北斗接收機定位校準試驗

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研究所，北京100095)

0 引言

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

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

北斗接收機的性能指標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就是接收機的定位精度。本文將首先介紹北斗接收機定位精度的幾種常用校準方法，然后通過校準試驗來對比這幾種方法的優(yōu)缺點。

1 北斗接收機定位精度校準方法

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

1.1 北斗接收機試驗場校準

1.1.1 基準點接收機靜態(tài)觀測

基準點靜態(tài)觀測是北斗接收機定位校準最常用的方法，將接收機的天線放置于已知大地坐標的基準點位上進行，同時仍需要基準點處于衛(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。設備安裝見圖1。調整基座使接收機天線居中，接收機采集數據時間不少于1 h。計算接收機采集到的坐標和基準點坐標之間的距離即為接收機的定位誤差。

1.1.2 利用高精度GNSS 接收機對比測試

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

對比測試需要一臺定位精度較高的GNSS 接收機，一個已知坐標的基準點。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接收機采用RTK 測試方式，試驗設備安裝如圖2所示。連接GNSS 接收機基準站的天線放在基準點上，并將基準點的坐標值輸入GNSS 接收機基準站;連接移動站的天線放在距離基準點小于30 km 的地方，并通過功率分配器將衛(wèi)星信號輸入給GNSS 接收機移動站和被校準的北斗接收機，這樣兩臺接收機接收到同一點的坐標。同時需要將兩臺接收機內最小捕獲衛(wèi)星仰角設為同一值。數據采集時間不少于1 h。GNSS 接收機采集得到的坐標值為標準值，北斗接收機采集得到的坐標值為測量值，兩者進行對比。

圖2 利用GNSS 接收機(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定來得到，因而此軌道上的每一點坐標都可以精確獲得。實驗過程需要先確定被試設備的初始位置，然后驅動載車在軌道上勻速行駛，記錄載車跑完一圈花費的時間，記錄下每秒定位結果并存儲［3］，再與標準值進行比較。

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和高精度的接收機安裝在同一跑車上，以高精度的接收機作為參考標準，來對被測的北斗接收機進行測試。跑車測試方法重復性較差，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

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

PC 機和信號模擬器之間利用高速以太網相連接，在PC 機上通過軟件控制信號模擬器發(fā)送已經設定好測試參數和仿真場景的信號，利用PC 機上的數據采集軟件采集北斗接收機輸出數據。

圖3 信號模擬器仿真設備安裝簡圖

2 接收機校準試驗

基于試驗場基準點校準和衛(wèi)星信號模擬器兩種校準方法，我們分別做了試驗，來比較兩種校準方法的優(yōu)缺點。

2.1 接收機試驗場校準試驗

我們在試驗場選擇了兩個基準點，稱之為1 號基準點和2 號基準點。(1 號基準點四周有少量建筑物、樹木等遮擋物，還有通信信號塔;2 號基準點所在位置比較空曠。)選用北京和芯星通公司生產的定位型高精度接收機UR240。該款接收機支持雙系統(tǒng)四頻點，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

驗設備安裝如圖1所示。

2.1.1 接收機試驗場試驗接收性能分析

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

第一天在1 號基準點北斗接收機UR240 在10:00 ～16:00 時間段內測試結果見圖4。

圖4 UR240 在1 號基準點接收信號情況

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的信噪比方可被接收機捕獲參與定位解算。1號基準點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)星信號信噪比產生干擾，當信噪比小于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定位解算能力。

第二次測試，將接收機UR240 放在四周較為空曠的2 號基準點上，同樣在10:00 ～16:00 時間段內進行觀測，觀測結果如圖5所示。

圖5 UR240 在2 號基準點接收信號情況

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情況好轉很多，從圖5(b)可以看出衛(wèi)星失鎖情況雖有發(fā)生，但較之1 號基準點有明顯改善。

1 號基準點四周存在的遮擋物和通信信號塔都會對接收機接收衛(wèi)星信號產生干擾，外界干擾會使衛(wèi)星的信噪比低于標準的載波功率噪聲密度比C/N0，會出現個別衛(wèi)星雖然進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 號基準點四周比較空曠，情況比在1 號基準點要好很多，但是受電離層。天氣變化等其他狀況的影響也會出現信噪比低，信號失鎖等情況。

2.1.2 接收機試驗場定位結果分析

用接收機UR240 分別在1 號和2 號基準點測量得到的經度、緯度等信息與實際基準點的信息比較，計算得到兩點距離差，得到接收機定位誤差。測試數據見表1。

表1 UR240 基準點實測定位(水平)結果

從表1 中最后處理結果可以看出，對于同一臺接收機，在1 號基準點測得的定位誤差和測量重復性都比在2 號基準點要差，同對接收機接收性能分析的結果相符合，主要是因為1 號基準點四周環(huán)境影響。但是其中也有無法確定的因素，雖然兩次測試試驗天氣大體相同，也無法保證電離層、對流層、多徑效應以及地球自轉響應等影響因素完全相同。這在試驗場校準中是不可避免的。

2.2 接收機基于衛(wèi)星信號模擬器仿真校準

通過接收機試驗場校準試驗，我們無法避免復雜的天氣變化、電離層等一些因素的影響，雖然這種方法最接近實際使用狀態(tài)，但是它可重復性差。因此我們利用國防科技大學三院的GNS-8332 型多星座導航信號模擬器進行仿真實驗。該仿真機可以實現衛(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、多徑效應仿真、地球自轉效應仿真、相對論效應仿真、地面大氣參數仿真以及用戶軌跡仿真(能夠模擬靜態(tài)、車輛、飛機、艦船、運載火箭、導航和衛(wèi)星等載體的運動特性)。通過設置不同的場景和測試參數對接收機進行校準試驗。

2.2.1 接收機仿真試驗接收性能分析

圖6 為衛(wèi)星信號模擬器模擬1 號基準點測試時的仿真結果。GNS-8332 多星座導航信號模擬器的仿真日期和時間段分別設為做試驗場校準試驗的日期和時間段，測試點坐標設為1 號基準點的標準坐標值。模擬器可以對各個通道上的衛(wèi)星信號做功率調整，因此可參照實測時的衛(wèi)星接收情況調整衛(wèi)星信號強度使得UR240 的仿真觀測環(huán)境和實測相近。

圖6 模擬器模擬1 號基準點仿真測試

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

2.2.2 接收機仿真試驗結果分析

接收機仿真試驗結果如表2、表3所示。

表2 UR240 仿真測試定位(水平)結果

表3 UR240 實測和仿真結果對比

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

3 結論

通過以上兩種接收機的校準試驗，可以得出以下結論:①在試驗場，校準接收機雖然更貼近實際使用情況，但是容易受外界環(huán)境的影響。因此在試驗場對接收機校準時要盡力排除一些可控的影響因素，比如地點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驗環(huán)境;②在仿真試驗中發(fā)現，衛(wèi)星信號模擬器仿真的星座與實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確、可靠的測試環(huán)境，避免實際測試中的一些干擾因素，重復性更好。

［1］謝鋼.全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［2］張杰，曹相，錢崢.高精度北斗/GPS 接收機性能和精度淺析［J］.現代測繪，2013，36(3):24-27.

［3］薛光輝，韓冬梅.北斗衛(wèi)星導航接收機定位精度測試方法探討［J］.科技創(chuàng)新導報，2014(23):53-58.

［4］賈超廣，肖海霞.基于衛(wèi)星信號模擬器的北斗接收機性能測試與分析［J］.導航定位學報，2013，1(4):14-18.