車載導航定位技術與測試方法

張欽娟　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師王　博　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師王　娜　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師楊　蒙　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師趙潤晶　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師陳曉晨　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師安旭東　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

車載導航定位技術與測試方法

張欽娟中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
王博中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
王娜中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
楊蒙中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
趙潤晶中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師
陳曉晨中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師
安旭東中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

導航定位功能是車載終端最基礎、應用最廣泛的功能之一。本文主要介紹了車載終端導航定位的應用現狀及國內外標準化進展情況，并對車載終端導航定位性能測試的指標、測試系統及測試方法進行了研究；最后對未來車載導航定位技術、車載導航定位測試方法及標準化發展進行了展望。

車載終端；導航定位；測試方法

1　引言

近年來，智能交通、無人駕駛、車輛緊急定位報警等業務需求越來越迫切，車載導航定位功能是實現上述業務的基礎。車輛的導航定位通過前裝或后裝車載終端來完成，其性能指標直接影響相關業務的用戶體驗，因此對車載終端的導航定位性能進行測試評估是非常必要的。

2　車載導航定位概述

目前，市面上的車載終端以Telematics產品為主。Telematics是由Telecommunication（電信學）與Information（信息學）組成的復合詞，其含意是指：利用車用通信與信息服務，讓汽車駕乘者可以在車內利用無線通信技術隨時隨地與外在環境資源做雙向的信息傳輸與傳遞服務，提供使用者適時化、位置化、個人化的應用服務。Telematics車載終端可以實現通信服務類功能、導航定位類功能、咨詢娛樂類功能、遠程監控功能、車況數據上報等功能。其中，導航定位功能是最基礎、應用最廣泛的功能之一，主要是利用GNSS、A-GNSS、基站定位等定位技術，可以為駕乘人員提供位置信息查詢、位置導航、實時路況和在線更新地圖等基于位置的服務。

車輛中的導航定位功能可以通過前裝系統來實現，例如通用的OnStar系統，也可以通過后裝終端來實現。車載終端一般可以提供位置搜索功能，查找指定的目的地的位置或者基于某一位置查找周邊一定范圍內符合搜索條件的地址信息；可以提供路線計算與引導功能，依據一定的路由策略（如最短的路徑、實時道路交通情況等），為駕乘人員規劃從起點到終點的行車路線，并且可以提供實時交通路況信息等。

上述功能都是常規的導航定位應用場景，在特殊場景下，比如發生緊急狀況時，一些車載終端還能提供定位報警服務，即在報警的同時，上報車輛準確的位置信息。在事故發生時，將位置信息自動發送出去將大大提高緊急救援的時效性，根據歐盟的估計，緊急情況下定位報警可以減少約60%的救援時間。這個過程中，定位報警提供位置信息的速度和位置準確性非常關鍵。可以認為，導航定位功能是車載終端最基礎的功能，基于該功能可以為駕乘人員提供各種基于位置的應用服務。緊急情況下定位報警可以算作基于位置的服務之一，而要實現該服務，需要終端、通信網絡、接警中心等各方面的配合。

俄羅斯的ERA-GLONASS系統和歐洲的eCall系統是目前較成熟的車輛緊急情況下的定位報警系統。根據俄羅斯相關技術法規，從2015年1月開始，想要獲得關稅同盟首次批準的進口全新車型必須配裝車載ERA-GLONASS終端；從2017年開始，關稅同盟國所有上路的新車必須配裝該設備。歐盟目前的規定是，從2018年4月起，歐洲所有轎車及輕型貨車必須配備緊急自動呼叫裝置eCall。

我國于2014年1月3日成立了公眾緊急報警傳送及定位技術推進組，中國信息通信研究院（原工業和信息化部電信研究院）為組長單位，聯合公安部第一研究所、三大運營商、終端廠商等共同制定適用于我國國情的緊急情況下的定位報警技術標準、測試標準，并計劃搭建演示系統，逐步向現網中推廣應用。

3　標準化情況

3.1國際標準

衛星導航相關的國際標準主要分為衛星導航信號格式標準、接收設備數據格式標準、接收設備性能要求及測試方法標準。

衛星導航信號格式標準主要為接口控制文件（ICD文件），由各國導航衛星系統研發制定國公布，規定信號載波頻率、數據碼型、星歷、歷書等參數。目前，中國的北斗、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo系統均已公布接口控制文件。

國際上廣泛應用的衛星導航接收設備數據格式標準包括海洋電子設備接口標準NMEA0183、航海無線電技術委員會標準RTCM-SC104、航空無線電技術委員會的RTCA-SC159標準、國際大地測量協會的RINEX3.0標準等。

國際上接收設備性能要求及測試方法標準主要采用國際電工委員會（IEC）的IEC61108系列標準。在信息通信領域，采用通信網絡輔助的衛星導航方式提高導航定位性能，射頻性能一致性和協議一致性標準主要包括3GPPTS36.305、TS36.171、TS36.355、3GPPTS 37.571等。空間射頻性能標準由國際標準組織CTIA負責制定，其中AGPSOTA標準在ERP工作組完成，A-GLONASS OTA標準在A-GNSS工作組完成，A-BDSOTA標準在該標準中暫未涉及，標準版本還在不斷更新中，最新版本為《ctia_ota_test_plan_ver_3_5》。

針對車載終端導航定位，國際上主要有俄羅斯的ERA-GLONASS系列標準和歐盟E-Call系列標準。俄羅斯聯邦國家標準：GOST55534《車內緊急呼叫系統—導航模塊的試驗方法》、GOSTR54620-2011《全球衛星導航系統、事故緊急響應系統、應急勤務部門車載呼叫系統通用技術要求》、GOSTR51794《全球導航衛星系統—坐標系》等。（原標準為俄文，名稱為翻譯）歐盟標準為：CEN/TS 16454：2012《Intelligent Transport Systems-ESafety-ECallend to end Conformance Testing》。

3.2國內標準

國內衛星導航標準制定最初以各應用領域自制為主，民用標準主要分布在交通運輸、信息通信、民航及空管、測繪勘探、防震減災等各個行業，軍用標準主要是機載和艦載設備的應用標準。

（1）在車載導航定位標準方面

已經發布的標準和規范主要有：GB/T19392-2013《汽車GPS導航通用規范》、GB/T19056-2012《汽車行駛記錄儀》、JT/T794-2011《道路運輸車輛衛星定位系統車載終端技術要求》、交通運輸部《道路運輸車輛衛星定位系統北斗兼容車載終端技術規范》、JT/T590-2004《北斗衛星無線電測定業務（RDSS）民用車（船）載遇險報警終端設備技術要求和使用要求》、JT/T808-2011《道路運輸車輛衛星定位系統終端通訊協議及數據格式》等。

（2）在信息通信行業

主要由中國通信標準化協會統一管理標準的制修訂工作，其中與車載終端導航定位相關的在研標準和研究課題主要包括：《基于公眾電信網的車載緊急報警系統總體架構》、《基于公眾電信網的車載緊急報警系統終端技術要求和測試方法》、《車載移動通信終端導航定位射頻接收機性能技術要求和測試方法》、《車載移動通信終端導航定位空間射頻接收機性能技術要求和測試方法》等。

（3）在交通運輸行業

交通運輸部信息通信及導航標準化技術委員會正在制定《道路運輸車輛衛星定位系統北斗兼容衛星定位模塊技術要求》、《道路運輸車輛衛星定位系統北斗兼容衛星定位模塊通訊協議》等標準。

2010年2月4日，為促進我國車載信息服務和車聯網領域的技術創新和服務應用，由中國電子工業標準化技術協會發起成立了車載信息服務產業應用聯盟（Telematics Industry Application Alliance，TIAA），全國數十家產學研用骨干單位參與了該聯盟。目前，在TIAA第六工作組，正在制定聯盟標準《緊急救援系統車載子系統技術要求》。

車載終端的導航定位標準涉及信息通信行業、交通運輸行業等不同行業，在標準的制定過程中，如何進行統一協調是很大的問題。公眾緊急報警傳送及定位技術推進組、TIAA聯盟等組織的成立都是為了組織協調不同的部門和單位，共同推動相關標準化的進展。這也是未來標準制定方式的一個發展趨勢。

4　導航定位性能測試項目

不光車載終端，用戶在使用任何帶導航定位的終端時都會對其性能有一定的要求，如開機后多久能夠獲得定位結果？定位精度有多高？定位之后如果中斷（如進入底下通道或隧道），出去多久之后可以再次重新定位？根據用戶的這些性能要求，有不同的性能指標去衡量。主要測試指標包括首次定位時間、定位測速精度、失鎖重捕時間、跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度。

（1）首次定位時間（TTFF）

用于衡量接收機信號搜索過程的快慢程度，接收機的首次定位時間取決于初始狀態，根據用戶開機前的初始化條件，可分為冷啟動首次定位時間、溫啟動首次定位時間和熱啟動首次定位時間，對于車載終端，一般測試冷、熱啟動的首次定位時間。3種初始化條件分別為：

●冷啟動：接收終端開機時，沒有當前有效的歷書、星歷和本機概略位置信息。

●溫啟動：接收終端開機時，沒有當前有效的星歷信息，但是有當前有效的歷書和本機概略位置信息。

●熱啟動：接收終端開機時，有當前有效的歷書、星歷和本機概略位置等信息。

（2）定位精度

是指接收終端在特定星座和星歷條件下，接收衛星導航信號進行定位解算得到的位置與真實位置的接近程度，一般以水平定位精度和高程定位精度方式表示。測速精度是指接收衛星導航信號進行速度解算得到的速度與真實速度的接近程度。

所有的精度都是根據實際的測試數據使用某種統計學的方法出來的，根據選擇的統計方法不同，計算的結果也會有很大的差異。常用的統計方法有均方根值（RMS）法和R95法。衛星導航接收機的水平定位精度均方根值為1.2m是指“使用測試數據統計得到，測量位置與真實位置之間水平誤差的標準差為1.2m，也就意味著有約65%測量值與真實的誤差在1.2m以內”。R95法意味這有約95%測量值與真實的誤差在1.2m以內，R95法得到的精度值約為RMS法得到的精度值的1.7倍。因此，在了解精度量化數值的同時，必須要了解它是用何種統計方法描述的。

（3）失鎖重捕時間

是指接收終端在丟失所接收信號狀態下，從重新接收到信號開始，至終端設備輸出符合定位精度要求的定位結果所需的時間。失鎖重捕時間反映了在接收機信號失鎖，定位中斷后重新恢復定位的速度。失鎖重捕時間短的接收機在易中斷環境中（如隧道等）的定位性能好，因此失鎖重捕時間可以有效評估車載終端的性能。

（4）跟蹤靈敏度

是指被測設備在捕獲信號后，能夠保持穩定輸出并符合定位精度要求的最小信號功率。評估的是接收機在已經定位的狀態下，維持定位精度要求所需的最低接收功率。跟蹤靈敏度是評估車載終端性能的關鍵指標之一。

（5）捕獲靈敏度

是指接收機在失鎖狀態下，在規定時間內輸出滿足定位指標要求的最低接收信號功率。捕獲靈敏度高的接收機有更強的捕獲弱信號的能力，因此也是評估車載終端性能的重要指標之一。

用戶提出性能指標主要是從體驗的角度出發的，因此對不同的應用場景，用戶最關注的指標不同。在常規駕駛車輛場景下，定位精度和捕獲靈敏度對用戶體驗影響最大，而在緊急情況下觸發定位報警時最關鍵的指標則是定位精度和跟蹤靈敏度。所以，對于終端的導航定位性能測試，很多時候是針對終端使用場景定制測試項目。

從衛星信號的產生方式來劃分，導航定位性能測試方法可以分為以下3類：

●實驗室測試，用衛星信號源模擬真實的衛星信號，這種測試方式場景可重現，應用較廣泛。

●實場測試，即利用天上真實的衛星信號進行測試，這種測試方式更貼近用戶的真實體驗，對車載終端的性能評估也很關鍵，但由于衛星信號受天氣等各種因素影響，場景不可重現，且時間、經濟成本較高，具有一定的局限性。

●虛擬路測，通過衛星信號采集回放儀將衛星信號錄制下來，在實驗室中回放信號進行測試，這種方法兼具實驗室測試和實場測試的優點；在這種方式中，如何保障衛星信號采集的完整性和回放的準確性是最大的挑戰。

以上3種方式各有優劣，總體來說，虛擬路測是未來的發展趨勢，帶信道模擬的導航定位虛擬路測也已經開始研究。

從測試評估方式來劃分，導航定位性能測試方法可以分為以下3類：

●一定場景下的性能一致性測試，例如3GPP的A-GNSS測試都屬于此類，測試終端在一定場景下（如在理想信號、多徑環境、移動場景下等）能否滿足要求，該測試只能得到終端通過還是不通過的結果，不能直接通過測試結果來評估終端之間的差異。

●極限值測試，CTIA的空間射頻接收機性能測試、國內檢測機構（如定位總站）GNSS定位性能測試等都屬于此類。這種方式會獲得一個準確的數值，如定位精度是幾米、捕獲靈敏度是多少dBm等，這種方式的優勢是能很直觀地得到終端的性能，比較不同終端的性能差異；缺點是多次測試結果的一致性相對于第一類方法略差。

●余量測試，介于以上兩者之間的一種測試方式，基于3GPP定義的場景。首先測試該場景下是否通過，不斷降低功率直到測試不通過，看最低能通過的功率與3GPP標準功率之間差異為多少，稱之為“余量”。余量測試也可以反映用戶在使用不同終端時的體驗差異，目前通常用于廠家的定制化測試中。

射頻性能測試是車載終端導航定位性能測試的一個基礎部分。本文將以極限值測試方式為例，說明車載終端的GNSS射頻性能測試方法。

5　車載導航定位射頻性能測試方法

5.1導航定位射頻性能通用方法

用衛星信號源模擬衛星信號的車載導航定位性能測試系統如圖1所示。多系統導航信號源用于模擬衛星信號，被測終端通過射頻線與信號源連接，車載終端通過串口線反饋定位結果信息。

車載終端導航定位射頻性能路測系統通過天線接收實際衛星信號進行測試，可以完成對天靜態、對天動態性能實場測試，基于采集的衛星信號和記錄的位置信息，可以進行虛擬路測。路測和虛擬路測系統如圖2所示。

圖1　車載導航定位射頻性能測試系統

圖2　車載導航定位射頻性能路測和虛擬路測系統

不管采用實驗室模擬測試、場測還是虛擬路測方式，車載導航定位射頻性能測試項目都主要包括冷、熱啟動下首次定位時間、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、失鎖重捕時間、定位測速精度等。

基本測試方法與普通民用終端導航定位性能測試方法類似。另外，針對車載終端的應用場景，為了評估用戶在使用時的體驗性能，終端廠家一般還會增加一些車載特殊場景下定制化的定位測速精度。例如，起步場景（可以設置為靜止120s，20s內勻加速到 120km/h，然后保持勻速直線前進）、高速行駛場景（可以設置為保持速度為120km/h勻速直線運動）。

5.2緊急情況下車載定位報警系統導航定位測試方法

對于緊急情況下車載定位報警系統導航定位測試，目前的測試系統一般采用圖1的方式，測試項除了通用方法中提到的測試項之外，還有一些特殊測試項。以俄羅斯ERA GLONASS GOST 55534標準為例，還包括檢查定位結果信息輸出格式是否符合NMEA-0183格式、自主完好性性檢測算法（RAIM）、不同坐標系轉換的能力（PE-90和WGS-84），以及諧波干擾、脈沖干擾下的抗干擾能力。

檢查定位結果信息輸出格式是否符合NMEA-0183格式，該測試項比較容易理解，NMEA-0183格式是目前國際上普遍使用的導航參數格式，參照NMEA0183標準格式進行比對測試。

自主完整性檢測算法（RAIM）是測試終端接收到故障衛星信號時，能否辨別出故障狀態，并利用非故障衛星信號進行定位。

諧波干擾下的抗干擾測試是測試終端在諧波干擾下的定位性能是否滿足一定要求。脈沖干擾下的抗干擾測試是測試終端在規定參數的脈沖信號干擾下，能否繼續成功跟蹤衛星信號。

總之，車載終端是導航定位終端的一個類別，其導航定位射頻性能測試方法與普通終端有共同之處，也有針對其應用環境的特殊之處。其他類別的定位終端導航定位測試也是同理，根據其應使用環境定制合適的測試場景是有效評估其性能的關鍵。

6　結束語

本文主要介紹了車載終端的導航定位標準以及導航定位射頻性能測試系統和測試項目。目前，車載終端的空間射頻性能（OTA性能）正在研究之中，OTA測試比傳導測試更能反映真實的用戶體驗，是未來車載終端導航定位測試的發展趨勢。另外，由于車載終端定位時處于多種無線信號的干擾之下，多模組同時工作時終端導航定位抗干擾能力測試也越來越受關注。

［1］張欽娟，李夢，王娜，任林林，陳明浩，陳曉晨.北斗二號民用設備測試方法研究［J］.現代電信科技，2014，07:18～22.

［2］3GPPTS 37.571-1V12.3.0（2015-06）3rd Generation Partnership Project Technical Specification Group Radio Access Network Universal Terrestrial Radio Access（UTRA）and Evolved UTRA（E-UTRA）and Evolved Packet Core（EPC）User Equipment（UE）Conformance Specification for UE Positioning Part 1: Conformance Test Specification

［3］GOST55534.車內緊急呼叫系統—導航模塊的試驗方法

Introduction of navigation positioning technology and test methods on vehicle

ZHANG Qinjuan，WANG Bo，WANG Na，YANG Meng，ZHAO Runjing，CHEN Xiaocheng，AN Xudong

Navigation and positioning function is one of the most basic and widely used functions of in-vehicle terminals. This paper mainly introduces the application status of navigation and positioning technologies and the development of domestic and international standardization for in-vehicle terminals. Meanwhile， it introduces the evaluation index， test system and test method for In-vehicle terminal navigation and positioning tests. Finally， it prospects the future technology development ， test methods and standardization of in-vehicle terminal navigation and positioning.

in-vehicle terminals；navigation and positioning；test methods

2016-05-10）