高精度北斗終端測試系統(tǒng)構(gòu)造方法

張 杰，曹 相

(南京市計(jì)量監(jiān)督檢測院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)已擴(kuò)展到信息服務(wù)、時(shí)頻服務(wù)、海洋儀器、測繪/GIS、通信、車輛導(dǎo)航及監(jiān)控等方面，市場潛力十分巨大，以車載導(dǎo)航為代表的導(dǎo)航產(chǎn)品逐漸走進(jìn)大眾生活。隨著北斗導(dǎo)航的發(fā)展，基于BDS/GPS的RTK和RTD北斗終端占有相當(dāng)大的市場。北斗終端產(chǎn)品市場前景廣闊，強(qiáng)勁的市場需求，吸引眾多商家蜂擁而至，但在高速發(fā)展的過程中也存在一些問題。諸多導(dǎo)航終端廠商缺乏理性，盲目推出產(chǎn)品，形成了惡性循環(huán)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，導(dǎo)致北斗終端市場出現(xiàn)了比較混亂的局面。GNSS產(chǎn)品的常見問題有定位精度低、靈敏度差、信號(hào)經(jīng)常丟失、無法導(dǎo)航、可靠性差等。研究有效的GNSS終端檢測系統(tǒng)，建立合理的市場準(zhǔn)入基準(zhǔn)對(duì)GNSS定位發(fā)展具有重要意義[1-3]。

20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)末，針對(duì)不同的用戶對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域需求，國內(nèi)外學(xué)者采用解析法對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度進(jìn)行分析[4-8]，不過該方法分析復(fù)雜且不易得到解析。隨著全球計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的逐步成熟，國內(nèi)外學(xué)者開始采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)仿真或?qū)嶒?yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，其優(yōu)勢在于可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到量化的結(jié)果，便于分析和理解，并且可以驗(yàn)證理論評(píng)估方法的優(yōu)劣性和合理性，如RMS法、CEP法、置信區(qū)間法等統(tǒng)計(jì)方法。北京航空航天大學(xué)的夏小靜等人分別采用RMS和CEP法給出了單點(diǎn)/區(qū)域定位精度的統(tǒng)計(jì)評(píng)估公式，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較，指出RMS法在描述定位精度方面更為準(zhǔn)確，但CEP法較RMS法更方便[9]；解放軍信息工程大學(xué)的宋美娟等人從方差、標(biāo)準(zhǔn)差、中誤差等角度對(duì)機(jī)載GPS的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位精度進(jìn)行分析。并取得相對(duì)位置20 cm、相對(duì)速度10 cm/s的精度[10]；在上述方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)GNSS專業(yè)領(lǐng)域特色，有學(xué)者提出結(jié)合DOP值等對(duì)精度進(jìn)行評(píng)估的方法，從精度、連續(xù)性、DOP值等方面對(duì)單歷元定位性能進(jìn)行分析，并對(duì)UERE結(jié)合DOP值的精度評(píng)估方法進(jìn)行分析與探討，但此法僅是從理論意義上對(duì)精度進(jìn)行概略評(píng)估，具有一定的參考意義但不適合用作檢測標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。

本文研究主要目標(biāo)是建成國內(nèi)首個(gè)GNSS高精度計(jì)量檢測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)GNSS多系統(tǒng)多頻數(shù)據(jù)融合及定位增強(qiáng)服務(wù)，構(gòu)建INS輔助GNSS的動(dòng)態(tài)定位高精度檢定基準(zhǔn)，研制面向RTK等高精度GNSS動(dòng)態(tài)定位性能評(píng)價(jià)的檢測裝備技術(shù)，填補(bǔ)我國對(duì)實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)導(dǎo)航北斗終端在實(shí)際運(yùn)行時(shí)檢測方法的空白。

1 系統(tǒng)組成

北斗終端動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)主要由下列部分組成。

1.1 操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)包括中央操作臺(tái)、操作面板、顯示器、鼠標(biāo)鍵盤、座椅等，操作桌如圖1所示。

中央操作臺(tái)尺寸為700×340 mm，主要包括木質(zhì)桌面、金屬桌體、軟包柜子(位于桌面下)、傾斜臺(tái)面、控制面板、雜物盒等。控制面板分為顯示器區(qū)、面板操作區(qū)、供電區(qū)、電量顯示區(qū)。操作面板可以進(jìn)行設(shè)備電源啟動(dòng)等操作。顯示器為19寸顯示器。鼠標(biāo)鍵盤用來操作軟件。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

(1)設(shè)備連接設(shè)計(jì)

設(shè)備連接設(shè)計(jì)包括工控機(jī)與業(yè)務(wù)設(shè)備、業(yè)務(wù)設(shè)備之間以及供電系統(tǒng)與工控機(jī)、供電系統(tǒng)與業(yè)務(wù)設(shè)備之間的鏈接。

(2)系統(tǒng)層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)層包括GNSS/INS組合導(dǎo)航基準(zhǔn)(采用諾瓦臺(tái)SPAN-100C系統(tǒng))、GNSS信號(hào)發(fā)射天線(用于將車外衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至檢測室內(nèi))以及GNSS北斗終端(包括一體式北斗終端和分體式北斗終端)，系統(tǒng)以GNSS/INS組合導(dǎo)航為基準(zhǔn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的方式，可以為GNSS北斗終端提供檢測服務(wù)。圖2為檢測系統(tǒng)設(shè)備連接圖。

(3)數(shù)據(jù)采集回放儀

針對(duì)數(shù)據(jù)采集回放儀，采用信號(hào)同源設(shè)計(jì)，利用時(shí)間、空間同步技術(shù)，與GNSS基準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，實(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)采集回放儀的數(shù)據(jù)接收，通過便利的可拆卸設(shè)計(jì)，在車載測試完畢后，便于數(shù)據(jù)采集回放儀的拆卸、數(shù)據(jù)采集等。

1.3 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)車載電源。車載電源選擇2節(jié)100 AH電池、逆變一體機(jī)和大功率充電機(jī)。

(2)電源分配單元。電源部分采用5個(gè)工業(yè)級(jí)的電源分配單元進(jìn)行電源控制。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)為工控機(jī)、筆記本電腦、一體式北斗終端、手機(jī)等提供網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通訊單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元、有線數(shù)據(jù)傳輸單元組成。系統(tǒng)組成如圖3所示。

由圖3可以看出，網(wǎng)絡(luò)通訊單元為無線數(shù)據(jù)傳輸單元、有線數(shù)據(jù)傳輸單元提供上網(wǎng)源，無線數(shù)據(jù)傳輸單元通過無線熱點(diǎn)與工業(yè)級(jí)無線路由器連接，有線數(shù)據(jù)傳輸單元通過網(wǎng)線與工控機(jī)直連，從而確保工控機(jī)、北斗終端、手機(jī)等可以訪問互聯(lián)網(wǎng)。

2 測試方法

2.1 系統(tǒng)使用

本系統(tǒng)是將GNSS天線放置于車頂，基準(zhǔn)設(shè)備、北斗終端放于車內(nèi)，利用信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備將外部信號(hào)同步轉(zhuǎn)發(fā)給基準(zhǔn)設(shè)備、北斗終端，以CORS系統(tǒng)為坐標(biāo)基準(zhǔn)，計(jì)算基準(zhǔn)設(shè)備以及北斗終端的定位信息，并作對(duì)比。

2.2 路線規(guī)劃

為了真實(shí)反映北斗終端的性能，本次測試選取的路線為以三寶科技園為起點(diǎn)，途經(jīng)金馬路-石獅路-紫東路-仙林大道-仙隱南路-靈山北路-匯通路。

2.3 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本次采用的基準(zhǔn)站設(shè)備為南方S82接收機(jī)。

2.4 北斗終端

行車前需要對(duì)車載檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備安裝，主要包括為衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線的安裝、手機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線的安裝以及車載導(dǎo)航系統(tǒng)啟動(dòng)等。

2.5 車載導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

天線安裝好后，依次啟動(dòng)工控機(jī)、GNSS設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備，打開Connect軟件，對(duì)GNSS基準(zhǔn)設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于工控機(jī)中，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括BDS/GPS/GLONASS三系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)、導(dǎo)航電文以及慣導(dǎo)數(shù)據(jù)。

2.6 北斗終端安裝

本次測試采用的北斗終端為中海達(dá)H32，北斗終端的安裝主要包括流動(dòng)站設(shè)備的安裝、接入CORS系統(tǒng)等。將流動(dòng)站設(shè)備安裝于檢測箱中，關(guān)上檢測箱。

2.7 數(shù)據(jù)記錄

操作手簿，選取RTCM32掛載點(diǎn)，將北斗終端接入CORS系統(tǒng)，得到固定解后，則以1 Hz頻率記錄定位結(jié)果，定位結(jié)果包括點(diǎn)位坐標(biāo)、衛(wèi)星數(shù)目、PDOP值、數(shù)據(jù)齡期以及固定率等。

2.8 動(dòng)態(tài)測試

準(zhǔn)備工作完成后，開始進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，啟動(dòng)車輛，車速控制在20～40 km/h，按照既定路線行駛，行車過程中觀察北斗終端是否會(huì)出現(xiàn)異常情況，若出現(xiàn)異常情況應(yīng)當(dāng)及時(shí)停車矯正。為便于動(dòng)態(tài)定位結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，起點(diǎn)處，系統(tǒng)啟動(dòng)后10 min車輛開始行駛，終點(diǎn)處，停車10 min后關(guān)閉系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)處理

行車過程中，北斗終端以1 Hz頻率存儲(chǔ)點(diǎn)位坐標(biāo)于手簿中，行車結(jié)束后，關(guān)閉設(shè)備，從手簿中導(dǎo)出北斗終端的動(dòng)態(tài)定位結(jié)果文件。定位結(jié)果文件中包括點(diǎn)位的時(shí)間、解類型(包括偽距差分解、浮點(diǎn)解以及固定解)、數(shù)據(jù)齡期以及參與解算的衛(wèi)星數(shù)等。

北斗終端的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括北斗終端的數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)設(shè)備與北斗終端的數(shù)據(jù)匹配、粗差剔除以及北斗終端的精度計(jì)算。

3.1 北斗終端的數(shù)據(jù)預(yù)處理

北斗終端的數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括3方面內(nèi)容，首先，選取解類型為固定解數(shù)據(jù)，剔除偽距差分解以及浮點(diǎn)解數(shù)據(jù)，然后剔除數(shù)據(jù)齡期超過5 s、PDOP值大于2.5以及衛(wèi)星數(shù)目少于4顆的點(diǎn)位，以“時(shí)間，緯度，經(jīng)度”格式保存成txt文件。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

北斗終端的定位結(jié)果為大地坐標(biāo)(BLH)，為了直觀地反映出北斗終端的定位精度，需要將北斗終端的定位結(jié)果轉(zhuǎn)換到地心地固坐標(biāo)系以及東北天坐標(biāo)系。

3.3 基準(zhǔn)設(shè)備與北斗終端的數(shù)據(jù)匹配

提取基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和待檢數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息，保留兩組數(shù)據(jù)中時(shí)間匹配后的數(shù)據(jù)參與統(tǒng)計(jì)。將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與待檢數(shù)據(jù)按方向分量按每個(gè)時(shí)間點(diǎn)作差得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的差值。

3.4 粗差剔除

靜止情況下RTK設(shè)備的定位精度為一倍中誤差，即平面2～3 cm，高程優(yōu)于5 cm。本次測試，以車載導(dǎo)航系統(tǒng)的點(diǎn)位測量值為真值，以三倍中誤差為限，對(duì)北斗終端點(diǎn)位測量值進(jìn)行粗差剔除。

3.5 點(diǎn)位精度計(jì)算

本次測試采用外符合精度統(tǒng)計(jì)方法，以車載導(dǎo)航系統(tǒng)的點(diǎn)位測量值為真值，計(jì)算北斗終端每個(gè)點(diǎn)位的誤差，統(tǒng)計(jì)外符合精度。

4 測試結(jié)論

對(duì)北斗終端的點(diǎn)位誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制點(diǎn)位誤差與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，絕大多數(shù)情況N方向與E方向定位誤差在0.02 m以內(nèi)，U方向定位誤差在0.06 m以內(nèi)。表1為北斗終端定位精度統(tǒng)計(jì)。

表1 北斗終端精度統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，北斗終端的定位精度為平面0.018 m，高程方向?yàn)?.039 m，定位精度較高。

5 結(jié) 語

本文構(gòu)建了一種北斗/INS組合導(dǎo)航動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，將GNSS天線放置于車頂，基準(zhǔn)設(shè)備、北斗終端放于車內(nèi)，利用信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備將外部信號(hào)同步轉(zhuǎn)發(fā)給基準(zhǔn)設(shè)備、北斗終端，以CORS系統(tǒng)為坐標(biāo)基準(zhǔn)，計(jì)算基準(zhǔn)設(shè)備以及北斗終端的定位信息，并做對(duì)比。通過實(shí)際測試,證明了系統(tǒng)可以檢驗(yàn)厘米級(jí)導(dǎo)航終端的定位精度，解決了傳統(tǒng)測量方法只能檢測北斗終端靜態(tài)定位精度的問題。