BDS高精度動態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王琛琛, 徐學永, 王清太,周葉, 施金金

(北方信息控制研究院集團有限公司,江蘇 南京 215200)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是我國自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng),可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務(wù)．BDS按照“三步走”計劃進行建設(shè),2018年12月27日,北斗三號(BDS-3)基本系統(tǒng)已完成建設(shè),開始提供全球服務(wù)．目前,BDS全球服務(wù)性能為:定位精度水平10 m(95%)、高程10 m(95%),測速精度0.2 m/s(95%),授時精度20 ns(95%),系統(tǒng)服務(wù)可用性優(yōu)于95%．其中,在亞太地區(qū),定位精度水平5 m(95%)、高程5 m(95%)[1-3]．

隨著BDS的建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展,相關(guān)的衛(wèi)星導航產(chǎn)品已廣泛應用于交通運輸、航洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預報、通信時統(tǒng)等領(lǐng)域,逐步滲透到人類社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面[4]．作為用戶與衛(wèi)星導航系統(tǒng)唯一接口的BDS用戶設(shè)備形態(tài)多種多樣,呈現(xiàn)多元化、綜合化和更新快等諸多特點,而其性能的優(yōu)劣、質(zhì)量的高低、安全可靠與否將直接影響到廣大用戶和消費者的切身利益,影響到行業(yè)安全,甚至影響到我國BDS產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展,應用市場能否形成規(guī)模．因此,在BDS用戶設(shè)備進駐市場前,要進行相關(guān)性能的檢測．

對于BDS用戶設(shè)備而言,動態(tài)性能是衡量其性能的關(guān)鍵技術(shù)指標．目前國內(nèi)外學者針對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)動態(tài)性能檢測做了相關(guān)的研究,主要是如何建立合適的動態(tài)檢測基準,提出了不同的測試方法、評價指標,并設(shè)計了不同的檢測系統(tǒng),如2002年美國R.K.Talor等[5]利用直線鐵軌坐標來校核接收機的動態(tài)性能;2008年何峰等[6]設(shè)計了旋轉(zhuǎn)平臺的檢測系統(tǒng),利用天線相位中心穩(wěn)定的運行軌跡推算動態(tài)運行過程中位置,評價動態(tài)定位的性能;2014年王博等[7]提出了基于雙天線法的檢測方法,兩臺終端同時完成動態(tài)定位后,解算出每個歷元的幾何距離與地面測量的精確距離并進行比對,以效驗檢測終端的動態(tài)定位精度;還有學者提出利用光學原理輔助、模擬器仿真等檢測方法[8-12]．這些方法存在著幾何軌跡標定誤差、運動軌跡單一、時間系統(tǒng)統(tǒng)一和坐標系統(tǒng)統(tǒng)一等問題,且均采用測試數(shù)據(jù)事后處理方式,測試中異常情況無法及時告知,測試過程不可控．

基于此,本文設(shè)計了一種基于車載的高精度動態(tài)檢測系統(tǒng),稱為BDS高精度動態(tài)檢測系統(tǒng)(BDHDS)．該系統(tǒng)通過高精度基準設(shè)備和測試設(shè)備共源的方式解決時空統(tǒng)一問題,利用評估軟件對測試設(shè)備進行集中管理并實時處理分析測試數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果并自動生成結(jié)果報表,同時利用監(jiān)控設(shè)備記錄測試過程,可實現(xiàn)真實環(huán)境下用戶設(shè)備的動態(tài)性能的高效測試．

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 基本組成

BDHDS以依維柯車輛為載體,對車輛后艙改裝后進行構(gòu)建,主要包括測試基準模塊、測試用戶設(shè)備接入模塊、供配電模塊、信號采集回放模塊、監(jiān)控模塊以及測試控制與評估模塊,如圖1所示．

圖1 檢測系統(tǒng)的基準組成框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

BDHDS測試用戶設(shè)備接入模塊、供配電模塊為BDS用戶設(shè)備測試提供了接入條件,測試基準模塊提供了測試比對基準．BDS用戶設(shè)備接入系統(tǒng)后，可將測試數(shù)據(jù)實時上傳到測試控制與評估模塊中,測試控制與評估模塊完成對數(shù)據(jù)的存儲、解析、評估并把實時結(jié)果顯示出來,同時信號采集與回放模塊、監(jiān)控模塊完成測試期間衛(wèi)星信號的采集、測試環(huán)境的錄制以及測試過程的監(jiān)控．測試結(jié)束后,測試控制與評估模塊可自動生成測試報表,最終可控、高效地完成BDS用戶設(shè)備的動態(tài)性能的檢測．

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試基準模塊設(shè)計

測試基準模塊為BDS用戶設(shè)備的動態(tài)性能測試提供實時基準,主要由GNSS天線、GNSS接收機、慣性測量單元(IMU)以及線纜組成.GNSS接收機接入測試點附近連續(xù)運行參考站(CORS)實時動態(tài)(RTK)數(shù)據(jù)和IMU進行深度耦合,輸出高精度的位置和姿態(tài)基準信息.測試時,基準數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口送到測試控制與評估模塊．

測試基準模塊采用雙GNSS天線方式,車輛處于低動態(tài)環(huán)境下,雙天線解算得到的姿態(tài)角能夠有效抑制姿態(tài)角的累計誤差,此外雙天線還能實現(xiàn)慣導的快速初始化．經(jīng)調(diào)研分析比較,本檢測系統(tǒng)選用目前國際上較先進的NovAtel 公司SPAN IMU-ISA-100C慣性組合導航設(shè)備作為測試基準,其中IMU經(jīng)精確標校后固定于車輛內(nèi)部,經(jīng)第三方檢測機構(gòu)檢測鑒定,基準的精度(RMS)為

1) 衛(wèi)星失鎖0 s:水平精度:0.02 m+1 ppm,高程:0.05 m+1 ppm,姿態(tài):橫滾:0.007°,俯仰:0.007°,航向:0.01°;

2) 衛(wèi)星失鎖10 s:水平精度:0.07 m+1 ppm,高程0.10 m+1 ppm,姿態(tài):橫滾:0.008°,俯仰:0.008°,航向:0.012°．

2.2 測試設(shè)備接入模塊設(shè)計

測試設(shè)備接入模塊為基準設(shè)備和BDS用戶設(shè)備提供信號接入方式,由信號接收層、信號轉(zhuǎn)發(fā)層構(gòu)成．信號接收層主要由主、從GNSS測量型天線、通信天線(GPRS/CMMB)組成,用于接收BDS(包括BDS-3)、GPS等衛(wèi)星信號以及通信信號,信號接收層的設(shè)備固定置于車頂．信號轉(zhuǎn)發(fā)層主要由衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器、手機信號增強系統(tǒng)、功分器、測試微波暗箱及配套線纜組成,用于轉(zhuǎn)發(fā)、分配信號接收層接收的信號,供基準設(shè)備和待測BDS用戶設(shè)備接入．本檢測系統(tǒng)的主要信號流程如圖2所示．

圖2 檢測系統(tǒng)的主要信號流程圖

其中,測試暗箱為一體式BDS用戶設(shè)備性能的檢測提供環(huán)境,開放式測試區(qū)域為分體式BDS用戶性能的檢測提供條件．

2.3 供配電模塊設(shè)計

供配電模塊主要由數(shù)字電源總成、UPS和蓄電池組成[13],該模塊給測試基準設(shè)備、待測BDS用戶設(shè)備及檢測系統(tǒng)中其他電子設(shè)備供電．

2.4 信號采集回放模塊設(shè)計

信號采集回放模塊采用全頻段導航信號采集回放儀,連接到測試設(shè)備接入模塊,可將測試外場實際衛(wèi)星導航信號采集后,以記錄的形式存儲于設(shè)備內(nèi)部,并能夠進行多次回放,為檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)事后分析提供參考．

2.5 監(jiān)控模塊設(shè)計

監(jiān)控模塊由行車記錄儀、雙側(cè)攝像頭、暗箱攝像頭、內(nèi)部全景攝像頭、硬盤錄像機和存儲硬盤等組成．行車記錄儀用于監(jiān)控車前道路情況,雙側(cè)攝像頭用于監(jiān)控道路兩側(cè)的情況,暗箱攝像頭監(jiān)控暗箱內(nèi)一體式BDS用戶設(shè)備狀態(tài),全景攝像頭監(jiān)控測試過程,硬盤錄像機和存儲硬盤完成監(jiān)控視頻的錄像存儲．該模塊主要錄制實際測試場景,為事后數(shù)據(jù)分析所用,同時保證檢測過程透明、可控．

2.6 測試控制與評估模塊設(shè)計

測試控制與評估模塊是檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,主要完成基準設(shè)備及被測設(shè)備的設(shè)置管理，數(shù)據(jù)的接收、存儲、解析、處理，測試結(jié)果的顯示，測試記錄表的生成，測試過程中的監(jiān)控顯示以及測試數(shù)據(jù)事后分析等功能．測試控制與評估子系統(tǒng)主要由串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、工控機、機架式與吸頂式兩種液晶顯示器以及測試評估軟件組成．

考慮到動態(tài)測試信息反饋的實時性以及可視化效果,測試評估軟件采用JavaScript進行開發(fā)[14]．測試評估軟件的流程如圖3所示,基本參數(shù)設(shè)置完成后,通過接口管理模塊接入基準設(shè)備以及BDS用戶設(shè)備實時數(shù)據(jù)流,解析成功后實時統(tǒng)計用戶設(shè)備的動態(tài)性能并顯示,同時標繪行車軌跡,測試結(jié)束后自動生成測試結(jié)果報表．對于文件數(shù)據(jù),也可進行處理分析．測試評估軟件主界面如圖4所示．

圖3 測試評估模塊軟件設(shè)計

圖4 測試評估軟件主界面圖

3 試驗驗證

為了驗證BDHDS的正確性和穩(wěn)定性,選擇較為開闊的南京市江寧區(qū)軟件園某路線進行了靜態(tài)試驗和低速跑車動態(tài)試驗(車速約45 km/h)，如圖5所示．另外選擇寧宣高速某段進行了高速跑車動態(tài)試驗(平均車速大于100 km/h),行駛路線如圖6所示．測試設(shè)備選用不同廠家生產(chǎn)的兩臺BDS設(shè)備(以下簡稱BDS設(shè)備1號和BDS設(shè)備2號),該兩款設(shè)備接收BDS地基增強系統(tǒng)播發(fā)的廣域差分產(chǎn)品-軌道、鐘差改正數(shù)以及電離層產(chǎn)品進行單頻偽距差分定位[15],設(shè)備的定位性能指標均為:水平2.0 m(95%),高程3.0 m(95%)．

圖5 靜態(tài)/低速動態(tài)試驗圖

圖6 高速動態(tài)跑車試驗路線圖

靜態(tài)試驗的時間設(shè)為2.5 h,低速跑車試驗設(shè)為約1 h,高速的跑車試驗設(shè)為約1.5 h．將測試設(shè)備和基準設(shè)備的定位結(jié)果進行實時比對,得到的各測試場景下的結(jié)果報表如表1所示,靜態(tài)試驗的誤差時序圖如圖7～8所示,低速跑車試驗的誤差時序圖如圖9～10所示,高速跑車的誤差時序圖如圖11～12所示．

表1 試驗測試結(jié)果 m

從圖7～8可以看出,靜態(tài)測試場景下,兩臺設(shè)備的定位精度相當,北向的定位精度優(yōu)于1.0 m,東向的定位精度優(yōu)于0.5 m,高程的定位精度優(yōu)于1.3 m,且誤差曲線較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)跳變點．經(jīng)分析是由于靜態(tài)測試期間,測試周邊環(huán)境良好．

圖7 BDS設(shè)備1號靜態(tài)試驗誤差時序圖

圖8 BDS設(shè)備2號靜態(tài)試驗誤差時序圖

從圖9～10可以看出,低速行駛狀態(tài)下,兩臺設(shè)備北向的定位精度優(yōu)于0.5 m,東向的定位精度優(yōu)于1.2 m,高程的定位精度優(yōu)于3.0 m,誤差曲線偶有跳變．經(jīng)分析是因為所選路段周邊時有樹木遮擋導致．

圖9 BDS設(shè)備1號低速動態(tài)試驗誤差時序圖

圖10 BDS設(shè)備2號低速動態(tài)試驗誤差時序圖

從圖11～12可以看出,高速行駛狀態(tài)下,兩臺設(shè)備北向的定位精度優(yōu)于0.7 m,東向的定位精度優(yōu)于1.2 m,BDS 1號設(shè)備的天向高程精度為3.01 m,BDS 2號設(shè)備的天向高程精度為2.15 m.此外在誤差時序圖，可以看出跳變點較多．事后結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備圖像進行分析,發(fā)現(xiàn)在試驗中經(jīng)過了幾個高架橋,且有幾輛大型卡車經(jīng)過,路況相對復雜,導致衛(wèi)星信號多次出現(xiàn)短暫失鎖現(xiàn)象，如圖13所示．

圖11 BDS設(shè)備1號高速動態(tài)試驗誤差時序圖

圖12 BDS設(shè)備2號高速動態(tài)試驗誤差時序圖

圖13 某時刻高速動態(tài)跑車試驗周邊環(huán)境圖

綜上,除了高速動態(tài)試驗BDS 1號設(shè)備高程略有超差外,無論是靜態(tài)、低速動態(tài)還是高速動態(tài)場景,BDS 1號設(shè)備和2號設(shè)備的定位精度均符合廠家指標．此外BDHDS能真實地記錄并還原測試場景,能自動生成測試結(jié)果報表．可見本文設(shè)計的系統(tǒng)可以直觀準確高效地檢測評估BDS設(shè)備的動態(tài)性能．

4 結(jié) 論

本文針對BDS用戶設(shè)備動態(tài)性能的檢測需求,設(shè)計了一種高精度動態(tài)檢測系統(tǒng).詳細闡述了系統(tǒng)各個模塊的功能、組成、工作原理以及具體實現(xiàn)途徑,并進行了靜態(tài)、低速動態(tài)和高速動態(tài)試驗驗證．試驗結(jié)果表明該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)BDS用戶設(shè)備的高效、自動化的測試,具有一定的先進性．由于本系統(tǒng)基準精度較高,未來也可滿足更高精度的BDS-3用戶設(shè)備(包括BDS組合導航設(shè)備)的動態(tài)性能的測試．

目前該系統(tǒng)已推廣應用于“國家BDS地基增強系統(tǒng)”項目驗收工作中,并發(fā)揮了重要的作用．