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1、 北斗用户设备型谱标准建设必要性分析 刘栋梁，常克武，陆 静，高 洋，林海波北斗用户设备型谱标准建设必要性分析刘栋梁1，常克武2，陆 静1，高 洋1，林海波1（1. 中国航天标准化研究所，北京 100071；2. 中国卫星导航系统管理办公室，北京 100054）为了进一步促进北斗卫星导航系统（文中简称为北斗）用户设备应用和产业化高质量发展，对北斗用户设备型谱标准建设的必要性进行分析：在介绍我国北斗一号、北斗二号、北斗三号用户设备发展现状的基础上，梳理目前存在的主要问题，分析我国北斗设备型谱标准建设背景及必要性；并针对北斗用户设备型谱规划提出发展建议。研究结果可为我国北斗用户设备的型谱标准建设工
2、作提供参考。全球卫星导航系统（GNSS）；北斗卫星导航系统；用户设备；型谱；标准化0 引言卫星导航系统作为当代人类社会使用最广泛、最便捷、最有效的高精度、高实时、高可靠定位、导航和授时手段，自问世以来深刻改变了人类社会生产生活方式。我国的北斗卫星导航系统（文中简称为北斗）作为当前全球四大全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）之一，已经可以和美国全球定位系统(global positioning system, GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo）相竞争1-4。随着信息技术以
3、及通信导航技术的发展，北斗用户设备的发展愈发必要。近年来，北斗用户设备的应用领域迅速扩展，用户数量急剧增加，在不同应用领域向广度和深度拓展，但存在着设备重复建设、“三化”程度低、保障难度大等问题。设备建设必须加以统一的规划和实施，否则必将导致“烟囱”林立，不仅造成巨大的资源浪费，而且使得各设备之间不成体系、互联互通难，严重影响应用能力的生成5。在标准化工作中，设备型谱是设备建设发展的顶层规划，对设备的建设发展具有规范、指导和引领作用，以期高效促进北斗用户设备应用和产业化高质量发展。因此有必要梳理北斗用户设备发展现状及存在问题，分析我国北斗设备型谱标准建设背景及必要性，并针对北斗用户设备型谱规划
4、提出发展建议。1 北斗用户设备发展现状及存在问题北斗用户设备历经北斗一号、北斗二号和北斗三号3个阶段的工程建设，其应用的广泛性对推动信息化建设、完成多样化任务、增强体系应用能力提供了有力保障。尤其是在北斗二号系统工程建设中，应用系统建设基于北斗二号的用户设备，各设备部门也针对各自需求大力开展设备建设。下面基于公开数据和市场调研对北斗用户设备建设情况进行简要分析。1.1 北斗用户设备发展现状1）北斗一号用户设备：北斗一号用户设备包括手持、车载、指挥等类型设备，在北斗一号运行早期，卫星无线电定位系统（radio determination satellite system，RDSS）应用模式还处于
5、探索阶段，用户数量较少，市场不大，参与设备建设的用户机厂家数量有限。随着北斗短报文通信及位置报告功能应用潜力的开发，应用领域迅速扩展，用户数量急剧增加，生产北斗用户设备的厂家也随之增加，这些厂家往往各自设计、自行命名，从而造成设备型号较多。2）北斗二号用户设备：在北斗二号应用系统工程建设中，对北斗用户设备模块芯片进行了系统规划，对当前北斗用户设备建设形成了有力支撑，为北斗卫星导航应用和产业发展发挥了巨大作用。北斗二号应用系统工程建设研制了模块、芯片以及多款终端设备，除了北斗二号应用系统典型应用项目建设的设备外，我国还组织研发了多款应用设备，已完成研制的或在研的北斗二号用户设备数量和种类不断创新
6、高。3）北斗三号用户设备：北斗三号工程建设阶段，我国研制了多款北斗三号基础产品，各款终端针对不同的应用场景开发，对解决北斗应用急需和验证北斗三号应用模式具有重要意义6。1.2 存在的问题尽管北斗用户设备已经在我国信息化建设中发挥了重要作用，但由于没有形成高效集中的设备建设管理机制、缺少用户设备建设顶层规划、研制阶段投入不足以及技术水平相对落后等各方面原因，北斗用户设备研制建设和应用推广过程中暴露了一些问题和不足，集中表现为以下3个方面：1）重复建设和资源浪费严重。一是设备具体研制建设中，根据各应用渠道平台系统的独立使用需求，分别自行开展北斗用户设备研制立项，造成设备种类众多，但其产品功能类同、
7、性能指标接近，从而造成项目重复建设、资源浪费情况严重。二是设备采购方面，部分设备主管部门采用配套其系统平台或设备的形式，整体定型，打包采购，造成功能性能相同的产品重复购置。三是设备配发方面，部分设备主管部门局限于各自领域内设备的需求建设，造成北斗用户设备重复研制配发问题突出。各类北斗用户设备配件不能互换使用，每一型号设备都要独立进行配件购置，需要研制厂家进行维修保障，造成了资源严重浪费。2）设备“三化”程度低。一是设备的通用化程度低。由于设备建设仍处于小、散、乱的局面，尽管应用对象和设备的绝大部分功能相同，但不同厂家生产的用户终端设备往往存在较大差异，包括设备的结构、软件、物理接口和各种关键元
8、器件，这就造成了不同用户设备互不兼容等问题。二是设备系列化程度低。由于各设备部门和使用单位往往仅针对本单位使用需求甚至是其中某一项需求而单独开发设备，从而造成设备规格划分不一致，对于一些常见或易于实现的功能要求，重叠程度较高，而对于一些要求较高的需求则还没有覆盖，造成设备建设在低水平重复，无法满足高端的应用需求。三是设备组合化程度仍不高。北斗二号应用系统工程建设中规划建设了北斗用户设备核心元器件，实现了国产化，有力推动了设备建设向模块化、芯片化方向发展；但组合化程度仍有待提升。3）设备的保障难度大。当前北斗用户设备的安全架构与GPS第一代用户设备安全架构相似，在授权数据加注后属于受控设备，从而
9、为相关用户造成很大压力，一些基层单位由于害怕遗失和损坏而尽量减少对设备使用，导致设备应用效能发挥不足。同时，现有的设备保障体制为用户设备的管理保障造成极大负担，不仅需要大量保障人员和设施，对于一些特殊应用的保障实时性也难以满足用户需求。在这一方面，美国GPS设备的发展经验可以给我们提供借鉴。2 北斗设备型谱标准建设背景及必要性北斗系统是国家重大信息基础设施。北斗三号系统是北斗系统“三步走”的第三步，2020年正式开通，服务区扩展到全球。北斗三号应用验证系统在围绕系统服务性能验证开展建设和试验的同时，也瞄准了未来北斗的应用需求，其中终端型谱规划就是其中重要的部分之一。设备型谱是设备通用化、系列化
10、等标准形式的结合与发展，不仅可以指导新设备发展，防止盲目设计和重复建设，也可以作为整顿和简化老设备的依据。系统发展观认为，宇宙中所有事物自由发展的趋势是走向无序状态。设备系统如不加以控制，发展的趋势必然是品种越来越多，相互重复、交叉现象愈来愈普遍，其结果是结构无序度增加，设备的功能和开发的效率变得低下，使用、维修、保障更加复杂7。梳理北斗用户设备发展现状及存在问题可知，北斗用户设备建设由于缺少统一的协调管理机制，存在着设备重复建设、“三化”程度低、保障难度大等问题，也造成设备标准不统一，互联互通难等问题，严重制约了北斗应用效能的发挥。要解决上述各种矛盾，就应以系统科学发展观为指导，通过制定并推
11、动终端设备型谱建设，消除不必要的重复交叉，建立层次结构合理的用户设备体系，指导和推动北斗用户设备“三化”建设，提高北斗用户设备有序度和研制、生产、使用及维修的效率。1）型谱标准是统筹北斗用户设备建设的基本依据。制定型谱的目的就是要在当前和未来较长时期内满足卫星导航使用需求。它既涵盖过去北斗设备建设成果，又规划未来设备发展的目标和建设内容，是设备建设的顶层规划，直接体现北斗应用的宏观发展目标，是指导北斗用户设备建设的基本依据。一是指导北斗用户设备立项研制和采购，避免重复建设。型谱以最少型号数量覆盖了未来相当长时期内多样化的应用需求，根据设备型谱可以一目了然地了解北斗设备体系构成，并了解设备立项、
12、研制、定型等状态，从而可以在全国范围内有效避免盲目立项和重复投入。二是制定其他与用户设备相关的标准的前提和基础。用户设备型谱包括了各型设备的功能、性能、接口和物理属性等各种参数要求，且每一种型号均有其独特之处。在制定用户设备技术要求、接口协议等系列标准时，必须考虑各型设备的通用性，也要考虑其个性特征。因此，在设备型谱确定后，制定其他相关的用户设备标准就有了基本框架和基础，进而保证标准规范具有更好的系统性和更广的适应性。2）型谱标准是实现北斗用户设备体系化应用能力的必要前提。北斗用户设备具有应用范围广、规模数量多、应用潜力大等明显特点，只有合理建立北斗用户设备体系，发挥体系应用能力，才能最大限度
13、地发挥北斗系统的应用效能。北斗用户设备型谱的目的就是统一规划制定北斗用户设备型号系列，使其在功能、性能、接口、环境等各方面不仅涵盖在未来一定时期内的多样化需求，并且各个型号设备在采用的模块、板卡等各种配件，以及软件、接口和数据传输等方面均采用统一的标准规范，从而实现北斗用户设备的通用化、系列化和组合化，使各型用户设备能够互连、互通。3）型谱标准是提升北斗用户设备保障能力的有效途径。北斗用户设备数量规模大、品种规格多，零部件保障、日常维护、注册管理等保障任务极为繁重。而解决这一问题的关键就是要减少设备以及零配件规格数量，提高设备的质量可靠性，减少和统一设备注册管理保障模式。制定设备型谱可以在满足
14、多样化应用需求的前提下，实现设备型号数量的最小化，并在最大程度上实现核心模块、板卡、整机的通用性，从而减少零部件及设备品种规格和备品备件数量，提高设备维修性；同时，设备和零部件规格品种明显减少，将使每种设备和部件的批量大幅增加，从而有助于不断改进提高设备和零部件的质量可靠性。设备质量可靠性和维修性的提高，可以缩短修复时间，缩小保障规模，从而大大提高设备保障能力。3 发展建议北斗用户设备建设始于北斗一号建成之初。近年来，北斗用户终端设备建设的统筹规划设计始终落后于应用需求的急剧扩张。北斗用户设备型谱旨在总结过去北斗设备现状，引领未来北斗用户设备发展。总结过去，即对北斗用户设备的技术状态、技术水平
15、、研制能力进行全面的总结，作为今后发展的基础。引领未来，即型谱为未来北斗用户设备的可持续发展起到引领作用，对未来北斗用户设备型号的可持续发展提供有力支持。针对北斗用户设备型谱规划和建设提出发展建议如下：1）型谱规划要全面且协调。北斗用户设备型谱应满足较长时期内对北斗用户设备的全部使用要求，即设备的规格应齐全，无漏项。除此之外，型谱内所列的规范化设备的规格相互之间不重复，前后二档设备的规格变化若是步进的，则在服从使用要求的前提下，间隔、跨度要适当，确保以最少的型号数量覆盖多样化的应用需求。2）型谱规划要具备前瞻性和可扩展性。北斗用户设备型谱要具有前瞻性，在准确预测卫星导航用户设备发展趋势和应用需
16、求的发展变化的前提下，型谱不仅要包括现阶段北斗二号系统的用户设备，而且必须包括全球系统阶段的应用设备，能够长期指导北斗用户设备的发展。另外，型谱中的规范化设备是基本型，具有一定的修改适应性，随着技术的发展和新的需求涌现，可增加或减少设备型号。3）型谱规划要具有通用性，遵循一定规律。设备型谱是设备系列，但它绝不是将现有设备型号汇总而成的设备目录，而是具有一系列特定要求、经过优化的设备系列。设备型谱按照使用需求和技术特点进行分类、组合，每款型号对功能、性能、接口及使用环境相近的应用对象具有很强的通用性。北斗用户设备型谱标准建设的发展思路建议如图1所示，即通过研究国外卫星导航用户设备的发展现状，以及对我国现有北斗用户设备情况进行梳理，调查研究当前及以后可预见的一段时期内北斗用户设备的使用需求，从而根据使用需求确定特征参数作为型谱规范化设备的规格，确定每款型号设备的主要功能特点、关键性能指标和适用对象，并系统规划
