Precision，PDOP）≤ 6。每颗卫星在“L”波段上以载波频率 1 561.098 MHz 发送公开服务信号 B1I。B1I 信号包括能提供公开服务的测距码（ranging code which could provide the open service）。导航数据电文叠加于该编码（A navigation data message is superimposed on this code）。BDS 卫星由码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）识别。BDS 公开服务（Open Service，OS）提供定位、导航和授时服务，不直接向用户收费。BDS 接收设备应能接收和处理公开服务信号。 航速不超过 70 kn的船舶上拟用于导航的 BDS 接收设备，除符合 A.694（17）决议［5］（参见 IEC 60945 出版物［6］）中规定的一般要求外，还应符合MSC.379（93）决议所附的最低性能要求。

本标准包括为导航目的或作为对其他功能输入而进行的定位、确定对地航向（Course Over Ground，COG）、对地航速（Speed Over Ground，SOG）和授时的基本要求。本标准不涉及该设备可能设有的其他计算装置，也不涉及对可能从 BDS 接收设备获取输入的其他系统的要求。

在2“BDS 接收设备”的 2.1中表明，本性能标准使用的术语“BDS 接收设备”包括系统正确执行其预定功能所需的所有组件和元件。BDS 接收设备应至少包括以下装置：

——2.1.1 能接收 BDS 信号的天线；

——2.1.2 BDS 接收器和处理器；

——2.1.3存取所计算的纬度/经度位置的器件；

——2.1.4 数据控制器和接口；和

——2.1.5 位置显示和其他输出形式（如要求）。

如 BDS 构成经认可的综合航行系统（Integrated Navigation System，INS）的一部分，则2.1.3、2.1.4 和 2.1.5所要求的装置 可在 INS 内提供。

在2“BDS 接收设备”的 2.2中载明，天线的设计应适合于装设在船上能确保清晰地看到卫星段的位置（The antenna design should be suitable for fitting at a position on the ship which ensures a clear view of the satellite constellation），同时考虑到船上可能存在的任何障碍物。

3 船载BDS接收设备性能标准

在3“BDS 接收设备性能标准”中明确，BDS 接收设备应：

——3.1 能接收和处理 BDS 定位和速度以及授时信号，并应使用卫星段对接收器的电离层模型广播（ionospheric model broadcast）生成电离层更正；

——3.2 提供（以度、分和千分之一分为单位的纬度和经度）位置信息【北斗使用 2000 中国大地坐标系（China Geodetic Coordinate System，CGCS），该坐标系实现了国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）系统，且在全球范围内与 WGS 84 的偏差小于 5 cm。对于海上航行，无需转换至WGS 84。】；

——3.3 提供参照“协调世界时”（Universal Time Coordinated，UTC）的中国国家授时中心（China National Time Service Centre，NTSC）的时间；

——3.4 至少设有两个输出端，向其他设备提供位置信息、UTC、对地航向（Course Over Ground，COG）、 对地航速（Speed Over Ground，SOG）和报警。位置信息的输出应依据 WGS 84 基准，且应符合国际标准IEC 61162 出版物。UTC、COG、SOG和报警的输出应与 3.15 和 3.17 的要求一致；

——3.5 具有静态精度，使天线位置在达到水平定位精度 25 m（95%）置信度和垂直定位精度 30 m（95%）置信度范围内确定；

——3.6 具有在正常海况和船舶所经历的运动之下，与上述3.5 所规定的静态精度相当的动态精度（参见 A.694 （17） 决议，IEC 60721-3-6 和 IEC 60945 出版物［6］）；

【编者注：英文原文为IEC 6721-3-6，似有误，因为IEC标准编号为五位数，估计应为IEC 60721-3-6“环境条件的分类—第3部分：环境参数及其严酷度的分类—船舶环境”（Classification of environmental conditions—Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities—Ship environment】

——3.7 具有（以度、分和千分之一分为单位的纬度和经度）位置信息，且位置分辨率等于或优于纬度和经度的 0.001 分；

——3.8 能自动选择合适的卫星所发送的信号，以所要求的精度和更新率，确定船舶位置和速度以及时间；

——3.9 能获取输入信号的载波电平为-130 dBm 至-120 dBm 的卫星信号。卫星信号一经获取，该设备即应在载波电平降至-133 dBm的卫星信号情况下继续令人满意地运行；

——3.10 能在符合 A.694 （17） 决议要求的正常干扰条件下令人满意地运行；

——3.11 如所处位置无有效的卫星星历数据（almanac data），则BDS 接收设备应能在 12 min 内获取所要求精度的位置、速度和时间信息；

——3.12 如所处位置有有效的卫星星历数据，则BDS 接收设备应能在 1 min 内获取所要求精度的位置、速度 和时间信息；

——3.13 当服务中断时间为 60 s 或以内时，应能在 1 min 内重新获取所要求精度的位置、速度和时间信息；

——3.14 至少1 s一次（对于常规船舶）和至少每 0.5 s一次（对于高速船）生成新的位置，且输出至显示器和数字接口（IEC 61162 出版物）；

——3.15 提供 COG、SOG 和 UTC 输出（具有与位置输出有效性标志一致的有效性标志）。COG和SOG的精度要求应不低于首向（对于常规船舶的 A.424 （XI） 决议和对于高速船的 A.821 （19） 决议）、航速和距离测量设备（Speed and Distance Measuring Equipment，SDME）的相关性能标准（经 MSC.96 （72） 决议修正的 A.824 （19） 决议）的要求，且此精度应在船上可能经历的各种动态条件下获得；

——3.16 至少设有一个能显示 BDS 接收设备故障的常闭触点（normally closed contact）；

——3.17 具有便利通信的双向接口，从而能将报警传输至外部系统，且来自 BDS 接收器的听觉报警可从外部系统应答（can be acknowledged from external systems）；该接口应符合相关国际标准（IEC 61162出版物）；和

——3.18 具有按ITU-R标准（国际电信联盟ITU-R M.823 建议案——ITU-R Recommendation M.823）和相应的RTCM（Radio Technical Commission for Marine Service，航海无线电技术委员会）标准处理输入的差分北斗卫星导航系统（Differential BDS，DBDS）数据，且显示 DBDS 信号的接收及其是否应用于船舶位置的装置。当 BDS 接收器设有差分接收器时，静态和动态精度的性能标准（以上3.5和3.6）应为10 m（95%） 置信度。

4 完整性检查和保护

在4“完整性检查、故障警告和状态显示”的4.1中阐明，BDS接收设备还应显示BDS的性能是否超出 A.1046 （27） 决议或 A.915 （22） 决议附录 2 及其任何后续修正案（如适用）中所规定的，对于在海洋、沿海水域、进港航道和受限水域以及其航行的内河航道段的一般导航所规定的要求范围。

在4“完整性检查、故障警告和状态显示”的4.2中明确， BDS 接收设备应至少：

——4.2.1 在位置丢失的 5 s 内，或如根据 BDS 空间段提供的信息，在超过 1 s（对于常规船舶）和超过 0.5 s（对于高速船）后未计算出新位置的情况下发出警告。在此情况下，在恢复正常操作前，应输出上次的已知位置以及有效定位时间，且状态显示明确而无任何模糊性（with the explicit indication of the state allowing for no ambiguity）；

——4.2.2 使用接收器自动完整性检测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM），以提供与所承担运行相应的完整性能；和

——4.2.3 提供自测试功能（a self-test function）。

在5“保护”中明确， 应采取预防措施，以确保在天线或其任何输入或输出接线意外短路或接地，或者 BDS 接收设备的任何持续 5 min输入或输出时，都不可能导致永久性损坏。

5 中国船级社的规定

针对上述《船载BDS接收设备性能标准》，中国船级社（CCS）在（2015 年）技术通告第 7 号总第168 号中明确，该性能标准，适用于 2016年7月1日及以后装船的船载北斗卫星导航系统设备，并指出［7］：

——此设备除需满足该决议的要求外，还需符合IMO大会决议 A.694（17）规定的船载通信导航设备的一般要求和 MSC.191（79）对航行信息的显示要求。

——对于该系统的性能验证及试验具体要求可参照即将发布的《船载北斗卫星导航系统接收机检验（暂行规定）》。并注意产品样机应由CCS验船师封样后，送CCS指定或授权的船用北斗接收机专业测试机构进行认可试验。

——如为BDS单系统设备，认可检验、审图均依据此性能标准进行检验、认可和审图；如为BDS /GPS 兼容机设备，可分别依据各自性能标准进行检验、认可和审图。认可证书上应明确属于单系统接收机或多系统导航兼容机，以便验证装船。

鉴于IMO建议各国政府确保 2016 年 7 月 1 日或以后安装的 BDS 接收设备的性能标准应不低于以上所规定的性能标准，在船舶设计中所选用的BDS 接收设备均应符合此性能标准，以满足有关特定系统的详细要求，从而使由我国独立开发和运行的BDS接收设备能更好地为国际海事活动作出贡献，造福于全人类。

［1］ 冰盾防火墙. 北斗导航系统是如何定位的［EB/OL］. 2017-09-09. https://wenku.baidu.com/view/54f93010f705cc1754270912.html.

［2］ 毛新愿. 身负两大“绝活”的中国北斗能超越美国GPS吗?［EB/OL］. 2017-10-12. https://mp.weixin.qq.com/s/_xMuudDwv kxexPJWEL—mg.

［3］ 威锋网. 第三代北斗芯片及北斗定位系统3.0厉害在哪?［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］ 中国船级社（CCS）关于实施 MSC.379（93）决议“船载北斗卫星导航系统 接收设备性能标准”的技术通知，（2015年）技术通告第 7 号总第 168 号（2015年2月11日）［EB/OL］，2017-7-17. http://www.ccs.org.cn/ccswz/font/fontAction!moudleIndex.do?moudleId=86.

［8］ 央视新闻. 北斗！“一箭双星”!［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

林德辉（1941-），男，研究员。研究方向：船舶电气标准（含规则、规范）。