基于模擬器的輔助導航測試方法研究

彭 明 王 田 薛仁魁 楊文彬 武新波 黃子濤

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展和在生產(chǎn)生活領域應用的不斷深入，用戶對導航終端的應用體驗要求越來越高，不僅要求在開闊的應用場景下定位快速準確，同時對城區(qū)高樓林立、高架橋、林蔭路及室內弱導航信號應用場景下的快速定位提出了強烈需求。因此，為了提高導航終端對衛(wèi)星導航信號的捕獲概率，縮短首次定位時間，提高靈敏度，產(chǎn)生了輔助導航技術(A-GNSS)。

一般意義上的輔助導航技術是利用公共網(wǎng)絡的GPRS/GSM/CDMA等通信技術，通過在導航終端中添加無線網(wǎng)絡通信模塊來傳輸定位所需的星歷歷書以及控制信號等輔助參數(shù)來實現(xiàn)，為開展此類驗證需搭建基于網(wǎng)絡基站服務器的測試系統(tǒng)，成本高。本文基于導航信號模擬器，利用基準站接收機傳送輔助數(shù)據(jù)(星歷信息及時間信息)的方式，構建輔助導航測試系統(tǒng)，提出了一種新的輔助導航測試方法，對接收機利用輔助數(shù)據(jù)實現(xiàn)快速定位進行了驗證。

首次定位時間(TTFF)是指接收機啟動后至給出第一個滿足定位精度要求結果所需的時間，影響它的主要兩個因素是對多個衛(wèi)星信號捕獲的快慢和獲取有效星歷的時間長短。利用輔助導航技術，提前將輔助信息傳輸?shù)浇邮諜C上，幫助接收機實現(xiàn)快速信號捕獲和定位[1]。本文著重介紹了一套室內輔助導航模擬測試系統(tǒng)，對接收機輔助導航快速捕獲性能進行了測試驗證[2]。

2 測試系統(tǒng)構成

基于衛(wèi)星導航信號模擬器，利用高精度接收機構建輔助導航測試系統(tǒng)，對接收機輔助導航快速定位性能進行測試驗證。

選用湖南矩陣電子生產(chǎn)的雙通道衛(wèi)星導航信號模擬器，該模擬器具備兩個射頻輸出口，可仿真同一時間不同地點的場景類型，可進行RTK等模擬信號測試；此外選用商用高精度接收機作為基準站接收機，接收模擬器播發(fā)的衛(wèi)星導航信號，定位后生成包括星歷和時間信息的輔助數(shù)據(jù)，被測接收機同時接收模擬器導航信號和輔助數(shù)據(jù)進行快速捕獲定位，提高啟動時間[3]。測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 輔助導航測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition diagram of assisted navigation test system

2.1 衛(wèi)星導航信號模擬器

如圖2所示，選用湖南矩陣電子生產(chǎn)的GNS 8450雙通道模擬器，能接收仿真機傳輸?shù)奈恢?、速度、加速度等信息，模擬在軌的位置分布和運動，模擬衛(wèi)星星歷、導航電文等，根據(jù)姿態(tài)、接收機天線布置、天線方向圖等因素，模擬接收機接收到的不同信號的到達入射角、強弱和延時，具備對接收機性能的全面測試和評估功能。

圖2 衛(wèi)星導航信號模擬器Fig.2 Satellite navigation signal simulator

2.2 基準站接收機

如圖3所示，選用和芯星通UR380高精度接收機，該接收機使用基于Nebulas TM 多系統(tǒng)多頻率高性能SoC 芯片，支持三系統(tǒng)八頻點，提供藍牙、WIFI、WCDMA 3G 數(shù)據(jù)模塊，能夠輕松實現(xiàn)PC或是智能手機、PDA 對接收機的訪問操作，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高，支持RTCM 3.2協(xié)議。

圖3 高精度接收機Fig.3 High precise receiver

高精度接收機接收導航信號定位后，通過RS232串口輸出輔助數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)格式為RTCM 3.2協(xié)議里規(guī)定的多信號信息類型MSM 4(63和1124信息類型)，輔助數(shù)據(jù)包含當前仿真場景位置下的星歷和時間信息。

2.3 被測接收機

如圖4所示，被測接收機選用北斗全球信號射頻基帶一體化集成芯片，該芯片是針對手機、可穿戴式設備、車載導航和車載監(jiān)控、授時等千萬級規(guī)模的消費類或行業(yè)類應用市場的產(chǎn)業(yè)化需求而設計，兼容北斗全球體制信號，支持輔助導航及差分增強。

圖4 被測接收機Fig.4 Tested receiver

3 測試流程

為驗證被測接收機利用輔助數(shù)據(jù)進行快速定位，測試場景選用兩個場景，場景信息如下：

(1)衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層時延、對流層時延等誤差參數(shù)設置為無時變誤差模式；

(2)衛(wèi)星星座設置：5顆可見BDS衛(wèi)星(2GEO+3非GEO)，滿足PDOP≤5[4]；

(3)用戶軌跡模型：最大動態(tài)(2m/s，0.05g)；

(4)RF輸出設置：單BDS模式，設置測試系統(tǒng)輸出B1I頻點信號；

(5)設置測試系統(tǒng)輸出信號至被測設備射頻輸入口信號功率為-133dBm。

兩個場景差異在于兩個場景距離相距1000km以上，時間相差7天以上。

圖5 輔助導航測試流程圖Fig.5 Flow chart of assisted navigation test

測試流程如圖5所示。測試流程中，首先發(fā)送指令，模擬器啟動場景仿真播發(fā)導航信號，基準站接收機接收信號進行定位，3min內完成高精度定位，同時往外播發(fā)輔助數(shù)據(jù)；3min后控制測試系統(tǒng)給被測接收機加電，接收機接收導航信號和輔助數(shù)據(jù)，2min內實現(xiàn)定位；隨后被測接收機斷電500s，期間改變4顆可見星，使接收機星歷失效，這一步的作用是根據(jù)接收機所用內部晶振守時精度，經(jīng)過500s后接收機內部晶振時間偏差將達到10ms左右，相當于星歷和時間輔助精度10ms；然后被測接收機重新加電，同時開始計時，被測接收機接收導航信號和輔助數(shù)據(jù)(星歷和時間輔助精度10ms)，測量被測接收機從計時開始到第一個滿足定位精度要求的時間間隔，即為啟動時間。

4 測試結果及分析

根據(jù)北斗專項標準BD 420005-2015《北斗/全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)導航單元性能要求及測試方法》，對接收機輔助定位啟動時間和無輔助冷啟動時間分別進行了十次測試，測試結果對比如表1所示。

表1 啟動時間測試結果

圖6 測試結果對比示意圖Fig.6 Composition contrast diagram of test results

從以上輔助定位和無輔助定位下啟動時間對比可以看出，利用基準站接收機播發(fā)的符合RTCM 3.2協(xié)議的輔助星歷和時間數(shù)據(jù)，被測接收機能得到多普勒頻移的預測值，實現(xiàn)了精確輔助定位，縮短了信號捕獲的時間，進而極大縮短了接收機的首次定位時間，證明了基于模擬器的這種輔助導航測試方法的合理性和可行性。

5 結束語

本文基于模擬器輔助導航測試，介紹了輔助導航下導航信號快速捕獲原理，詳細描述了基于模擬器的輔助導航測試系統(tǒng)和測試流程，并對測試結果進行了分析，驗證了此種輔助導航測試方法的可行性。

基于模擬器的輔助導航測試系統(tǒng)成本低且易于構建，具有較高的工程應用價值，在2018年中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室組織的北斗全球信號射頻基帶一體化集成芯片測評中成功得到了應用，可作為后續(xù)輔助導航研發(fā)測試的評估手段。