GPS标准现状及体系分析

Analysis on the GPS Standards and Specifications
Xiaohong ZHU1, Rui XU1, Zhaoxia XU1, Xin ZENG1
Bdijing Global Information Application Development Center, Beijng, China
Email: zhuxh_kathy@
Abstract:In this paper, the GPS standards and specifications are described and analyzed in detail. And the architecture for GPS standards is proposed by using the methods of classification, inductive reasoning and comparison. Some suggestions are put forward for building the COMPASS standard structure.
Keywords: GPS; standard and specification; architecture；analysis
GPS标准现状及体系分析
朱筱虹1，徐瑞1，许昭霞1，曾欣1
1
北京环球信息应用开发中心，北京，中国，100094
Email: zhuxh_kathy@
【摘要】GPS是目前技术最先进、应用最广泛的全球卫星导航定位系统，随着GPS技术及产业化发展，
国内外发布了大量的GPS相关标准。

文中梳理了现有GPS标准内容，对GPS的标准内容进行分类、归纳、
比较，分析了GPS的标准体系结构和GPS标准内容；在此基础上针对COMPASS的发展建设，提出了建
立我COMPASS标准体系结构以及制定标准内容的建议。

【关键词】GPS；标准体系；现状；分析
1 引言
GPS[1,2]是目前唯一能够独立提供全球导航、定位与授时服务的卫星导航系统，该系统1973年12月批准立项，1993年7月完成24颗GPS卫星组网，1995年4月达到完全运行能力。

GPS已经深入到现代军事和国民经济的各个方面，已有的其他卫星导航系统在作改进时，新研制的卫星导航系统进行体系设计时，都以GPS作为蓝本或参照，并在尽可能的条件下与之兼用[2]。

近年来，GPS系统应用已经深入到各行各业，呈现无孔不入的景象，各个行业对GPS系统的依赖日益明显，GPS系统及其相关技术也呈现出飞速发展的势头，取得了显著社会效益和经济效益。

随着GPS应用的逐步深入及应用领域的逐渐拓展，国内外发布了大量GPS相关标准，但这些标准制定的范围广泛、相对零散、不成体系，急需开展GPS标准现状的研究，理清GPS标准现状对开展我国卫星导航标准化工作有重要的现实意义，对建立我国卫星导航系统标准体系有重要的参考价值[3]。

参考文献[3]梳理了GPS系统国内外相关标准情况，本文在参考文献[3]的基础上，运用分类、归纳和比较的方法分别从标准体系结构和标准内容两个方面对中美两国已经发布的GPS标准进行了比较分析，给出了建立我国卫星导航系统标准体系结构的建议及制定我国卫星导航系统标准的建议。

2 GPS标准体系结构分析
美国是GPS系统的开发研制国，截止到2011年，美国发布的GPS相关标准主要包括GPS系统相关标准、差分GPS标准、GPS增强系统标准及GPS兼容互操作标准4类，共38项标准。

经过归纳与分析，美国发布的GPS系统标准可分为工程标准和应用标准两大类。

其中，发布的工程标准是与系统建设相关的接口要求类标准。

应用标准由用户设备标准和系统服务标准组成，用户设备标准类标准主要有技术要求和接口要求，系统服务类标准都是应用服务系统的技术要求。

美国发布的差分GPS标准是应用标准，属于系统服务标准的接口要求类标准。

美国发布的GPS地基增强系统(如LAAS)标准由工程标准和应用标准组成，其中，工程标准是系统建设标准的技术要求和接口要求，应用标准是用户设备标准和系统服务标准的技术要求。

美国发布的GPS星基增强系统(如WAAS)标准都是应用标准，这主要是因为广域增强系统不需要额外建立单独的系统，因此，没有工程标准，WAAS应用标准是用户设备类和系统服务类的技术要求。

美国发布的GNSS兼容标准属于工程标准的系统建设类标准，是试验评估标准。

美国发布的GNSS互操作标准是应用标准，包括用户设备类和系统服务类的技术要求。

根据美国发布的GPS相关标准，归纳分析后得出了标准体系结构图，见图1所示。

截止到2011年，我国发布的GPS相关标准主要包括GPS系统相关标准、差分GPS标准、GNSS互操
作标准、GPS 组合导航标准和GPS 综合导航标准5
类，共计70项标准。

经过归纳分析，国内发布的GPS 系统标准可分为
通用基础标准和应用标准。

通用基础标准包括术语定
义标准，应用标准由用户设备类和行业服务类标准组
成，其中用户设备类标准包括设备的技术要求、接口
要求、测试检定和维修要求等，行业服务类标准包括
内发布的差分GPS 标准、GNSS 互操作标准、GPS 综合导航标准都是应用标准，其中，差分GPS 标准属于系统服务类标准的技术要求和测试规程；GNSS 互操作标准包括用户设备类的技术要求、接口要求和检定规程以及系统服务类的技术要求和接口要求；GPS 综合导航标准包括系统服务的技术要求和试验规程。

根据国内发布的GPS 相关标准，归纳出的标准体系结构
Figure 1. Diagram of GPS standard and specification( issued by USA) structure
图 1.美国发布的GPS 标准体系结构图
Figure 2. Diagram of GPS standard and specification( issued by China) structure
图 2.我国发布的GPS 标准体系结构图
通过对中美两国发布的GPS 相关标准形成的标
准体系进行归纳总结，可以得到以下3点启示：
1）因为美国GPS 系统标准体系发展比较完善，
已经形成了一种体系，初具规模，因此，在设计我国卫星导航系统标准体系时，可充分借鉴GPS 系统已经形成的标准体系结构。

2）美国的GPS 系统标准体系由工程标准和应用标准组成；我国的GPS 系统标准体系由通用基础标准
和应用标准组成，可以将中美两国的这两种体系结合起来，即GPS系统标准体系由通用基础标准、工程标准和应用标准组成。

COMPASS标准体系在工程标准和应用标准的基础上也应包括通用基础类标准。

3）对于工程标准，目前美国GPS系统只发布了与系统建设相关的接口要求，这并不能涵盖卫星导航系统工程研制建设的整个过程，因此，在建立我国卫星导航系统工程标准体系时，应根据我国卫星导航系统工程研制建设的实际需要，构建工程标准体系。

对于应用标准，参考GPS系统应用标准情况，可以具体分成用户设备标准和系统服务标准。

综上所述，我国卫星导航系统标准体系结构应该由通用基础标准、工程标准和应用标准组成，其中应用标准又可具体划分成用户设备和系统服务两类。

3 GPS标准制定内容分析
美国和我国发布的GPS相关标准制定情况比较如表1所示。

从目前国内外发布的GPS相关标准来看，主要有如下几类组成：
第一类是GPS单一系统的标准。

这部分标准数量最多，国内外制定的GPS单一系统的标准基本可以分成通用基础、工程标准和应用标准三大类，通用基础标准只有术语定义这一种标准，国内先后发布了2个卫星导航术语类标准。

工程标准中的ICD文件由美国发布，包括了空间段与用户段接口以及地面控制段与用户段接口。

应用标准主要可以归纳成用户设备类和系统服务类两种。

其中美国发布的GPS用户设备类标准主要集中在航空机载设备和航海设备上，对于航空机载设备，美国RTCA专门成立了SC-159委员会，FAA负责组织制定了一系列机载设备的最低操作性能要求标准；对于航海设备，RTCM制定了RTCM0183协议，目前，市面上的GPS接收机基本上都遵循这一标准。

美国发布的GPS系统服务类标准主要集中在性能服务标准上，特别是GPS性能服务标准（SPS、PPS）等，规定了GPS民用和军用的系统性能、功能特点和使用要求等，规范了授权用户与非授权用户对GPS的合理使用。

我国也发布了大量的GPS应用标准，主要集中在各行业对GPS的不同使用上。

第二类是GPS差分增强标准。

这类标准的发布都是随着差分卫星导航定位技术的发展而不断演进，该技术的采用主要是为了应对美国的SA政策，SA政策的实施影响了GPS的定位精度，难以满足航空、航海等用户的定位需求，因此，美国的各民用部门部署了各种差分和增强系统来进一步提高GPS系统的导航定位精度，是对GPS自身系统精度的改善和提高。

对于差分GPS标准，国内外都有标准出台，其中，美国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。

对于GPS增强标准，由于LAAS和WAAS 系统是美国FAA研制的增强系统，主要用于满足民航飞机从航路到精密进近着陆的导航需求。

因此，FAA 组织制定了一系列WAAS和LAAS系统及相关导航设备标准。

第三类是GNSS兼容互操作[4]标准。

发布这类标准的目的是为了合理地充分利用以及共享多卫星导航系统之间的资源，该类标准强调的是GPS与其他卫星导航和导航增强系统之间的卫星导航信息利用与共享。

这方面标准中，美国出台的较多，集中在机载接收机频率兼容和航空机载设备及系统的互操作上。

我国在接收机频率兼容方面还没有标准出台，在互操作方面，主要集中在GNSS接收机、GNSS CORS和GNSS 完好性监测等方面。

第四类是GPS组合导航[5]标准。

这类标准强调的是GPS与其他导航系统组合，充分利用不同导航手段的互补性提高导航定位精度，满足一些特殊用户的需求。

目前，找不到美国发布的GPS组合导航标准，既受互联网搜索条件的限制，也和这部分标准所具备的保密性有关。

我国制定的GPS组合导航标准都是军用标准，主要应用在舰船、潜艇和军用飞机上。

图3.美国发布的GPS系统标准体系内容
Figure 3. Block diagram of GPS standards and specifications ( issued by USA)
图4.我国发布的GPS系统标准体系内容
Figure 4. Block diagram of GPS standards and specifications ( issued by China)
第五类是GPS综合导航[6]标准。

这类标准强调的是GPS等导航系统与其他指挥控制、通信、监视等系统共同使用，以达到最佳使用效果的目的。

我国在舰船综合导航领域出台了一些标准。

通过对美国和我国发布的GPS相关标准内容进行归纳与分析，给出了美国发布的GPS系统标准体系内容和我国发布的GPS系统标准体系内容框图，如图3、图4所示。

通过对美国和我国制定的GPS相关标准内容的
对比分析，可以得到以下6点启示：
1）在制定北斗卫星导航系统的工程标准时，一类重要的标准就是接口控制文件，到目前为止，GPS系统已经发布了空间段和用户段、地面段和用户段的ICD文件，因此，在我国卫星导航系统建设过程中，也要推进接口控制文件的发布和宣贯，并随系统的不断发展而完善，特别是空间段与用户段之间的接口应该作为国家标准发布实施。

2）在制定我国卫星导航系统用户设备标准时，应参考美国和我国GPS用户设备的分类和标准制定情况，即我国卫星导航系统用户设备标准也可以按通用用户设备和增值用户设备划分为两类，用户设备标准应该包括研制定型、测试检定和维修保障类标准。

3）在制定我国卫星导航系统服务标准时，首先应全面考虑美国和我国发布的GPS应用标准的类别。

美国发布的GPS系统应用标准由性能服务标准和行业服务标准组成，我国发布的GPS系统应用标准由协议和行业服务标准组成，即COMPASS应用标准也应包括性能服务标准、协议和行业服务标准。

其次，对于性能服务标准，应参照美国发布的GPS的SPS、PPS 以及WAAS PPS等标准，考虑制定我国卫星导航及区域增强系统的性能服务类标准，用以指导和规范GPS 军、民用户对我国卫星导航系统的合理和有效使用。

再次，可以参考美国和我国制定的GPS系统行业服务标准的类别，即通用服务和增值服务。

4）在制定我国卫星导航系统标准时，要充分考虑与GPS、GLONASS、Galileo及各种差分和增强系统的兼容与互操作，充分利用多卫星导航系统资源与共享。

在GNSS兼容方面，应充分考虑我国卫星导航系统接收机的频率兼容问题，即在国际电信联盟倡导的无线电频率兼容的框架下，对接收机干扰与信号的相关性进行试验评估，制定相关标准。

在GNSS互操作方面，应考虑制定我国卫星导航系统与其他卫星导航系统的GNSS用户设备和GNSS系统服务标准。

在用户层面，综合使用多个卫星导航系统和增强系统能够比单独使用一种服务获得更好的性能。

5）多导航系统的组合应用是导航技术应用的一个重要发展方向，应密切关注和跟踪组合导航技术的发展。

可以预见，随着组合导航应用技术的不断发展和日趋成熟，势必会陆续出台相应的标准。

6）我国卫星导航系统是军民共用的系统，除制定相应军用标准外，为了有利于将来民用用户对我国卫星导航系统的使用，应该考虑制定民用导航信号、系统服务(包括广域差分服务和局域差分服务)、终端通信类标准和协议。

4结论
本文通过对中美两国发布的GPS相关标准现状的梳理分析，首先指出我国卫星导航系统标准体系结构应综合考虑中美两国GPS标准已经形成的标准体系结构，即也应由通用基础标准、工程标准和应用标准组成，而应用标准中又可具体划分成用户设备和系统服务两类。

其次，以GPS系统发布的标准内容为参照，进一步明确了我国卫星导航系统急需制定的标准内容。

随着我国卫星导航系统建设的逐步深入以及系统应用的日益广泛，我国卫星导航系统标准化工作将逐渐步入正轨。

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