北斗接收機(jī)定位校準(zhǔn)試驗(yàn)

郭建麟，彭軍，何群，孫豐甲，李娜娜

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS，GLONASS 和Galileo統(tǒng)稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，是我國正在實(shí)施且自主研發(fā)的全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，可為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)［1］。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，從國家安全、經(jīng)濟(jì)效益以及技術(shù)儲備等方面來看都具有重要的意義:擁有自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，避免在戰(zhàn)爭中受制于人;省去用來引進(jìn)國外技術(shù)的巨額資金;發(fā)展了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就有了相應(yīng)的技術(shù)儲備，也就意味著我國的科研水平已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，引發(fā)了國內(nèi)外北斗接收機(jī)研制的熱潮，涌現(xiàn)出導(dǎo)航型、測地型、授時型等多種類多型號的接收機(jī)，用戶更加關(guān)注北斗接收機(jī)的性能以及它的可靠性，因此對北斗接收機(jī)的校準(zhǔn)就成為亟待解決的問題。

北斗接收機(jī)的性能指標(biāo)包括冷啟動首次定位時間、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、定位精度、測速精度等。其中最主要的性能指標(biāo)就是接收機(jī)的定位精度。本文將首先介紹北斗接收機(jī)定位精度的幾種常用校準(zhǔn)方法，然后通過校準(zhǔn)試驗(yàn)來對比這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 北斗接收機(jī)定位精度校準(zhǔn)方法

北斗接收機(jī)的定位精度校準(zhǔn)方法目前有很多種，大體可以分為兩種:一種是試驗(yàn)場校準(zhǔn);另一種是基于衛(wèi)星信號模擬器的校準(zhǔn)。

1.1 北斗接收機(jī)試驗(yàn)場校準(zhǔn)

1.1.1 基準(zhǔn)點(diǎn)接收機(jī)靜態(tài)觀測

基準(zhǔn)點(diǎn)靜態(tài)觀測是北斗接收機(jī)定位校準(zhǔn)最常用的方法，將接收機(jī)的天線放置于已知大地坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)位上進(jìn)行，同時仍需要基準(zhǔn)點(diǎn)處于衛(wèi)星通視狀態(tài)良好，不存在遮擋物，沒有電磁信號干擾的場地。設(shè)備安裝見圖1。調(diào)整基座使接收機(jī)天線居中，接收機(jī)采集數(shù)據(jù)時間不少于1 h。計算接收機(jī)采集到的坐標(biāo)和基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離即為接收機(jī)的定位誤差。

1.1.2 利用高精度GNSS 接收機(jī)對比測試

目前，GPS 三維定位精度P 碼可以達(dá)到6 m，C/A碼也已提高到12 m，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米［2］。某些GNSS 接收機(jī)單點(diǎn)水平定位精度可以達(dá)到1.5 m，垂直可達(dá)到3 m，若是用RTK 測試方式，水平定位精度可以達(dá)到8 mm，垂直方向可達(dá)15 mm。

對比測試需要一臺定位精度較高的GNSS 接收機(jī)，一個已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)。測試場地衛(wèi)星通視狀態(tài)良好，不存在建筑、樹木等遮擋物，無電磁信號干擾，GNSS接收機(jī)采用RTK 測試方式，試驗(yàn)設(shè)備安裝如圖2所示。連接GNSS 接收機(jī)基準(zhǔn)站的天線放在基準(zhǔn)點(diǎn)上，并將基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值輸入GNSS 接收機(jī)基準(zhǔn)站;連接移動站的天線放在距離基準(zhǔn)點(diǎn)小于30 km 的地方，并通過功率分配器將衛(wèi)星信號輸入給GNSS 接收機(jī)移動站和被校準(zhǔn)的北斗接收機(jī)，這樣兩臺接收機(jī)接收到同一點(diǎn)的坐標(biāo)。同時需要將兩臺接收機(jī)內(nèi)最小捕獲衛(wèi)星仰角設(shè)為同一值。數(shù)據(jù)采集時間不少于1 h。GNSS 接收機(jī)采集得到的坐標(biāo)值為標(biāo)準(zhǔn)值，北斗接收機(jī)采集得到的坐標(biāo)值為測量值，兩者進(jìn)行對比。

圖2 利用GNSS 接收機(jī)(RTK 測試方式)對比測試

1.1.3 動態(tài)定位精度測試方法

對于北斗接收機(jī)定位精度測試，有人提出動態(tài)測試方法，比如地圖擬合方法和固定軌道測試方法［3］，地圖擬合方法是將跑車得到的動態(tài)定位結(jié)果在地圖上顯示，判斷行車軌跡與道路符合程度的一種概略評估定位精度的方法。操作流程十分繁瑣，重復(fù)性較差。

固定軌道測試方法一般采用環(huán)狀軌道，其半徑可以通過測量得到，軌道的中心位置和北向也可通過精確標(biāo)定來得到，因而此軌道上的每一點(diǎn)坐標(biāo)都可以精確獲得。實(shí)驗(yàn)過程需要先確定被試設(shè)備的初始位置，然后驅(qū)動載車在軌道上勻速行駛，記錄載車跑完一圈花費(fèi)的時間，記錄下每秒定位結(jié)果并存儲［3］，再與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

與固定軌道測試方法類似的還有跑車測試方法，跑車測試方法是將被測的北斗接收機(jī)和高精度的接收機(jī)安裝在同一跑車上，以高精度的接收機(jī)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，來對被測的北斗接收機(jī)進(jìn)行測試。跑車測試方法重復(fù)性較差，受環(huán)境等因素的影響較大。

1.2 基于衛(wèi)星信號模擬器仿真測試

北斗接收機(jī)在室外試驗(yàn)場校準(zhǔn)接收實(shí)際的衛(wèi)星信號容易受到復(fù)雜的天氣變化、電離層、多路徑等因素的影響，重復(fù)性較差。而基于信號模擬器對接收機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)可以避免這些影響因素，通過設(shè)置不同的場景，可以對接收機(jī)進(jìn)行定位精度和速度精度等測試。如圖3為仿真試驗(yàn)設(shè)備安裝簡圖［4］。

PC 機(jī)和信號模擬器之間利用高速以太網(wǎng)相連接，在PC 機(jī)上通過軟件控制信號模擬器發(fā)送已經(jīng)設(shè)定好測試參數(shù)和仿真場景的信號，利用PC 機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件采集北斗接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

圖3 信號模擬器仿真設(shè)備安裝簡圖

2 接收機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)

基于試驗(yàn)場基準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)和衛(wèi)星信號模擬器兩種校準(zhǔn)方法，我們分別做了試驗(yàn)，來比較兩種校準(zhǔn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 接收機(jī)試驗(yàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)

我們在試驗(yàn)場選擇了兩個基準(zhǔn)點(diǎn)，稱之為1 號基準(zhǔn)點(diǎn)和2 號基準(zhǔn)點(diǎn)。(1 號基準(zhǔn)點(diǎn)四周有少量建筑物、樹木等遮擋物，還有通信信號塔;2 號基準(zhǔn)點(diǎn)所在位置比較空曠。)選用北京和芯星通公司生產(chǎn)的定位型高精度接收機(jī)UR240。該款接收機(jī)支持雙系統(tǒng)四頻點(diǎn)，包括北斗B1/B2，GPS L1/L2;可提供毫米級載波相位觀測值和后處理定位解算;支持芯片級多路徑抑制。試

驗(yàn)設(shè)備安裝如圖1所示。

2.1.1 接收機(jī)試驗(yàn)場試驗(yàn)接收性能分析

在天氣狀況基本相同兩天的同一時間段，分別在1號和2 號基準(zhǔn)點(diǎn)對接收機(jī)進(jìn)行定位校準(zhǔn)。接收機(jī)的采樣率、衛(wèi)星捕獲仰角以及其他初始值在兩次試驗(yàn)中設(shè)為同一值。我們重點(diǎn)觀測影響接收機(jī)定位解算能力的兩個方面:參與解算衛(wèi)星個數(shù)和觀測時間段內(nèi)衛(wèi)星信噪比。

第一天在1 號基準(zhǔn)點(diǎn)北斗接收機(jī)UR240 在10:00 ～16:00 時間段內(nèi)測試結(jié)果見圖4。

圖4 UR240 在1 號基準(zhǔn)點(diǎn)接收信號情況

從圖4 中可以看出衛(wèi)星在滿足仰角要求的同時需具有較強(qiáng)的信噪比方可被接收機(jī)捕獲參與定位解算。1號基準(zhǔn)點(diǎn)四周干擾因素造成一些衛(wèi)星信號不穩(wěn)，以至于整個觀測時間段內(nèi)有些衛(wèi)星多次發(fā)生信號失鎖(圖4(b))，同時對衛(wèi)星信號信噪比產(chǎn)生干擾，當(dāng)信噪比小于40 時，衛(wèi)星很難參與定位解算過程。信號失鎖和過低的信噪比都會影響接收機(jī)定位解算能力。

第二次測試，將接收機(jī)UR240 放在四周較為空曠的2 號基準(zhǔn)點(diǎn)上，同樣在10:00 ～16:00 時間段內(nèi)進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 UR240 在2 號基準(zhǔn)點(diǎn)接收信號情況

從圖5(a)可以看出，在下午13:30 以前，捕獲衛(wèi)星信噪比都在40 dB 以上，整個觀測時間段比第一次試驗(yàn)情況好轉(zhuǎn)很多，從圖5(b)可以看出衛(wèi)星失鎖情況雖有發(fā)生，但較之1 號基準(zhǔn)點(diǎn)有明顯改善。

1 號基準(zhǔn)點(diǎn)四周存在的遮擋物和通信信號塔都會對接收機(jī)接收衛(wèi)星信號產(chǎn)生干擾，外界干擾會使衛(wèi)星的信噪比低于標(biāo)準(zhǔn)的載波功率噪聲密度比C/N0，會出現(xiàn)個別衛(wèi)星雖然進(jìn)入視野范圍但卻不能參與解算，或是多次發(fā)生信號失鎖，根本無法捕獲。2 號基準(zhǔn)點(diǎn)四周比較空曠，情況比在1 號基準(zhǔn)點(diǎn)要好很多，但是受電離層。天氣變化等其他狀況的影響也會出現(xiàn)信噪比低，信號失鎖等情況。

2.1.2 接收機(jī)試驗(yàn)場定位結(jié)果分析

用接收機(jī)UR240 分別在1 號和2 號基準(zhǔn)點(diǎn)測量得到的經(jīng)度、緯度等信息與實(shí)際基準(zhǔn)點(diǎn)的信息比較，計算得到兩點(diǎn)距離差，得到接收機(jī)定位誤差。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 UR240 基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測定位(水平)結(jié)果

從表1 中最后處理結(jié)果可以看出，對于同一臺接收機(jī)，在1 號基準(zhǔn)點(diǎn)測得的定位誤差和測量重復(fù)性都比在2 號基準(zhǔn)點(diǎn)要差，同對接收機(jī)接收性能分析的結(jié)果相符合，主要是因?yàn)? 號基準(zhǔn)點(diǎn)四周環(huán)境影響。但是其中也有無法確定的因素，雖然兩次測試試驗(yàn)天氣大體相同，也無法保證電離層、對流層、多徑效應(yīng)以及地球自轉(zhuǎn)響應(yīng)等影響因素完全相同。這在試驗(yàn)場校準(zhǔn)中是不可避免的。

2.2 接收機(jī)基于衛(wèi)星信號模擬器仿真校準(zhǔn)

通過接收機(jī)試驗(yàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)，我們無法避免復(fù)雜的天氣變化、電離層等一些因素的影響，雖然這種方法最接近實(shí)際使用狀態(tài)，但是它可重復(fù)性差。因此我們利用國防科技大學(xué)三院的GNS-8332 型多星座導(dǎo)航信號模擬器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。該仿真機(jī)可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道仿真、衛(wèi)星鐘差仿真、延時差分TGD 仿真、電離層延遲仿真、對流層延遲仿真、多徑效應(yīng)仿真、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)仿真、相對論效應(yīng)仿真、地面大氣參數(shù)仿真以及用戶軌跡仿真(能夠模擬靜態(tài)、車輛、飛機(jī)、艦船、運(yùn)載火箭、導(dǎo)航和衛(wèi)星等載體的運(yùn)動特性)。通過設(shè)置不同的場景和測試參數(shù)對接收機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。

2.2.1 接收機(jī)仿真試驗(yàn)接收性能分析

圖6 為衛(wèi)星信號模擬器模擬1 號基準(zhǔn)點(diǎn)測試時的仿真結(jié)果。GNS-8332 多星座導(dǎo)航信號模擬器的仿真日期和時間段分別設(shè)為做試驗(yàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)的日期和時間段，測試點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為1 號基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值。模擬器可以對各個通道上的衛(wèi)星信號做功率調(diào)整，因此可參照實(shí)測時的衛(wèi)星接收情況調(diào)整衛(wèi)星信號強(qiáng)度使得UR240 的仿真觀測環(huán)境和實(shí)測相近。

圖6 模擬器模擬1 號基準(zhǔn)點(diǎn)仿真測試

對比圖6(a)和圖6(b)，仿真同一時間段內(nèi)信噪比變化情況要明顯優(yōu)于在試驗(yàn)場的測試結(jié)果，也沒有發(fā)生信號不斷失鎖的狀況。模擬2 號基準(zhǔn)點(diǎn)測試情況是相同的。

2.2.2 接收機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

接收機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 UR240 仿真測試定位(水平)結(jié)果

表3 UR240 實(shí)測和仿真結(jié)果對比

從表3 中可以看出，仿真結(jié)果中定位誤差和測量重復(fù)性都比實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果好，并且兩次仿真結(jié)果相差很小。這表明相對于室外試驗(yàn)場測試，模擬器可以給接收機(jī)提供一個穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠的測試環(huán)境，試驗(yàn)重復(fù)性好，而且可以節(jié)省試驗(yàn)資源，操作簡單。

3 結(jié)論

通過以上兩種接收機(jī)的校準(zhǔn)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論:①在試驗(yàn)場，校準(zhǔn)接收機(jī)雖然更貼近實(shí)際使用情況，但是容易受外界環(huán)境的影響。因此在試驗(yàn)場對接收機(jī)校準(zhǔn)時要盡力排除一些可控的影響因素，比如地點(diǎn)要盡量選擇四周空曠無遮擋物，無電磁干擾，并且要選擇天氣情況較好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;②在仿真試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星信號模擬器仿真的星座與實(shí)際星座在個別時段存在差異，個別衛(wèi)星同一時刻所處的星空位置不同，但信號模擬器可以提供更準(zhǔn)確、可靠的測試環(huán)境，避免實(shí)際測試中的一些干擾因素，重復(fù)性更好。

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