船用导航雷达

船用导航雷达（共4篇）

船用导航雷达 篇1

摘要：接收机灵敏度是接收机设计中的一项重要指标,本文对采用灵敏度频率控制(SFC)技术的调频连续波船用导航雷达接收机展开研究,分析了在不同频率下影响接收机灵敏度的主要因素。

关键词：接收机灵敏度,调频连续波雷达,灵敏度频率控制

船用导航雷达的主要用途是探测海面目标,避碰和导航,是船舶航行、进出港不可缺少的工具,在船用电子设备中占有重要地位。一般的导航雷达基本采用脉冲模式,相比于脉冲模式的雷达系统,调频连续波(FMCW)系统的主要优点在于采用简单结构就能获得较高的距离分辨率,携带方便,且系统在发射时不需要很高的发射功率。由于FMCW雷达目标距离范围较宽,距离动态变化大,常采用灵敏度频率控制技术(SFC)技术来限制中频信号的输出动态范围,不同频率对应着不同增益,本文对此展开研究,分析不同距离下限制接收机灵敏度的主要因素。

1 接收机的灵敏度计算

对于普通的接收机,其灵敏度是主要是由以下因素决定的:模拟前端的增益、噪声系数,ADC的灵敏度(噪声底限),信号处理的带宽。接收机的灵敏度受ADC和模拟前端共同影响,可由下面公式表示:

Pmin=PDmin/G+PAmin,其中:

PDmin=PDmax-(SNR)ADC-10log(Fs/2B)

PAmin=-174d Bm+NF+10log B

符号意义:

Pmin:数字接收机总的灵敏度

PDmin:ADC的灵敏度(噪声底限),PDmin/G则表示其等效到接收端口的灵敏度

PAmin:模拟前端等效到接收端口的灵敏度

B:带宽(Hz为单位),一般指FIR滤波器的带宽

G:模拟前端的增益

可见增益很大时,或噪声系数很大时,模拟前端是灵敏度主要限制因素,反之则ADC性能成为制约灵敏度的瓶颈。

这一系列灵敏度计算公式,只适用于一个“理想”的接收机,此接收机模型基于以下假设:

1)无外界干扰,射频前端接收的噪声源来自热噪声,高斯分布。

2)数字信号处理带宽(噪声带宽)等于信号的带宽。

3)接收信号功率在信号带宽上平均分布。

4)在此带宽内NF及增益近似于不变。

2 船用导航雷达灵敏度分析

船用导航雷达不同于一般接收机,上面提到的约束条件,船用导航雷达并不完全满足。下面以FMCW雷达某个工作模式为例,具体分析。

假设条件:距离50m时大船返回功率为-14d Bm,小船减去20d Bm;同一艘船,由于反射截面的不同,造成的与接收天线的距离差别典型值为50m。调频速率:9.6MHz/ms,作用距离50m~27780m。可以计算出拍频后的信号频率为3.2k Hz~1778k Hz。

2.1 调频连续波航海雷达信号的带宽

为了接收处理此量程的全部航船返回的信号,数字处理模块FIR滤波器的带宽最窄为1778k Hz。但是,这并不是调频连续波航海雷达接收机的信号带宽。理想航船(全部反射面与雷达接受天线的距离都相等)的返回信号进行拍频后应该是个点频。但是这种情况是不可能出现的。船体造成距离的差别我们现在假设一个典型值是50m,也就使得拍频后的信号有一个3.2k Hz的带宽。对于后期频率识别的数字处理来说,最坏情况莫过于接收信号的总功率平均分布在这个3.2k Hz的带宽上,为了保守计算,我们就假设信号功率是在这个3.2k Hz的带宽上平均分布的。所以我们可以这样描述调频连续波航海雷达的接收进行拍频后信号:

拍频信号可能出现在3.2k Hz~1778k Hz(50m~27780m)的频带上,数字模块要随时准备处理这个频带上的任意频率的信号。但是对于每个航船反射的信号拍频后来说,其带宽为3.2k Hz。航船反射后的信号,其拍频后的信号在f0~(f0+3.2k Hz)的窄频段上,对应接收天线上的射频波段为(9.4GHz+f0)~(9.4GHz+f0+3.2k Hz)。f0可以出现在3.2k Hz~1778k Hz频带上的任意波段,但是,对于定时刻的一个航船来说,它是固定的。此时只要输入功率大于这个窄信号对应得系统灵敏度即可,并不要大于整个1.77MHz内的的灵敏度。所以用来计算灵敏度的信号带宽应是3.2k Hz。并不是调频宽度(9.6M)或者Fir滤波器宽度(1778k Hz)。

2.2 调频连续波航海雷达信号的增益

为了实现动态压缩,该船用雷达采用了SFC技术,在1778k Hz内,不同频率对应着不同增益,而增益影响灵敏度的最直接体现就是ADC灵敏度等效到射频前端的的大小。增益越小,ADC的制约越严重。计系统灵敏度时,可以保守计算:即采用f0~(f0+3.2k Hz)窄频带上的最小增益来计算。同样,由于SFC的影响,在此1778k Hz内,不同频率对应着不同NF。而NF影响灵敏度的最直接体现就是模拟前端等效到输入端口的热噪声的大小。NF越大,模拟前对系统灵敏度的影响越严重。计算系统灵敏度时,可以保守计算:即采用f0~(f0+3.2k Hz)窄频带上的最大NF来计算。

2.3 调频连续波航海雷达灵敏度的计算

对于一被探测船的回波(9.4GHz+f0)~(9.4GHz+f0+3.2k Hz),对应得拍频为f0~(f0+3.2k Hz),根据以上分析,下面给出调频连续波航海雷达灵敏度的计算公式:

Pmin=PDmin/Gmin+PAmin

其中:PDmin=PDmax-(SNR)ADC-10log(Fs/2B)

PAmin=-174d Bm+NFmax+10log B

Gmin为(9.4GHz+f0)~(9.4GHz+f0+3.2k Hz)频带上的最小增益,在本系统中为频率为(9.4GHz+f0+3.2k Hz)的接收信号对应得增益。

NFmax为(9.4GHz+f0)~(9.4GHz+f0+3.2k Hz)频带上的最大噪声系数,在本系统中为频率为(9.4GHz+f0)的接受信号对应的噪声系数。

B为信号带宽,经上文分析为3.2k Hz。

系统基于AD9220(满量程5Vpp,SNR 70 d B)的出的计算结果如下:

可见低频(近距离)主要制约是ADC性能,高频(远距离)主要制约是模拟前端。由上公式,可近似的把交点以前的ADC制约灵敏度,和交点以后的模拟前端制约灵敏度作为整个系统的灵敏度。

此系统在近距离情况下,很好的满足了灵敏度要求。在远距离情况下一定程度小的船无法检测出。

3 结论

在采用SFC技术的调频连续波导航雷达接收机设计中,对近距离小目标的检测,由于系统增益低,ADC电路的设计制约着接收机灵敏度,远距离的情况下,接收机前端噪声系数决定了接收机的灵敏度。

参考文献

[1]何李元,葛家龙,朱卫东,等.调频连续波雷达灵敏度频率控制技术[J].现代雷达,1998,20(3):92-95.

[2]James Tsui.宽带接收机数字技术[M].电子工业出版社,2002.

[3]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.

船用导航雷达 篇2

目前, 全球经济趋于一体化, 航运业迅猛发展, 船舶数量急剧增加, 与此同时海难、海损事故也随之增加, 给广大海员的生命安全、国家财产和海洋环境造成严重威胁。为加强航行安全, 保护海洋环境, 船舶间、船岸间信息的充分、快速、准确交换就显得尤为重要和突出。

1 船用导航雷达的功能和特点

1.1 雷达在应用中的优势

伴随船舶数量的激增, 船舶发生碰撞事故的事故率也是有增无减, 因此, 如何实现船舶间的协调行动, 避免船舶碰撞就显得异常重要。雷达作为船舶避碰的主要助航仪器, 一直发挥着重要的作用。雷达是自主式导航设备, 可以扫描到海面上的具有一定大小的物标并将其回波显示在雷达显示器上, 使物表和本船的相对位置关系一目了然, 让操作者获得较为全面的交通形式图像。通过对物标船的标绘, 可以判断物标船和本船是否存在碰撞危险, 更可以求取避让措施, 核实避让行动的效果。

传统的船舶避碰是用眼睛实际观察周围船舶的运动态势, 进而凭借经验采取改向或变速措施来实现船舶间的安全避让。不难发现, 传统的避让方法受能见度的影响较大, 比如海上大雾天气, 航海人员仅凭肉眼能观测到的距离大大减小, 有时甚至会减小到几十米, 如此就不能实现安全航行的目标。而有了雷达就大不相同, 雷达受能见度影响小, 精度高 (30米左右) , 决策时间短 (通过雷达自动标绘仪-ARPA跟踪物标并求取避让措施仅需3-5分钟时间) , 雷达的探测距离可以达到10-20海里, 驾驶员的工作负担大大减轻。

1.2 雷达在应用中的局限性

尽管雷达在应用中有上述的优势, 但其局限性也不容忽视。在恶劣天气下, 雷达容易受海浪和雨雪干扰产生杂波;相同频率或频率接近的雷达在近距离时也会产生同频雷达干扰杂波;雷达存在30-50米的固定盲区;受船上大桅等的影响会产生扇形阴影区;受复杂情况影响雷达会产生多次扫描假回波、二次扫描假回波、间接反射假回波以及旁瓣回波等假回波。上述所有的这些干扰杂波和假回波在实际使用时往往会让操作者难以分辨或影响观测, 进而对航行安全产生错误的导向。雷达的方位分辨力弱, 测方位精度差, 一般方位误差在1°左右, 且随量程变化而变化。依附于雷达的雷达自动标绘仪 (ARPA) 存在错误录取、漏录取、录取和显示容量限制、目标信息量少、目标丢失、目标交换、无法识别目标等固有缺陷。雷达对驾驶员操作维护能力要求较高, 有效的雷达观测和雷达自动标绘需要建立在良好维护的设备和精良的操作技术基础上。上述所有的这些都是雷达的局限性, 在使用中需特别注意。

2 船用AIS的优势与局限性

2.1 船用AIS的功能优势

自动识别系统 (Automatic Identification System, AIS) , 是基于卫星定位的设备, 精度稳定在5-30米。该系统无需人工维护和参与, 能够自动发射和接收船舶识别和航行相关信息, 通信可靠性高, 不受气象海况影响, 不会因杂波干扰而丢失小物标。信号覆盖范围可以扩大到河道和水流弯曲处以及障碍物之后等雷达无法探测到的区域, 跟踪稳定性和可靠性高。AIS不存在盲区, 定位精度高于雷达, 且不因目标距离和方位变化而变化。船载AIS能自动识别船舶, 信息量大, 大大提高船舶在复杂条件下安全航行的能力。AIS设备不存在录取容量限制, 不会发生目标交换现象。AIS作用距离一般在15-30海里以上, 发现远距离物标能力强。AIS成为继雷达之后最重要的避碰助航系统。此外, AIS设备的图标还可以实现类似电子海图显示及信息系统 (ECDIS) 的漫游和缩放显示, 方便驾驶员对目标的观测和海域交通态势的了解。

2.2 船用AIS的局限性

尽管AIS有上述的诸多优点, 但是系统在管理实施和技术上仍有内在局限性。一些岛屿等大的障碍仍然会使AIS形成信号盲区, 在航行实践中也会产生目标丢失等现象。并且并非所有船舶都安装AIS设备, 这就使得一些未安装AIS设备的小船无法被本船AIS探测到, 给航行安全埋下隐患。

3 船用雷达和AIS综合应用的优势

下面就二者综合使用的优势归纳如下:

3.1 用AIS协助雷达跟踪目标, 可以扩展雷达远、近距离的探测范

围, 加强远、近水域、狭窄和拥挤水域的瞭望, 增强雷达的可靠性和雷达信息的参考价值, 提高雷达的性能和观测效率, 加强雷达预报危险的功能, 避免或减少海上紧迫局面和碰撞事故的发生, 促进海上航行安全。

3.2 通过信息融合技术, 将AIS跟踪的目标的信号显示在雷达显

示器上, 从而可以使ARPA跟踪的目标的船名等信息显示在雷达显示器上, 让驾驶员可以非常直观的看到本船周围的船舶的信息, 进而根据船名等信息直接用VHF电话和来船进行语言交流, 协调避让行动, 保证航行安全。这样就省去了驾驶员根据雷达屏幕上物表回波的位置来确认来船的繁琐步骤, 为驾驶员从容地把握局势赢得了时间, 减轻了驾驶员的工作负担。

3.3 在船舶交管系统 (Vessel Traffic Service, VTS) 中同时安装AIS

和雷达设备, 可以减轻交管人员的工作负担, 让交管人员精确的锁定过往船舶, 防止物标丢失, 对综合协调船舶的行动奠定基础, 使船舶在接受交通管制时就从容有序, 实现安全避让。

3.4 在搜救行动中使用AIS有助于快速搜索海上遇险船舶, 配合

雷达和搜救雷达应答器的使用, 可以快速、准确的锁定和接近遇险船舶, 提高海上搜救的工作效率。

4 雷达和AIS综合使用的局限性及驾驶员在综合使用二者时的注意事项

导航雷达和AIS综合使用虽然表现出极大的优势, 但是也并没有达到完美的境地, 所以航海人员在实际应用中应注意以下几点:

4.1 雷达和AIS在恶劣气象条件下, 其工作可靠性仍然会受到一定程度的影响。

4.2 AIS系统仅对配备有AIS设备的船舶才“可见”, 才能进行充分

的信息交换, 而对未安装AIS设备的船舶, 特别是至少在近几年内还不会安装AIS设备的那些小型船舶和众多渔船就无能为力了。所以在实际航行中, 仍然不能过分依赖雷达和AIS, 而要充分利用人眼睛的直观视觉信息, 让肉眼、雷达和AIS实现有机的结合, 保证航行安全。

4.3 航行中如果只是使用AIS而忽视导航雷达的作用, 则有可能

存在极大的危险。对于雷达, 虽然有其不足之处, 但是其长处和优势也是显而易见。特别是对于那些没有安装AIS的小型船舶和渔船以及那些碍航漂浮物, 也能够显示出其回波。所以AIS的实施并不意味着可以取代雷达。

4.4 在船舶密集区域, AIS图标信息可能使屏幕显示符号繁杂而影

响正常的雷达观测。这就需要驾驶员暂时将AIS目标置于休眠状态或屏蔽AIS目标的显示, 以获得最佳的雷达观测效果。

4.5 鉴于雷达和AIS各有所长, 又各有所“短”, 就要求导航雷达和

AIS必须互补, 配合使用。因为船舶在航行中多一只“眼睛”或多一只“耳朵”, 总会多一份安全。所以驾驶员在航行中应协调配合使用导航雷达和AIS, 以便通过多渠道获得周围船舶的信息, 做出准确和全面的判断, 实现安全航行。

综上, 船舶导航雷达和船载AIS都是重要的助航仪器, 而且随着科技的发展, 其功能会不断改进和完善, 二者综合使用的功能会更加强大, 操作也会更加便捷。驾驶员只有对导航雷达和AIS取长补短, 灵活使用才能发挥出二者的强大功能, 让雷达和AIS更好的服务于航海事业。

摘要：船用导航雷达和船舶自动识别系统 (AIS) 是两部重要的助航仪器, 本文分析了导航雷达和AIS在单独使用时各自的功能和特点, 指出二者在综合应用中所表现出的优势和局限性, 并针对其局限性提出综合使用导航雷达和AIS的注意事项。

关键词：导航雷达,AIS,综合应用

参考文献

[1]王小金.船载AIS和导航雷达在使用中应优势互补[J].航海技术, 2002年第6期.[1]王小金.船载AIS和导航雷达在使用中应优势互补[J].航海技术, 2002年第6期.

[2]应士君.AIS及其应用探讨[M].上海海运学院商船学院, 200135.[2]应士君.AIS及其应用探讨[M].上海海运学院商船学院, 200135.

浅谈船用雷达的组成及性能 篇3

关键词：船用导航雷达,X雷达,S雷达,自动标绘仪,ARPA

船用雷达不同于一般雷达。一般雷达是把自身作为不动点表示在平面位置显示器的中心。但在航海中, 船舶自身在运动, 总是与固定目标或运动目标作相对运动。所以船用雷达是真正运动的雷达, 船舶自身的航速和航向必须要能自动输入到雷达系统中去。下文从雷达的几个组成部分, 较细致地分析一下各部分的作用及相关性能指标, 并初步探讨船用雷达的性能可从哪写方面加以提高。首先简要介绍一下船用雷达的几个组成部分:

1 定时器

定时器也就是触发电路, 它是雷达的指挥中心, 产生周期性的窄脉冲——触发脉冲, 送给以下三个部分。

a) 发射机, 用来控制发射开始;

b) 接收机, 用来控制近距离增益;

c) 显示器, 用来控制计时开始。

2 发射机

在触发脉冲控制下产生周期性的大功率射频脉冲——也叫微波脉冲或雷达波。

3 收发开关

发射时, 关闭接收机, 大功率射频脉冲送天线;

接收时, 接通接收机, 微弱回波能量送接收机。

4 天线

定向收发天线, 将发射机送来的射频脉冲聚成细束集中向一个方向发射, 并接收此方向物标发射回来的雷达回波送接收机

5 接收机

超外差式, 将微弱的回波信号放大千万倍以符合显示器的要求。

6 显示器

显示与测量目标, 目标回波按目标的实际距离和方位显示在显示器上, 并配有测量系统供随时测量。

7 雷达电源

把船电变成雷达所需的中频交流电, 400~2000Hz.

根据上文的简单介绍不难看出, 雷达的基本性能主要体现在发射机、天线和接收机上, 下面来详细地分析一下它们的结构及相关性能指标。

7.1 发射机

7.1.1

发射机的组成, 发射机主要由脉冲调制器、磁控管振荡器和电源 (低压、高压) 几部分组成;

7.1.2 发射机的技术指标,

a) 工作频率:磁控管振荡器产生大功率超高频正弦波, 工作频率就是船用雷达磁控管的工作频率。如:S波段频率为2900~3100MHz;X波段频率为9000~9500MHz;

b) 脉冲宽度:发射脉冲的持续时间, 一般为0.04~1.2μs。随量程改变, 近量程, 窄脉冲;远量程, 宽脉冲。脉冲宽度越窄, 距离分辨率越高, 海浪和雨雪杂波也越小, 盲区也越小。

c) 脉冲重复频率:每秒钟发射的脉冲数500~4000Hz, 也是随量程改变, 近量程, 高频率;远量程, 低频率。

d) 发射功率:指峰值功率, 一般为3~75KW。功率低, 杂波就小, 天线旁瓣干扰也越小, 故障也小一些。

e) 脉冲波形:发射脉冲的包络理想脉冲为矩形, 实际波形比较接近矩形, 越接近矩形, 能量越大, 作用距离越远;前沿越陡, 测距精度越高;后沿越陡, 距离分辨力越高;顶部越平坦, 发射功率和频率越稳定。

7.2 天线系统

主要由隙缝波导天线、驱动电机和传动装置、船首信号发送装置和方位同步发送机以及性能监视器等部分组成。一般来说, 天线隙缝波导越长, 天线的方向性就越好。天线辐射窗面积越大, 天线的增益就越大。天线波束宽度越窄, 目标方位的辨别能力就会得到提高。

7.3 接收机

主要由双功器、微波集成电路、混频器、本振调谐、中频放大器、增益STC、检波器和视频放大器等部分组成。本振调谐是调节本振频率使之比回波频率正好高一个中频, 回波图像最佳。混频器主要是把回波信号与本振信号通过非线性元件混频产生含许多新频率的信号, 经过选频电路选出本振信号与回波信号的差频——中频信号。经过中频放大器、增益STC和视频放大器输出给显示器。

接收机的性能指标有:

a) 接收灵敏度, 是指接收微弱信号的能力。用最小可辨功率表示, 一般10-12~10-12W, 接收机放大量应为106~108W (120~160db) ;

b) 其它如同频带、动态范围、工作稳定性、抗干扰性能、恢复时间等。

除以上说明外, 雷达常配有自动雷达标绘仪即ARPA, ARPA能人工或自动捕捉目标, 捕获后自动跟踪目标并以矢量形式在显示器屏幕上显示目标的航向和航速, 在这里就不细说了。

总的说来, 长期以来, 微波航海雷达的基本结构并无很大的改变, 磁控管发射机、高灵敏度接收机、天线和显示器的工作原理均与以前相同, 但性能和可靠性已经得到改进。应用固态电子技术, 使设备的可靠性有了很大的提高。而且现代船用雷达除磁控管和阴极射线管以外, 其他有源电路元件基本上已全部使用晶体管和集成电路。由于这些改进, 脉冲宽度、磁控管峰值功率和天线波束宽度等关键性指标大幅降低, 从而使雷达的目标分辨力和灵敏度得到大幅的提高。希望我国的船用雷达在以上指标能够取得突破, 提高雷达的性能, 取得较高的市场占有率。

参考文献

[1]中国船舶工业总公司编《船舶设计实用手册》 (电气分册)

船用导航雷达 篇4

关键词：全球导航卫星系统GNSS,接收机,船舶,标准

一、引言

航运承担了全球90%的运输量,也是全球导航卫星系统(GNSS)最早应用的领域之一。包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo在内的卫星导航系统已经建立了其在航海领域完整的技术标准系统,经过多年的发展,标准内容的不断完善、标准的技术要求和测试方法也不断改进。

航海导航是北斗卫星导航系统(BDS)应用的重要领域之一,然而,目前国际、国内尚无船用北斗接收机技术要求和测试方法的行业和国家标准。制定船用北斗接收机的技术标准,推动其国际标准化进程,对我国北斗导航系统的发展具有重要意义。

二、国外相关标准现状

国际船用GNSS设备的技术标准主要由国际海事组织(IMO)和国际电工委员会(IEC)等组织制定。作为联合国下属组织,IMO规定了SOLAS框架下船用GNSS设备的总体要求;而IEC则从产品测试角度,提供了具体的性能指标、测试方法和要求的测试结果,用于指导船用GNSS设备的设计、生产和检验。此外,RTCM、NMEA制定了关于设备接口的标准,IALA负责无线导航系统的标准化,ITU制定GNSS和差分GNSS无线电方面的标准。

IMO关于船用GNSS设备的要求包括:IMO决议A.529(13):1983航行的精度标准、A.694(17):1991GMDSS常规要求、MSC.53(66):1996 GLONASS接收机标准、MSC.112(73):2000 GPS接收设备标准、MSC.114(73):2000船用DGPS和DGLONASS接收设备标准、A.915(22):2001修订的未来GNSS海事政策和要求、A.1046(27):2011 (替代A.953(23):2004)全球无线电导航系统、MSC.233(82):2006船用Galileo接收机标准等。近年来,IMO对GNSS要求主要的变化是按航行区域分别提出了精度、完好性(包括告警门限、告警时间、完好性风险)、可用性、连续性、覆盖范围等方面的要求。

IEC船用GNSS接收机的系列标准包括:IEC 61108-1.-2,-3,分别是GPS.GLONASS和Galileo接收机标准;IEC 61108-4是DGPS和DGLONASS差分信标接收机的性能标准。

1.IEC 61108-1

IEC 61108-1 GPS接收机的技术标准在1996年首次发布,由于美国国防部在2001年更新了GPS SPS信号规格(第3版),定位精度得到提高,所以IEC在2003年修订发布了第二版IEC 61108-1,该标准适应了航海领域对定位技术的新要求,主要有以下新内容:

(1)提高了精度:水平精度为13m,而且提出了航向(COG)、航速(SOG)精度和授时可用性的要求。

(2)提出了对卫星导航完好性的要求:自从美国交通运输部(US DOT)在2001年发布《依赖GPS的交通设施弱点评估》后,GPS的可靠性受到重视,IEC 61108-1新增了接收机自主完好性(RAIM)告警、DGPS完好性告警的要求。

(3)适应高速船的要求:将高速船的航速动态要求提高至70节.相应的更新率提高至2Hz。

(4)提高了GPS接收机抗干扰的要求:根据航空无线电委员会(RTCA) DO-229B标准和ITU-R M.1477建议书,列出了一系列典型干扰环境要求,新增相应测试要求多达4页,体现了对抗干扰性能的重视。

(5)在测试方法上,更加依赖GPS模拟信号源,模拟包括航速、航向、完好性和干扰等各种参数.对接收机的性能进行全面的测试。

2. IEC 61108-2

IEC 61108-2 GLONASS接收机的技术标准与IEC61108-1 (第一版)非常相似,仅定位精度提高至45m,该标准自1998年来一直未修订。

3. IEC 61108-3

IEC 61108-3 Galileo接收机的技术标准在2010年发布,体现了近年航海领域对卫星导航的新要求和技术发展趋势,主要有以下新内容:

(1)提供民用多频公开服务(OS),包括双频(L1+E5a或L1+E5b)和三频(L1+E5a+E5b);提供民用单频和多频生命安全服务(SoL)。在理论上Galileo定位精度等指标满足IMO A.953(23)对各种水域的导航要求。

(2)提高了完好性的要求:完好性是Galileo的重要内容,标准完善了完好性的定量测试指标,并提供详细资料供设计和检测人员理解掌握。

(3)根据IMO决议A.915(22)和A.953(23),增加了对垂直定位精度的要求。

(4)缩短了信号捕获和首次定位的时间。

(5)在测试方法方面,进一步明确了对模拟信号源的要求,一些测试项目必须采用模拟信号源。

IEC海上卫星导航接收机标准的发展如表1所示。

此外.IEC 61162系列标准规范了设备接口要求,IEC60945标准规定了设备环境适应性及电磁兼容性要求。

三、国内相关标准现状及展望

1.国内相关标准现状

海上航行安全问题是海上运输和生产作业的首要问题,关系着人民的生命和财产的安全,我国历来对海上航行安全十分重视,主要标准包括:

《GB/T 15527-1995船用全球定位系统(GPS)接收机通用技术条件》、《SC/T 7008-1996渔用全球卫星导航仪(GPS)通用技术条件(已作废)》、《GB/T 18214.1-2000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》,上述标准与现行国际标准有较大差距。

此外,交通部通信导航标准化技术委员会提出了一系列北斗一号民用车(船)载终端设备标准,包括:《JT/T591-2004北斗一号民用数据采集终端设备技术要求和使用要求》、《JT/T 592-2004北斗一号民用车(船)载终端设备技术要求和使用要求》、《JT/T590-2004北斗一号民用车(船)载遇险报警终端设备技术要求和使用要求》,该系列技术要求统一规范了用于船舶航行安全保障时,北斗一号终端设备应具备的技术条件和使用要求。这对确保海上遇险安全通信的畅通,提高海上安全保障能力,有着极大的推动作用。农业部渔业局、渔政指挥中心提出的北斗卫星导航系统渔业船载设备技术条件,对渔业北斗终端的技术要求和性能指标进行了规范,以保证渔政部门对渔船作业的监督和管理。

2.船用北斗接收机测试标准的展望

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,促进我国卫星导航产业链形成,形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系,推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

航海是卫星导航应用的重要领域,北斗系统形成国际海事领域的应用标准主要需经过三个环节:一是IMO将北斗导航系统认可为WWRNS一个组成部分;二是IMO认可北斗导航系统船用接收机性能标准;三是IEC通过相应的北斗接收机的性能和测试标准。此外,在需要RTCM.NMEA和IALA等组织协调通过相应的技术标准或要求。

201 2年我国《关于北斗应用于国际海事领域的议题》提案在国际海事组织第91届海安会上顺利通过,为后续工作的开展奠定了基础。

3.船舶北斗接收机标准建议

BDS BII公开服务信号内容包含基本导航信息和增强服务信息(北斗系统的差分及完好性信息和格网点电离层信息),适合航海导航应用。另一方面,近年来国际GNSS技术要求有很大的发展,满足IMO和IEC技术标准要求还有很多问题需要解决。

(1) ITU M.1477建议书在2012年被ITU-R M.1903替代,船用北斗接收机需要满足等同机载设备的抗干扰要求,需加强对抗干扰技术的研究。

(2) IMO A.953(23)决议在201 1年被A.1046(27)决议替代,该决议将水上全球无线电导航系统的要求分为两种,在海洋水域(Ocean Water)定位精度应优于100m,在进出港和沿海水域(Coastal Waters)定位精度应优于10m。目前,各卫星导航系统的单频标准定位服务或单频公开服务的精度只能满足海洋水域的定位要求,通过差分增强系统可满足其他水域的导航精度要求。所以需同步进行北斗差分系统标准的制定工作。

(3)标准化是系统工作,需同步开展北斗接收机接口等方面的标准化工作。

(4)标准的技术指标既需要理论计算分析,也需要试验数据支撑,需加快技术准备工作,特别是尽快开展差分北斗/GPS双模播发试验、北斗完好性测试、北斗导航精度的航行测试等技术试验工作。

(5)标准的编制,既要考虑满足产品用户对产品的使用要求和使用条件,又要考虑国内企业的技术现状,还要考虑促进技术进步、赶上国际步伐。标准编制与用户需求结合、与产品研发同步。在初期与航运用户、主管部门、测试机构、生产厂家达成共识,避免标准与产品的使用需求和研制能力脱节,造成资源的浪费。

(6)研究利用北斗增强服务信息,扩大北斗在海上服务水域范围的可行性。

对国内生产厂商而言,需进一步满足抗干扰、接收机自主完好性监视、差分增强等技术性能要求;对标准编制而言,需形成完好性的一整套理论模型和技术指标,建立全面的测试验证环境,引领国内企业率先达到指标要求。

四、结束语

推动北斗卫星导航系统(BDS)在航海领域应用,是提升我国海事航海保障能力及国家安全发展的需要。推进北斗导航系统及船用产品的国际标准化进程,取得IMO认可,并进一步推进其IEC标准工作,不但可以提高我国北斗系统的国际地位,更重要的是可以推进北斗卫星导航系统在航海领域的规范应用,使卫星导航系统与应用技术真正服务于我国航海航运领域。