衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備在真實衛(wèi)星信號下的動態(tài)定位精度測試方法研究

李 禛 陳學(xué)軍 焦 月 孫洪俊 趙 杭

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品2101質(zhì)量檢測中心，北京 100039；3.中國西安衛(wèi)星測控中心，陜西西安 710000)

1 引 言

常規(guī)定位系統(tǒng)測試需要進(jìn)行多次重復(fù)實驗，由于每次測試外場[1]環(huán)境和衛(wèi)星布局都在變化，測試結(jié)果往往引入多種因素使測試更加復(fù)雜不可控制。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機研發(fā)、性能測試過程中，需要提供一種可再現(xiàn)、可控的外部環(huán)境，盡量降低不穩(wěn)定因素對測試結(jié)果的影響[2]。利用信號采集回放設(shè)備采集實際衛(wèi)星信號，包含多徑效應(yīng)、電離層延遲誤差等[3]，比模擬器產(chǎn)生的信號更具真實性；可以采集在郊區(qū)、城市、高架橋、隧道等不同遮擋情況的信號，對接收機進(jìn)行測試；回放具有可控性，能夠復(fù)現(xiàn)真實環(huán)境中的衛(wèi)星信號，不需要測試人員反復(fù)到外場進(jìn)行測試，縮短外場測試時間，提高測試效率。本文主要介紹了利用矩陣電子GNS7601-B采集回放設(shè)備、Novatel高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)、移動測試車等對接收機在真實衛(wèi)星信號下的定位測速精度的測試。利用信號采集回放設(shè)備，實時動態(tài)差分(RTK)接收機與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)進(jìn)行同步信號記錄與驗證，在微波暗室中以無線方式回放出衛(wèi)星信號，對不同廠家的接收機原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到各個接收機的定位測速精度和定位可用性測試結(jié)果。

全球定位系統(tǒng)(GPS)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合始于20世紀(jì)80年代初期[4-6]。組合導(dǎo)航系統(tǒng)利用GPS與慣性導(dǎo)航組合，克服了使用單一傳感器出現(xiàn)的性能問題，同時形成了一種性能超過之前任一系統(tǒng)的新系統(tǒng)[7,8]。GPS優(yōu)勢在于，即使慣性系統(tǒng)的定位精度隨著時間的推移而降低時，其仍然能夠提供保障在一定范圍內(nèi)的定位精度[9]。GPS在限制了導(dǎo)航誤差的同時，還可以完成對慣性傳感器的校準(zhǔn)工作。當(dāng)有樹木、建筑物遮擋或受到其他干擾，只有GPS定位情況下導(dǎo)航變得不可靠或不能使用[10]，這一情況下，慣性導(dǎo)航可以提供具有強互補性的定位性能，對系統(tǒng)定位結(jié)果做出充足的補充，以滿足系統(tǒng)輸出完全可靠的定位結(jié)果。

2 系統(tǒng)原理及方案設(shè)計

搭建由測試車、RTK基準(zhǔn)站、RTK流動站接收機、慣導(dǎo)單元、導(dǎo)航天線等設(shè)備組成的動態(tài)跑車測試系統(tǒng)，利用GNSS信號采集回放設(shè)備對導(dǎo)航信號采集存儲，然后，將采集存儲的信號在微波暗室中回放給被測接收機，記錄被測接收機輸出的定位測速數(shù)據(jù)，將由流動站接收機與慣導(dǎo)單元組成的高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用以計算包括測速精度等在內(nèi)的各項接收機性能指標(biāo)結(jié)果。跑車系統(tǒng)測試流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測試流程圖Fig.1 Flowchart of test system

選擇建筑物頂部經(jīng)過標(biāo)定的觀測墩架設(shè)天線，與此天線相連的接收機作為基準(zhǔn)站，流動站接收機的實時差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，則是通過3G數(shù)據(jù)傳輸電臺所實現(xiàn)。流動站接收機天線與數(shù)傳電臺安裝在測試車頂部，測試車輛選用依維柯。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示，跑車系統(tǒng)如圖3所示。天線接收的衛(wèi)星信號通過功分器分為兩路，一路經(jīng)30dB低噪聲放大器接采集回放儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，另一路接RTK流動站接收機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)差分，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行輔助，用以保證組合導(dǎo)航系統(tǒng)所輸出的結(jié)果連續(xù)、穩(wěn)定。

圖2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Flowchart of integrated navigation system

圖3 跑車實驗示意圖Fig.3 Illustration of experimental test on the vehicle

動態(tài)差分技術(shù)利用基準(zhǔn)站和移動站的誤差相關(guān)一致性，將誤差分解出來或?qū)⒄`差對偽距、載波信號的影響數(shù)據(jù)求出，來完成對流動站觀測誤差的消除，進(jìn)而實現(xiàn)對流動站內(nèi)觀測誤差進(jìn)行消除，最終提高定位性能等指標(biāo)。

高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)突出的優(yōu)點是在保證系統(tǒng)完整性的基礎(chǔ)上，提供了優(yōu)于任一單獨系統(tǒng)的可靠性和精度[11]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過慣性傳感器直接得到載體的角速度、加速度等信息，具有良好的自主性、不受外界干擾。同時，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過對慣性測量值的積分完成載體的定位，該方法的缺陷之一，是其誤差會隨著時間的積累而不斷累積[12]。GPS的突出優(yōu)點是導(dǎo)航定位精度高，不隨時間的推移而改變。其缺點在于可見星少或受到干擾情況下，定位精度下降甚至不能定位。組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)T性導(dǎo)航與GPS功能互補，突出其各自優(yōu)點。對于INS而言，由于儀器誤差得到實時校正，因而可以有效地提高導(dǎo)航精度，并實現(xiàn)動態(tài)對準(zhǔn)。

2.1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

采用兩臺NovAtel ProPak6(PP6)接收機與NovAtel SPAN-100C慣性測量單元組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。配置兩臺PP6接收機，使其處于RTK工作模式。一臺作為基準(zhǔn)站，安放在樓頂經(jīng)過標(biāo)定的固定點。另一臺作為流動站，與慣性測量單元構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，安裝在信號采集車內(nèi)的固定位置。將天線安裝在信號采集車車頂?shù)墓潭ㄎ恢?，車頂天線固定點與慣導(dǎo)系統(tǒng)的相對位置經(jīng)過標(biāo)定。開始跑車實驗前，測試車要在空曠地點反復(fù)以“8”字型軌跡行駛10min，以便組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行初始對準(zhǔn)。

利用動態(tài)差分技術(shù)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤到第一顆衛(wèi)星信號并獲取粗略時間，跟蹤到足夠的衛(wèi)星信號進(jìn)行衛(wèi)星定位，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)同步獲得初始位置，IMU原始觀測值開始獲得接收機的GPS時間標(biāo)記，并可用于INS濾波。接下來執(zhí)行對準(zhǔn)程序，系統(tǒng)初始對準(zhǔn)程序?qū)凑账O(shè)置的對準(zhǔn)模式進(jìn)行初對準(zhǔn)。經(jīng)過約1min后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入導(dǎo)航模式，此時GPS/INS解算開始輸出；系統(tǒng)通過陀螺和加速度計的變化量積分計算位置、速度和姿態(tài)，系統(tǒng)的誤差則是經(jīng)由Kalman濾波器來進(jìn)行處理。同時，GPS的解算結(jié)果、相位觀測值及自動的零速更新為Kalman濾波提供更新數(shù)據(jù)，若系統(tǒng)連接車輪傳感器，車輪位移更新也將應(yīng)用于Kalman濾波更新。特定的運動方式改變，如轉(zhuǎn)向、停車及啟動，都能有助于觀測方位角誤差并使其精度得以收斂，在3-5次的運動改變后，方位角的精度足以完成收斂。收斂后，前往目的地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分為兩種環(huán)境。一種是無遮擋、空曠環(huán)境中的衛(wèi)星信號，對被測接收機定位精度和速度精度指標(biāo)進(jìn)行測試。一種是“城市森林”中有高樓、立交橋遮擋的城市環(huán)境信號，對被測接收機定位信號可用性指標(biāo)進(jìn)行測試。到達(dá)目的地后，同時開啟組合導(dǎo)航系統(tǒng)和采集回放設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每種環(huán)境有效信號采集時間60min以上。采集無遮擋信號時，在空曠的路上避開樹木、橋梁的遮擋。我們選擇了北京市海淀區(qū)北清路作典型的無遮擋環(huán)境，數(shù)據(jù)采集過程中遇到紅燈需停車時完全避開路旁樹木的遮擋。采集有遮擋的城市環(huán)境信號時，在高樓和橋梁比較密集的地區(qū)。我們選擇了北京市海淀區(qū)中關(guān)村作為典型的城市環(huán)境，中關(guān)村地區(qū)高樓與橋梁較為密集，多徑、遮擋效果較為明顯。

2.3 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放有兩種方式，一種是在暗室中通過無線方式將采集回放儀的數(shù)據(jù)回放出來，另一種是將采集回放的信號直接輸入接收機。為模擬真實環(huán)境，選擇第一種方案，將回放信號引入暗室的發(fā)射天線，模擬真實環(huán)境中衛(wèi)星信號，如圖4和圖5所示。在發(fā)射天線對面有程控轉(zhuǎn)臺，接收天線通過夾具固定在轉(zhuǎn)臺上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)接收天線相位中心。調(diào)整轉(zhuǎn)臺與發(fā)射天線的相對角度，來模擬不同仰角的衛(wèi)星星座分布；調(diào)整轉(zhuǎn)臺與發(fā)射天線相對位置，來微調(diào)接收天線輸入口面的載波功率，使其處于標(biāo)準(zhǔn)功率標(biāo)定位置，保證衛(wèi)星信號能夠被所有接收機以相同的功率所接收。

圖4 微波暗室實驗示意圖Fig.4 Illustration of experiment in the microwave anechoic chamber

圖5 微波暗室中信號回放圖Fig.5 Replaying signal in the microwave anechoic chamber

考慮到不同頻率射頻信號存在一定的空間鏈路損耗，在采集回放器輸出端接入低噪聲放大器抵消鏈路損耗。

3 數(shù)據(jù)處理

Inertial Explorer數(shù)據(jù)處理軟件能夠處理所有可用的GPS、INS數(shù)據(jù)，后處理軟件利用基準(zhǔn)站差分處理、前向和反向處理、事后平滑處理和精密單點定位處理，可以達(dá)到比實時處理更精確的導(dǎo)航結(jié)果，提高組合導(dǎo)航解算精度和穩(wěn)定性。

用Inertial Explorer數(shù)據(jù)處理軟件將組合導(dǎo)航系統(tǒng)保存的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并填入天線、慣導(dǎo)相對位置信息加入INS輔助，處理得到不同環(huán)境下組合導(dǎo)航系統(tǒng)路線圖。無遮擋環(huán)境郊區(qū)跑車路線如圖6所示，有遮擋城市環(huán)境跑車路線如圖7所示。

圖6 郊區(qū)跑車路線圖Fig.6 Route map of vehicle driven in the suburb

圖7 城市環(huán)境跑車路線圖Fig.7 Route map of vehicle driven in the city

在無遮擋環(huán)境下，GPS定位良好，其測試路線圖如圖8所示。然而，當(dāng)存在樹木或建筑物遮擋、搜星顆數(shù)不足時，只有GPS定位情況下導(dǎo)航變得不可靠或不能使用，則需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來輔助定位，如圖9中畫圈點位所示。

圖8 GPS定位良好時測試路線圖Fig.8 Route map result with reliable GPS

圖9 GPS定位不可用時測試路線圖Fig.9 Route map result with unreliable GPS

在進(jìn)行數(shù)據(jù)比對時，需要將組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的原始數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，同時將原始數(shù)據(jù)按照時間、緯度、經(jīng)度、高度、水平速度、垂直速度與合成速度等內(nèi)容格式，如圖10所示。被測接收機輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過配套軟件處理成相應(yīng)數(shù)據(jù)格式。通過matlab編程，將兩組數(shù)據(jù)逐條對比，得到接收機的水平定位精度、垂直定位精度、水平速度誤差與垂直速度誤差。

4 數(shù)據(jù)比對處理及結(jié)果分析

本文中對五家單位的導(dǎo)航接收機進(jìn)行了測試，接收機分別以1Hz速率輸出GGA與DHV格式的數(shù)據(jù)。截取相同時段時長60min數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。某廠家部分時段的數(shù)據(jù)見表1。

4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)測試規(guī)范[14]，需要將導(dǎo)航單元輸出的大地坐標(biāo)系(BLH)定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)系(ENU)定位數(shù)據(jù)，計算各歷元輸出的定位數(shù)據(jù)在站心坐標(biāo)系下各個方向的定位誤差。

在定位計算中，首先將大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心地固直角坐標(biāo)系，再從地心地固直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系。此二者之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式[15]為

表1 某廠家部分時段的數(shù)據(jù)Tab.1 Parts of data from a certain manufacturer國際協(xié)調(diào)時間(時分秒)緯度(度)經(jīng)度(度)21 4303 954.800 786 3111 616.073 720 0621 4313 954.800 799 9211 616.073 872 4321 4323 954.800 823 7711 616.073 909 7521 4333 954.800 865 3411 616.073 917 3921 4343 954.800 912 8811 616.073 919 2121 4353 954.800 892 9211 616.074 070 4021 4363 954.800 837 3711 616.074 280 8221 4373 954.800 765 2311 616.074 497 8821 4383 954.800 645 5811 616.074 881 6221 4393 954.800 301 7711 616.075 642 15

x=(N+h)cosφcosλ

(1)

y=(N+h)cosφsinλ

(2)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(3)

式中：N——基準(zhǔn)橢球體的卯酉曲率半徑；e——基準(zhǔn)橢球體的偏心率；a——基準(zhǔn)橢球體的長半徑；b——基準(zhǔn)橢球體的短半徑。

其中，N和e與a和b存在關(guān)系為

(4)

(5)

其中,a=6 378 137.0m。

地心地固直角坐標(biāo)系與站心坐標(biāo)系(Ni，Ei,Ui)之間的轉(zhuǎn)換，可以通過一系列坐標(biāo)平移和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)，其變換公式[15]為

(6)

(7)

4.2 定位測速精度數(shù)據(jù)處理

我們采用郊區(qū)的無遮擋數(shù)據(jù)進(jìn)行定位測速精度。需要接收機輸出的GGA與DHV格式的數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對應(yīng)時間的位置與速度對比，獲得定位測速精度。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：mh，mv——水平定位精度和垂直定位精度，單位為米；Ni0，Ei0，Ui0——標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在站心地平坐標(biāo)系下的北、東、高坐標(biāo)，單位為米；Ni，Ei，Ui——被測數(shù)據(jù)在站心地平坐標(biāo)系下的北、東、高坐標(biāo)，單位為米；Nvi，Evi，Uvi——標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在站心地平坐標(biāo)系下的北、東、高速度，單位為米/秒；VN，VE，VU——被測數(shù)據(jù)在站心地平坐標(biāo)系下的北、東、高速度偏差，單位為米/秒；Nvi0，Evi0，Uvi0——被測數(shù)據(jù)在站心地平坐標(biāo)系下的北、東、高速度，單位為米/秒；n——獲得的定位坐標(biāo)個數(shù)。

不同廠家郊區(qū)數(shù)據(jù)定位測速結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

圖11 定位精度對比圖Fig.11 Comparison of location accuracy

圖12 測速精度對比曲線圖Fig.12 Comparison of velocity measurement accuracy

4.3 定位可用性數(shù)據(jù)處理

城市定位可用性以三維定位精度10m為界，超出此范圍或數(shù)據(jù)丟失均視為數(shù)據(jù)不可用。

可用性通過定位精度10m以內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果占總數(shù)據(jù)量的百分比衡量。將定位精度從小到大排列，可用性在85%以上認(rèn)為接收機性能指標(biāo)合格。被測接收機定位可用性如圖13所示。

圖13 城市定位可用性示意圖Fig.13 Availability of terminals in the city

定位精度指標(biāo)可通過式(13)計算

(13)

(14)

式中：mp——三維定位精度，單位為米；S——參與運算的數(shù)據(jù)總量；α——定位可用性。

通過對五個廠家接收機測試，得到城市定位可用性和郊區(qū)定位測速精度見表2。

表2 精度測試結(jié)果Tab.2 Results of test accuracy編號郊區(qū)水平定位精度(m)郊區(qū)垂直定位精度(m)郊區(qū)測速精度(m/s)城市定位可用性(%)11.72.20.1296.621.04.00.1396.131.25.20.1187.441.34.80.0698.351.25.30.1197.1

5 結(jié)束語

本文提出一種利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航終端設(shè)備的動態(tài)定位精度測試方法。依據(jù)相關(guān)規(guī)程，對導(dǎo)航接收機郊區(qū)環(huán)境下的定位精度、測速精度和城市環(huán)境下定位可用性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試評估，驗證了測試方案。該方法可實現(xiàn)對導(dǎo)航型、測量型和授時型導(dǎo)航接收機和板卡級芯片的規(guī)范化測試，在導(dǎo)航產(chǎn)品檢測中具有廣泛的應(yīng)用前景。