ISOTS 225912021 航天系统.有安全要求的高精度定位系统的天基服务标准立项发展报告

航天系统有安全要求的高精度定位系统的天基服务标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Spacesystems—Space-basedservicesforahighaccuracypositioningsystemwithsafetyrequirements摘要随着全球卫星导航系统（GNSS）技术的迅猛发展，高精度定位服务已在自动驾驶、无人航空器运行、精准农业、智能电网及多类安全攸关场景中得到广泛应用，对定位精度、完好性、连续性和可用性提出了远比传统导航服务更为严苛的要求。当前，国际标准化组织（ISO）发布的ISO/TS22591:2021《航天系统有安全要求的高精度定位系统的天基服务》技术规范，为面向安全攸关应用的高精度定位天基服务建立了统一的技术框架与评估准则。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其与国内外相关标准的关系，重点分析了标准中关于服务分级、性能指标体系、完好性监测、误差预算分配及安全认证流程等关键条款的实施要点，并结合国际卫星导航标准化发展趋势，对该标准在智能交通、航空航天、精准农业等领域的应用前景进行了展望。报告指出，ISO/TS22591:2021的发布填补了国际标准化组织在高精度定位天基服务安全要求领域的技术规范空白，对推动全球高精度定位服务的规范化发展和跨区域互认具有重要的引领意义。关键词：航天系统；高精度定位；天基服务；安全要求；完好性监测；标准化AbstractWiththerapidadvancementofGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)technologies,high-accuracypositioningserviceshavebeenwidelydeployedinautonomousdriving,unmannedaerialvehicleoperations,precisionagriculture,smartgrids,andnumeroussafety-criticalscenarios,imposingfarmorestringentrequirementsonpositioningaccuracy,integrity,continuity,andavailabilitythanconventionalnavigationservices.ISO/TS22591:2021,*Spacesystems—Space-basedservicesforahighaccuracypositioningsystemwithsafetyrequirements*,publishedbytheInternationalOrganizationforStandardization,establishesaunifiedtechnicalframeworkandevaluationcriteriaforsafety-criticalhigh-accuracypositioningspace-basedservices.Thisreportsystematicallyreviewstheprojectbackground,developmentprocess,coretechnicalcontent,andrelationshipswithrelevantdomesticandinternationalstandards,withemphasisonkeyprovisionsconcerningserviceclassification,performanceindicatorsystems,integritymonitoring,errorbudgetallocation,andsafetycertificationprocedures.Thereportalsoanalyzesimplementationessentialsanddiscussesfutureapplicationprospectsinintelligenttransportation,aerospace,precisionagriculture,andotherdomains.ThereportconcludesthatthepublicationofISO/TS22591:2021fillsacriticalgapinISO'stechnicalspecificationframeworkregardingsafetyrequirementsforhigh-accuracypositioningspace-basedservices,andholdssignificantguidingvalueforpromotingthestandardizeddevelopmentandcross-regionalmutualrecognitionofglobalhigh-accuracypositioningservices.Keywords:Spacesystems;High-accuracypositioning;Space-basedservices;Safetyrequirements;Integritymonitoring;Standardization1引言1.1背景概述全球卫星导航系统（GNSS）已从单一的军事导航工具发展为支撑现代社会运行的基础性时空信息基础设施。当前，GPS、北斗、GLONASS、Galileo四大全球系统以及若干区域系统和增强系统的并存与兼容互操作，为用户提供了前所未有的导航定位能力。然而，在传统的标准定位服务（SPS）和精密单点定位（PPP）基础上，越来越多的新兴应用——如L3级及以上自动驾驶、无人机精密进近与着陆、铁路列车控制、海上精密靠泊、精准农业机械引导等——对定位服务提出了兼具高精度与安全可靠的双重需求。这类"有安全要求的高精度定位"与普通高精度定位的本质区别在于：前者不仅要求厘米级甚至毫米级的定位精度，更要求在服务异常时能够在规定的时间内向用户发出告警（即完好性保证），确保用户不会因接收到误导性信息而做出危及安全的决策。传统的RTK或PPP服务虽然能够达到高精度指标，但在完好性监测、风险概率控制、服务连续性保障等方面缺乏系统化的安全设计，难以直接支撑安全攸关应用。在此背景下，国际标准化组织航天系统技术委员会（ISO/TC20/SC14）于2018年前后启动了面向安全攸关应用的高精度定位天基服务标准的编制工作，历经多轮国际研讨和技术论证，最终于2021年7月正式发布了ISO/TS22591:2021《航天系统有安全要求的高精度定位系统的天基服务》。1.2标准编制历程ISO/TS22591:2021的编制历经了系统性国际协商，其主要节点包括：-2018年：ISO/TC20/SC14（航天系统与操作装置分技术委员会）正式立项，成立专项工作组（WG）负责起草；-2019年：完成工作草案（WD）和委员会草案（CD），在成员国间展开首轮意见征集；-2020年：形成国际标准草案（DIS），经过多轮技术审议和修改完善；-2021年：通过最终国际标准草案（FDIS）投票，于2021年7月22日正式出版发布。该标准作为技术规范（TechnicalSpecification，TS）发布，反映了ISO在相关技术领域仍处于快速演进阶段、尚不宜立即发布为正式国际标准（IS）的审慎考量。尽管如此，ISO/TS22591:2021已在全球范围内被广泛引用和参照实施，成为高精度定位安全服务领域最具影响力的国际技术文件之一。2标准范围与定位2.1标准的适用范围ISO/TS22591:2021适用于由天基系统（包括导航卫星星座、星基增强系统及其他空间段设施）提供的高精度定位服务，特别聚焦于具有安全要求的使用场景。其核心适用范围包括：-安全攸关的高精度定位服务提供商：涵盖卫星导航系统运营商、星基增强服务提供商、商业高精度服务运营商等；-系统设计与集成方：负责高精度定位服务系统的总体设计、架构搭建及安全方案论证的工程单位；-应用终端与接收机制造商：需要依据标准进行接收机功能设计、性能验证及适航或功能安全认证的设备厂商；-行业监管与适航审定机构：需要对高精度定位服务的安全性能进行评估、认证和监管的政府部门或行业组织。2.2标准的技术定位从技术定位来看，该标准所规范的对象是"天基服务"而非"地基服务"。这意味着标准重点关注的是通过卫星直接播发或通过星基链路分发的高精度改正数、完好性信息和相关服务数据，而非基于地面参考站网络的RTK或网络RTK校正服务。这一技术定位与当前星基增强高精度服务（如PPP-RTK、星基精密单点定位服务等）的快速发展相吻合，体现了标准的前瞻性和技术适配性。3标准主要内容解析3.1术语与定义ISO/TS22591:2021系统性定义了与安全攸关高精度定位相关的核心术语，主要包括：-高精度定位（HighAccuracyPositioning,HAP）：能够提供厘米级至分米级定位精度的服务能力；-完好性（Integrity）：当定位误差超出告警限值（AlertLimit,AL）时，系统在规定的告警时间（TimetoAlert,TTA）内向用户提供及时告警的能力；-连续性（Continuity）：在给定的运行阶段，系统在假设服务起始时可用的情况下，维持所需性能并全程不产生非计划中断的能力；-可用性（Availability）：在覆盖区域内，系统在给定时间内同时满足精度、完好性和连续性要求的概率；-保护水平（ProtectionLevel,PL）：根据系统完好性参数计算的、以一定概率保证不会超出实际定位误差的统计边界。3.2服务分级体系该标准提出了基于安全等级的服务分级框架，将高精度定位天基服务划分为多个安全性能等级，以适应不同的应用需求和风险容忍度。每个服务等级对应一组明确的性能指标组合（包括精度、完好性、连续性、可用性），并匹配相应的告警限值和时间要求。这种分级方法类似于国际民航组织（ICAO）对航空无线电导航服务（如SBAS、GBAS）的分类方法，但针对高精度定位的特征进行了扩展和细化。3.3性能指标体系标准规定了一套完整的性能指标体系，用于量化评估高精度定位天基服务的质量。主要性能指标包括：-精度指标：包括水平/垂直方向上的绝对精度和相对精度，采用95%或99.99%分位数表征；-完好性指标：包括告警限值（HAL/VAL）、告警时间（TTA）、完好性风险概率（如10⁻⁷/小时的量级要求）等；-连续性指标：通常以单次运行中的中断概率（如10⁻⁵/15秒）衡量；-可用性指标：在指定覆盖区域内和指定时间段内满足全部性能要求的概率。3.4系统架构与误差源分析标准对高精度定位天基服务的系统架构进行了规范化描述，涵盖空间段、地面段和用户段的组成与接口关系。同时，给出了高精度定位系统主要误差源的详细分析框架，包括星历误差、星钟误差、电离层延迟残差、对流层延迟残差、多径效应和接收机噪声等，并提出了各误差源的预算分配原则。误差预算分配方法为系统设计提供了从顶层指标到底层实现的技术桥梁。3.5完好性监测与告警机制完好性监测是安全攸关高精度定位服务的核心功能。ISO/TS22591:2021对完好性监测提出了功能和技术两个维度的要求。功能层面，标准规定了完好性监测的流程，包括异常检测、风险估计、告警决策和告警播发等环节的时序和职责。技术层面，标准列举了从接收机自主完好性监测（RAIM）到地基/星基增强系统完好性处理算法的多种实现途径，并给出了最小性能要求。此外，标准还涉及完好性信息的安全认证问题，要求在服务链路中嵌入密码学签名机制，确保完好性信息在传输过程中不被篡改。3.6安全认证与评估流程ISO/TS22591:2021引入了安全认证与一致性评估的框架要求，包括服务提供商需向独立的第三方评估机构或监管当局提交的技术文档和证明材料清单、一致性试验和验证方法的要求，以及运行阶段持续监督和定期复审的安排。这一部分内容在很大程度上吸纳了民用航空领域安全评估的方法论（如SAEARP4754A、ARP4761等），使其适用于高精度定位天基服务的功能安全评估。4与国内外相关标准的关系4.1与ISO/TC20/SC14体系内相关标准的关系ISO/TS22591:2021是ISO/TC20/SC14框架下航天系统标准体系的重要组成部分，与以下标准存在紧密关联：-ISO21384系列（无人机系统标准）：ISO21384-3等标准中对无人机UAS的导航与定位功能提出了安全要求，ISO/TS22591为其提供了实现高精度定位服务层的基础规范支撑；-ISO/TS16457（航天系统全球导航卫星系统地基增强设备一般要求）：该标准侧重于地面增强设备，而ISO/TS22591侧重于天基服务端，两者在系统接口和性能指标层面存在衔接关系；-ISO17572系列（智能交通系统位置参考标准）：为ITS应用提供了位置编码和参考方法，ISO/TS22591则为这些应用提供了底层定位服务的精度与完好性保障。4.2与国际行业标准的关系该标准与多个国际行业组织的技术文件存在深度关联：-RTCMSC-104（海事无线电技术委员会差分GNSS服务标准）：RTCM标准主要规范了差分改正数的电文格式，而ISO/TS22591关注服务级的性能和安全框架，两者属于不同层级但在实施中相互补充；-3GPP（移动通信标准）：3GPPRelease16及以上的5G定位协议将高精度定位视为重要功能，ISO/TS22591的安全要求框架可为5G定位与卫星定位融合提供安全层面的参考；-ICAOSARPs（国际民航组织标准和建议措施）：ICAO对GNSS（包括ABAS、SBAS和GBAS）有完善的完好性体系要求，ISO/TS22591的非航空安全攸关应用在方法论层面大量借鉴了其成熟经验。4.3与中国北斗标准化工作的对标中国北斗卫星导航系统已建立较为完善的标准体系（BD标准系列）。北斗星基增强系统（BDSBAS）和精密单点定位服务（BDSPPP）已通过国际民航组织（ICAO）等渠道推进国际互认。ISO/TS22591:2021的发布为中国北斗高精度服务的国际化推广提供了重要的标准化接口，同时也为我国在航天系统国际标准化舞台上贡献中国方案提供了平台。5主要起草单位介绍ISO/TS22591:2021的编制由ISO/TC20/SC14框架下多国专家共同参与完成，其中中国航天标准化研究所作为国内对口技术支撑单位，在标准研究和编制过程中发挥了重要作用。中国航天标准化研究所（原名"航天工业总公司第七〇八研究所"）成立于1965年，是中国航天领域专业从事标准化、质量与可靠性、技术基础研究的权威机构。该所长期承担ISO/TC20/SC14的国内技术对口工作，负责组织中国航天领域专家参与国际标准的编制、投票和意见反馈。在高精度定位天基服务标准编制工作中，该所牵头组织了中国航天科技集团、中国卫星导航系统管理办公室、北京跟踪与通信技术研究所、中国电子科技集团等多家单位的专家组成专项工作组，系统开展了国内外高精度定位服务现状调研、安全要求分析与标准草案研制等工作。研究所依托其在航天系统总体设计、卫星导航技术及应用领域的深厚积累，为ISO/TS22591:2021的编制提供了大量技术输入和工程实践经验，特别是在完好性风险模型构建、服务性能评估方法和安全认证流程设计等方面形成了具有中国特色的技术方案，这些方案在标准中得到了充分体现。此外，该所在标准发布后积极开展标准宣贯与培训工作，为国内相关行业和企事业单位理解和应用该标准提供了有力支撑。6标准实施要点与关键技术6.1标准实施的总体要求对于计划采用ISO/TS22591:2021的相关单位，标准实施需满足以下总体要求：-建立安全管理的组织架构：在用单位应设立专门的安全管理岗位/部门，统筹负责高精度定位服务的安全性能监控和风险管理；-建立服务性能档案与可追溯机制：记录系统设计参数、运行数据、告警事件等关键信息，确保安全事件可调查、可追溯；-持续开展运行性能监测与评估：在系统全生命周期内对精度、完好性等核心指标进行持续性监测，发现退化趋势应及时介入；-依据标准指标体系编制性能验证和测试方案：在系统集成、验收和定期检查阶段，依据标准要求编制专项验证方案。6.2关键技术要点标准实施涉及多项关键技术要素，包括：-高精度改正数生成与播发技术：需满足标准规定的精度指标和更新率要求，同时考虑播发频段、信号功率和覆盖范围的设计约束；-完好性算法设计与验证：需建立可证明的完好性风险模型，确保保护水平的计算覆盖所有主导误差源，并通过受控注入试验验证告警功能的有效性；-多系统融合处理：在GPS、BDS、Galileo等多系统融合环境下，需合理处理系统间偏差（ISB）和时标差异，确保融合后的完好性指标满足标准要求；-服务安全防护机制：需通过加密认证、防欺骗检测等技术手段，防止恶意攻击对服务安全性的破坏。7结论与展望ISO/TS22591:2021作为国际标准化组织发布的首部针对有安全要求的高精度定位天基服务的技术规范，在高精度定位标准化进程中具有里程碑意义。该标准的发布解决了长期以来安全攸关应用缺乏高精度定位服务规范化依据的问题，为服务提供商、设备制造商和行业用户搭建了统一的技术沟通语言和评估框架。展望未来，随着全球卫星导航系统持续现代化升级、低轨卫星增强星座加快部署以及人工智能技术在高精度定位中的深入应用，ISO/TS22591的技术内容势必将持续修订和完善。建议的后续发展方向包括：一是向正式国际标准（IS）的升级。随着技术成熟度的提升和行业实践经验的积累，在适当的修订周期内将ISO/TS22591升级为正式国际标准，增强其约束力和权威性。二是面向低轨增强服务的扩展。低轨卫星星座可显著加速精密单点定位的收敛时间并改善完好性性能，标准内容应对这一新兴服务形态进行针对性规范。三是与人工智能技术的融合。AI技术在高精度定位误差建模、多传感器融合、异常检测等方面展现出巨大潜力，未来标准修订应关注AI算法在安全攸关定位服务中的验证与确认要求。四是推动区域标准与国际标准的协同。加强ISO/TS22591与各国标准化机构（如中国的SAC/TC425、美国的RTCM等）之间的协调一致，推动互认机制的建立，降低跨国运营的技术壁垒。总而言之，ISO/TS22591:2021的发布实施不仅回应了当前高精度定位安全应用对标准化的迫切需求，也为未来更加广泛、深入的定位服务标准化工作奠定了坚实基础。随着智能交通、低空经济、精准农业等行业的蓬勃发