船用北斗導航系統終端定位性能的檢測驗證

吳曉明

(中國船級社, 北京 100007)

為避免完全依賴全球定位系統(Global Positioning System,GPS)，保障我國的國防安全，加速國家經濟發展，經歷重要困難，我國自主研發了北斗全球定位導航系統(Beidou Navigation Satellite System, BDS)于2012年獲得初步成功,于當年12月對國內、外民用各領域提供區域無源定位、導航和授時服務(北斗二號),并于2020年形成全球覆蓋的服務能力。我國交通運輸業率先推進BDS在船舶導航、監控和救災等領域的全面應用[1]。

鑒于BDS技術是首次接軌國際海運行業的船舶全球導航技術體系，也正全面轉化應用到我國沿海和內河的民用商船以及海船運輸領域中，為保障該船用產品首次應用優質達標，中國船檢作為國家授權的船用產品質量監督檢驗機構，正著力摸索對該高新技術導航產品的定型認可和檢驗驗證把關，以保證向船舶行業提供高質量的國產衛星導航產品。[2-3]由于初始應用不可避免地會出現各種問題，因此船用BDS產品檢驗驗證的科學性和規范化，無疑是海運行業目前應用BDS面臨的迫切問題。本文側重論述船用BDS定位性能檢驗驗證的典型項目、關鍵要求及對突出問題的分析和解決方法。

BDS具有為海上和內河船舶導航提供實時定位、對地航向(Course Over Ground,COG)、對地航速(SOG)和授時等航行基本功能的服務能力(替代GPS定位設備)，已成為導航雷達、船舶自動識別系統(Automatic Identification System, AIS)、計程儀、甚高頻無線電臺和甚至衛星應急示位標等船舶安全航行重要設備正常工作必不可少的技術支撐。目前，IEC船用GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機的標準共有IEC 61108-1、IEC 61108-2、IEC 61108-3和IEC 61108-4等4種,分別表示GPS接收機標準、GLONASS接收機標準、Galileo接收機標準、DGPS和DGLONASS差分接收機標準。我國政府已全力推進國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)將BDS納入4大全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)；其技術性能和配備要求以IMO MSC379(93)決議[4]公布。在此之前，為響應國家推廣該系統倡導將其逐步全面應用于交通運輸領域的船舶導航、監控和救災等服務中的決策，由海事、船檢和水運等部門和單位緊密合作，在沿海和長江流域進行船載BDS應用試驗已開展多年。對原試行規定進行研究和充實完善之后，完成我國船舶法規將BDS定位終端的要求納入實施規定的工作。為BDS應用于國際和國內航行船舶提供法定依據。2016年底我國公布北斗接收機標準，提出了接收機設備性能要求、檢測方法和檢測結果等方面的規定，其中包括設備安裝與啟動、數據有效性、準確性和精度(靜態、動態)等內容。[5]與2013年公布的GPS接收機標準IEC 61108-1相比，二者在衛星捕獲跟蹤性能檢測規定方面的內容一致。在靜態精度檢測方法中，BDS是以CGCS2000坐標系作為參考基準判斷EUT是否正確定位的;而GPS是以WGS 84作為參考基準。同時,在靜態精度合格性的判定上，同樣收集至少24 h的數據，并從其中篩選出HDOP≤4和PDOP≤6的數據進行計算，BDS水平定位精度小于25 m判定為合格，GPS水平定位精度小于13 m判定為合格[6]，但都存在測試方法描述模糊的現象。

中國船級社(China Classification Society, CCS)作為對船用產品執行技術進行監督和檢驗發證的國家機構，承擔著對船用BDS產品的技術驗證和檢驗認可職責，同時面臨著探索民用船舶首次應用與國際接軌的國產BDS技術性能和檢測驗證細節要求的迫切任務。[2]與已在全球海事行業使用近30 a的GPS不同，船用BDS，技術及其試驗無經驗可借鑒，面臨無民用專業檢測機構、需新創建達標等重大困難。CCS主動組織對BDS產品重點廠家的技術宣貫和交流；中加船級社專項組與產品廠、檢測機構深入研究、不斷改進、反復驗證，多方合作，邊摸索、邊創建、邊開展產品技術檢驗，經歷多次研究驗證，克服重重困難，最終完成對BDS達標產品的船檢認可，探索出對重點檢測要求的研究細化和規范化操作。本文就BDS產品的靜態定位、動態定位和衛星捕獲等典型重要技術性能的驗證檢驗共性問題進行簡要分析。

1 捕獲性能試驗要求的解析與確定

規定的技術要求和指標要求如下：

除了受試設備加電和確保天線接收BDS信號時有寬闊視野之外，無其他輔助，在冷態、溫態和熱態等3種狀態下，能捕獲來自衛星的輸入信號，即載波電平在-130～-120 dBm內的衛星信號。捕獲時間限值應符合要求(通過性能檢查來驗證)，見表1。一旦捕獲衛星信號，當衛星信號的載波電平降至-133 dBm時，設備應繼續正常運行。

表1 捕獲性能試驗要求

在實際進行現場捕獲試驗時，發現試驗規定中的要求不夠清晰、存在問題，如：樣機檢測以冷啟動、溫啟動后第1個數據為基準開始計時，可能與技術規定的本意有偏差，由于規定的方法、步驟不具體，可能導致各型樣機(Equipment Under Test, EUT)在確定從數據接收到實際定位時，因基準設定、定位數據接收量和集散性未統一界定，導致樣機試驗數據千奇百怪，無法判定定位從何時算起。行業和檢驗專家結合實際，在反復研究之后提煉出較科學合理的檢測方案,即:啟動后通過軟件計算確定樣機接收第1個定位數據，以此數據開始連續記錄，計算前100組數據，若滿足95%置信率，即認為第1個定位準確數據時間為啟動時間;若不滿足，則自動向后移位選取100組數據計算，直到某100組數據滿足95%置信率時,才認為是有效數據。這100組數據的第1個數據計時為啟動時間，若啟動時間符合表2，即認為合格，否則EUT進行該試驗失敗。

2 “典型干擾試驗驗證”數據采集要求的解析與確定

在“導航精度測試”一項中，按2 min采集20組數據還是按船舶法規附件2中的要求“每2 min記錄一次EUT的定位數據，共采集20組數據”的理解完全不一致。結合實際，鑒于重捕獲測試，增加60 s內測試的要求。之前專家研究的結論已明確“要在信號恢復60 s內連續獲得滿足精度要求的速度和時間”，因此，在60 s之后應進行性能檢測。參照標準的原文：“When steady-state accuracy is reached, record a minimum of 20 position and HDOP values as reported by EUT at a rate of one sample every 2 min.”按標準原文理解，“a minimum of 20 position and HDOP values”可認為是“one sample”，然后記錄多少個2 min，也可有不同理解，具體要求不明確。

為此，根據實際可行，統一驗證做法：每2 min測1組數據，1組包含至少20個位置信息和HDOP值；對規定要求的每種干擾場景測1組，若滿足95%置信度要求，即認為合格，該項測試完整過程大致需要0.5 h。

3 動態試驗要求的解析與確定

測試時間原規定為至少2 min，經實際操作存在問題；實際在高動態情況下，由于EUT捕獲時間比較長，如BDS樣機進行0～48 kn動態運動時測試，一般需要5～10 min，不同的EUT時間可能不一致，因此，在2 min內無法測得完整合理的數據，故參照時間速度曲線圖見圖1，經專家商議，將檢驗規定附件2中測試時間從2 min改為15 min比較合理，實際可行。速度變化是在測試前接收機已鎖定信號(完成捕獲跟蹤)，1 min內從0 kn加速到48 kn，再保持2 min，見圖1。

4 靜態定位測試中的問題

對帶有BDS模塊的衛星應急示位標產品船檢認可期間，依據《我國船舶法規2016》附錄中“應急無線電示位標技術和試驗要求”，需對北斗示位標樣機進行“靜態定位精度”(內置BDS模塊)的測試。該測試是驗證北斗衛星示位標中RNSS定位模塊在實際信號環境下，在靜態狀況下接收解算其所在位置的定位精度，即EUT偽距單點定位結果與已知點位坐標相比的誤差值。原靜態定位精度測試連接圖見圖2。

4.1 測試方案

試驗開始之前用高精度接收機標定北斗樣機天線安裝點的坐標，或采用經權威機構標定的基準點作為實際位置坐標點。將樣機的定位模擬天線設置于此，再將定位導航天線與射頻線纜相連接，將接收信號輸入至屏蔽暗室內，使得屏蔽暗室內的北斗樣機能接收到GNSS定位導航信號。樣機開機之后，將接收并解算后的定位信息通過數據線傳輸至測控計算機內，測控計算機接收并存儲示位標上報的定位信息。最終通過統計定位信息評估，得出對北斗樣機實測的靜態定位精度(類同BDS導航接收機)。

4.2 評估方法

在測試BDS的RNSS定位精度時，需注意所用衛星的精度因數。HDOP值是接收設備測試時用的可視衛星星座可用性的標志，若HDOP≤4，可認為滿足測試條件；若PDOP≤6，則PDOP用于描述空間幾何坐標系。利用模擬器測試定位精度，應收集篩選處于HDOP≤4和PDOP≤6的數據。剔除后的定位數據參與定位準確度的解算，將參與解算的定位數據與標定的已知位置值相比，計算定位準確度。

4.3 數據處理

將被測模塊輸出的大地坐標系(Lenth Breadth Height, BLH)定位數據轉換為站心坐標系(Eeat North Universe, NEU)定位數據。計算各歷元輸出的定位數據在站心坐標系下各方向(NEU方向，即北東天方向)的定位誤差，為

(1)

式(1)中：ΔNi、ΔEi、ΔUi和ΔHi分別為第i次實時定位數據的N、E、U方向和水平方向的定位誤差(i=1，2，…，n)，m；Ni、Ei和Ui分別為第i次實時定位數據的N、E、U方向分量，m；N0i、E0i和U0i分別為第i次實時定位的標準點坐標N、E、U方向分量，m。

計算站心坐標系下各方向的定位偏倚，為

(2)

計算定位誤差的標準差為

(3)

式(3)中：σN、σE和σU分別為定位誤差的標準差在N、E和U方向的分量，m；σH為定位誤差的標準差在水平方向的分量，m。

計算置信概率為95%的定位精度。對于水平方向，在隨機誤差接近正態分布時，可取置信因數k≈1.74，或取其安全的近似值k=2(水平誤差落在半徑為2σH的圓內的概率在95.4%～98.2%，具體值取決于誤差橢圓的軸比，2σH值通常作為水平誤差大小的95%界限)。測試步驟為

1) 將導航天線架設在室外坐標點已知的基準點位上。

2) 將導航天線接收到的實際衛星信號通過射頻線纜傳至室內屏蔽暗箱內的發射天線。

3) 將被測示位標放置在屏蔽暗箱內并開機，使示位標樣機能接收屏蔽暗箱內發射天線轉發的實際衛星導航信號。

4) 將示位標的定位輸出串口與測控計算機連接。

5) 北斗示位標以1 Hz速率實時輸出解算的位置信息至測控計算機，測控計算機存儲位置信息。

6) 北斗示位標正常定位15 min后正式開始測試，測試時間為24 h。

7) 將24 h的數據進行試驗標準差統計，得到被測示位標的靜態定位精度。

靜態定位精度的驗證合格要求為：BDS水平定位精度小于25 m判定為合格；BDS垂直定位精度小于30 m判定為合格；GPS水平定位精度小于13 m判定為合格。

在采用實際樣機對該項目進行測試過程中發現，BDS樣機輸出上報給測控計算機的輸出定位信息顯示：跟蹤衛星的信噪比很低，且有很多時間段顯示處于“未定位”狀態，即EUT動態定位測試失敗。

4.4 問題分析

由于該BDS定位模塊在其他有關導航的項目中的測試都很順利，因此暫時排除樣機性能故障的原因。根據描述的現象，經測試組人員仔細檢查發現，樣機上報的信息并非全是“非定位”信息，而是部分存在定位信息，只是接收衛星的功率較差。在檢查并排除線纜和接頭損壞的可能性后，測試組人員經分析得出的結論：導航信號在通過射頻線纜、發射天線和屏蔽暗室內的空間衰減后，信號的能量總衰減過大，其功率已衰減至示位標無法完成正常的定位解算。這一現象不能歸咎于示位標天線的RNSS接收能力，因為在BDS官方ICD文件中規定，衛星信號的落地電平不得低于-133 dBm。

進一步問題排查：利用實驗室的標準導航接收機替代示位標，進行重新試驗。試驗結果表明標準導航接收機在同樣的環境下也無法完成定位。這證實屏蔽暗室內的實際衛星導航信號的功率已嚴重低于可接收信號的功率電平。

4.5 分析整改

由于室外的接收天線接收導航信號后，通過較長射頻線纜將實際信號傳輸至屏蔽暗箱內的播發天線，整個鏈路可能導致實際導航信號功率的衰減。為補償鏈路信號功率的衰減，可在接收導航天線與屏蔽暗室內的發射天線之間，增加一個功率放大裝置，使接收的靜態定位精度導航信號通過放大后播發，以彌補鏈路功率損耗過大的不足。具體的整改方案見圖3, 整改后的試驗驗證、測試方法和測試步驟不變。將標準接收機和示位標樣機分別接入試驗，對比發現2者均能進行正常定位，且衛星載噪比能達到約40 dB/Hz，說明接收到的衛星信號狀態良好。因此，當測試條件正常時，北斗示位標樣機的靜態定位精度結果能滿足技術指標要求。

5 樣機的動態定位精度測試

根據《北斗系統測試大綱》中對BDS定位模塊樣機的要求，對其進行“動態定位精度”測試，驗證BDS在模擬信號環境下，EUT輸出定位信息與同一時刻標準位置數據的偏差(動態工況下樣機的定位精度)。動態測試分別在2種動態場景下進行。

5.1 動態場景1

初始速度為0，在1 min時間內從0加速至48 kn并保持勻速，以48 kn的速度沿直線運行至少2 min，隨后在5 s內沿同一直線將速度降到0，保持靜止狀態10 s。

5.2動態場景2

初始速度為0，在1 min時間內從0加速至24 kn并保持勻速，以24 kn的速度沿直線航行至少2 min，隨后在至少2 min內在直線2側2 m內以11～12 s周期均勻偏移。連接方式見圖4。具體測試步驟描述為

1) 按下列要求將衛星軌道、衛星鐘差、電離層時延和對流層時延等誤差參數設置為無時變誤差模式；衛星星座設置為BDS B1模式，不少于9顆可見BDS衛星，滿足HDOP≤4，PDOP≤6；測試系統輸出信號至北斗示位標天線口面信號功率設置為-125 dBm；測試環境均規定縱向加速度為5 m/s2，橫向加速度為6 m/s2。

2) 選擇動態場景1：初始速度為0，在1 min時間內速度從0加速至48 kn并保持勻速，以48 kn的速度沿直線運行至少2 min，隨后在5 s內沿同一直線將速度降到0，保持靜止狀態10 s。

3) 測試系統控制EUT加電，EUT接收測試系統輸出信號之后，實時輸出定位結果至測試系統。測試時間為135 s。

4) 選擇動態場景2：初始速度為0，在1 min時間內速度從0加速至24 kn并保持勻速，以24 kn的速度沿直線航行至少2 min，隨后在至少2 min內在直線兩側2 m以內以11～12 s周期均勻偏移。

5) 測試系統控制EUT加電，EUT接收測試系統輸出信號之后，實時輸出定位結果至測試系統。測試時間為255 s。

(1) 合格判據：動態場景1和動態場景2測量結果均滿足下列要求時判定為合格，即：BDS定位鎖定，水平定位精度小于25 m，垂直定位精度小于30 m為合格。但是，在順利完成動態場景1測試之后進行動態場景2的測試時發現，被測的BDS樣機不能正常定位。

(2) 問題分析：在排除示位標自身可能存在的故障的同時，測試人員分析：動態場景1與動態場景2的啟動方式相同，使用的儀器設備也相同。被測示位標在動態場景2的測試中無法定位，最大的可能性是示位標在進行動態場景2的測試時，其內部還保存著動態場景1的信息，導致無法正常定位。

(3) 問題排查：示位標在進行一個場景的測試之后，必須清空內部存儲的星歷、概略位置和概略時間等信息，否則當進行下一次測試時，若星歷、概略位置和概略時間等信息發生變化，將無法進行定位。因此，在每次進行測試之前，需對被測的示位標進行冷啟動操作，以保證內部信息被清空。利用實驗室模擬導航信號環境進行重新測試，當先測試動態場景2再測試動態場景1時，動態場景2可正常定位，但動態場景1無法正常定位。

(4) 整改措施：在每項測試之前，向被測示位標發送冷啟動指令，使其清空內部信息。由于不同廠家生產的示位標內部的定位模塊并不相同，因此不同廠家的冷啟動指令也不完全相同，測試人員在探尋各廠家的冷啟動指令之后，對各臺示位標進行單獨操作。整改之后的測試步驟中，第5步增加1條，即“測試系統控制北斗示位標加電，通過測控計算機向被測示位標發送冷啟動指令，使被測示位標清空內部信息。在北斗示位標接收測試系統輸出信號后，實時輸出定位結果至測試系統。測試時間75 s?！闭闹笾匦聦Ρ粶y的示位標進行試驗，發現均能進行正常定位，說明測試條件的整改措施合理、有效。最終評估示位標動態定位精度滿足指標的要求。

6 結束語

綜上所述，隨著國際海事領域船舶導航高新技術產品快速電子化、集成化發展，BDS作為船舶安全導航和節能高效、精準避碰等航行及綜合系統的關鍵技術支撐，在國際公約和國內船舶法規中都明確規定強制實施的要求，這對推動BDS在國內外航海和水上船舶中的應用提供廣闊市場和大好前景。全面、正確掌握BDS系統技術要求和關鍵性能檢測驗證方法，為船舶提供高質量BDS產品，對在全球推廣應用BDS導航產品有著重大現實意義，是對我國海運強國建設的有力保障。