基于GNSS接收機導航定位數據的定位產品檢測理論研究

王細欽,戴煒航,駱 建

( 廣東省通訊終端產品質量監督檢驗中心,廣東 河源 517001)

基于GNSS接收機導航定位數據的定位產品檢測理論研究

王細欽,戴煒航,駱 建

( 廣東省通訊終端產品質量監督檢驗中心,廣東 河源 517001)

隨著GNSS全球導航衛星系統的發展,特別是隨著北斗衛星導航系統的正式運行及完善,導航定位產品由支持單模GPS向支持雙模或多模發展,但是導航定位數據格式并未統一,主要是根據NMEA-0183為主修改。針對相關標準及產品數據進行理論性研究并給出相應測試的依據。

GNSS；北斗衛星導航系統；GPS；NMEA-0183

0 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)泛指所有的衛星導航系統，包括全球及區域性范圍內的導航衛星系統，例如美國全球定位系統(Global Positioning System,GPS)、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、日本QZSS、印度IRNSS;衛星增強系統，例如美國WAAS(廣域增強系統)、歐洲EGNOS(歐洲靜地導航重疊系統)和日本MSAS(多功能運輸衛星增強系統),還包含未來新建的其他衛星導航系統。

目前世界上有多個導航系統,但導航定位產品定位數據并未統一。北斗系統未啟用服務之前，市面上多數導航定位產品是基于GPS的單模定位系統,導航定位數據輸出格式為NMEA-0183。自中國北斗衛星導航系統正式運行以來,越來越多的產品支持雙模或者多模系統,但是導航定位數據輸出格式并未統一,廠商根據NMEA-0183自定義數據輸出格式,所以很多產品輸出的導航定位數據相似但有差別。導航定位數據是測試導航定位產品的定位、測速精度這些關鍵指標的重要依據,本文對相關標準及產品數據進行研究并推出相應的測試方法。

1 北斗及GPS系統

1.1 北斗衛星導航系統

BDS是中國自行研制的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶端三部分組成,可以在全球范圍內全天候為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務,目前已具備區域導航、定位和授時的能力,定位精度10m,測速精度0.2m/s,授時精度20ns。

1.2 GPS全球定位系統

美國GPS自19世紀70年代在子午衛星系統基礎上開始研制,并于1995年12月28日起開始提供完整服務。GPS空間段由位于6個軌道面的24顆衛星構成,衛星軌道面與地球赤道面之間的夾角為55°。GPS控制段由1個主控站、4個注入站和6個監測站組成。用戶端為各種GPS接收機。

2 導航定位數據輸出格式

現階段,國際上通用的數據格式標準都是由各應用協會自行制定的,目前主要的導航定位數據標準有由美國海洋電子協會發布的接收機和其他航海電子產品的導航數據輸出格式NMEA-0183,目前最新的版本為2012年發布的NMEA-0183 Version4.10,其升級了不同導航及通信設備協議“語句”,并更新了對Galileo系統的兼容,其中并未涉及中國北斗系統的信息。中國衛星導航系統管理辦公室批準并于2015年11月1日實施BD 410004-2015《北斗/全球衛星導航(GNSS)接收機導航定位數據輸出格式》,其參考NMEA-0183標準。兩種標準的格式數據都采用ASCII文本符來表示,由起始定界符“$”或“！”、終止符及它們之間的字符組成。其通用格式如:$AABBB,<1> ,<2> ,…,<12> * hh 。AABBB為地址字段,<1>,…,<12>為數據字段,數據字段用“,”隔開,hh為校驗和字段。

3 導航定位數據采集系統

本次用于采集不同定位產品導航定位數據的測試系統框圖如圖1所示,系統可通過轉發實際的衛星信號進行測試,也可由衛星信號模擬源發出模擬衛星信號,接收機接收衛星信號并將導航定位數據反饋回控制計算機。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

4 定位產品輸出導航定位數據與導航定位數據輸出標準比較

目前常用的導航定位數據輸出格式有NMEA-0183,NMEA-0183是美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association，NMEA)定義的標準協議;而中國結合BDS也發布了中國第二代衛星導航系統重大專項標準BD 410004-2015《北斗/全球衛星導航系統(GNSS)接收機導航定位數據輸出格式》(下稱北斗導航定位數據格式),其是由中國衛星導航系統管理辦公室發布的標準,后者是依托前者并根據中國實際運用而修訂。北斗導航定位數據格式與NMEA-0183相比，增加部分字段對北斗導航系統進行兼容,選取了NMEA-0183中北斗導航系統需要用到的語句。在實際導航定位產品中，常用的語句為GGA、RMC、GSA、GSV、VTG、GLL、ZDA和TXT等8條,因此主要以這8條來比較。

4.1 常用定位數據輸出標準比較

經比較,北斗導航定位數據格式與NMEA-0183的GGA、VTG、GLL、ZDA、TXT相同,而北斗導航定位數據格式與NMEA-0183的RMC相比多了1個導航狀態字段,北斗導航定位數據格式與NMEA 0183的GSA、GSV相比多了GNSS系統標示符字段。本文對市面上較常使用的汽車行駛記錄儀、GNSS接收機、GNSS定位模塊等數據進行分析比較,分別為GNSS接收機A、汽車行駛記錄儀B、汽車行駛記錄儀C、汽車行駛記錄儀D及GNSS定位模塊板E號測試機。

4.2 不同定位產品輸出定位數據比較

4.2.1 GGA定位數據語句

如表1所示,比較產品中,混合定位常使用GGA語句,GGA為定位信息。其中A、B、C輸出定位數據與標準NMEA-0183及北斗導航定位數據格式相同,汽車行駛記錄儀D、GNSS定位模塊板E則多了1個VDOP字段,VDOP為垂直精度因子,即表1中標出下劃線的字段。2份標準都規定混合定位用GNS語句,單模定位時使用GGA語句,但在比較產品中GNS語句并沒有實際使用,而依舊采用GGA語句。

表1 GGA定位數據語句

4.2.2 RMC定位數據語句

如表2所示,RMC為最小推薦定位信息,由比較產品的RMC語句可以得出,除測地型接收機A不參與比較和汽車行駛記錄儀C少了模式指示字段以外,其余被測產品與NMEA-0183大致相同。表2中下劃線字段為模式指示,其中模式指示字段中A表示自主定位、D表示差分定位、E表示估算定位、N表示數據無效等。

表2 RMC定位數據語句

4.2.3 GSA定位數據語句

如表3所示,GSA定位數據語句是表征GNSS精度因子(DOP)和有效衛星的語句,比較產品中的GSA語句。其中除去汽車行駛記錄儀B不輸出該語句外,汽車行駛記錄儀D、GNSS定位模塊板E與測地型接收機A、汽車行駛記錄儀C相比較,除了正常的位置精度因子、水平精度因子和垂直精度因子以外還多了TDOP字段,即鐘差精度因子,如表3中下劃線字段所示,其他字段與NMEA-0183相同。

表3 GSA定位數據語句

4.2.4 GSV定位數據語句

GSV語句包含了可視衛星數、衛星標志號、仰角、方位角、載噪比等信息。如表4所示,比較產品中的GSV與NMEA-0183相同,GSV為可見衛星信息,但是不同產品北斗導航系統的衛星標識號輸出不同。測地型接收機A用1XX表示北斗衛星,汽車行駛記錄儀C用2XX表示北斗衛星,汽車行駛記錄儀D和GNSS定位模塊板E則用XX來表示北斗衛星。

表4 GSV定位數據語句

Tab.4 GSV location data statement

語句產品數據內容GSV測地型接收機A＄GPGSV，9，1，28，2，11，143，42，21，37，318，46，20，55，019，51，29，31，231，45?40＄GPGSV，9，2，28，5，25，078，46，18，22，305，43，15，65，352，52，13，36，032，46?4F＄GPGSV，9，3，28，24，46，166，50?49＄GLGSV，9，4，28，67，14，056，38，69，24，303，40，77，16，044，36，68，38，003，48?6B＄GLGSV，9，5，28，78，37，100，43，79，23，152，43，84，24，319，40，82，23，189，44?6E＄GLGSV，9，6，28，83，52，256，52?5A＄GBDGSV，9，7，28，102，43，240，40，103，60，190，45，104，32，112，39，105，23，255，37?2F＄GBDGSV，9，8，28，106，54，002，49，107，34，165，44，108，30，189，42，109，49，322，48?28＄GBDGSV，9，9，28，110，20，184，39，101，49，132，43?2A汽車行駛記錄儀B＄GPGSV，3，1，09，15，60，001，48，20，55，029，47，24，52，162，46，21，41，315，45?71＄GPGSV，3，2，09，13，31，034，45，29，27，225，44，18，24，309，44，05，22，083，43?70＄GPGSV，3，3，09，02，06，144，39?4F汽車行駛記錄儀C＄GPGSV，3，1，09，05，17，095，43，13，22，039，44，14，07，243，35，15，52，015，48?78＄GPGSV，3，2，09，18，31，318，46，20，56，050，48，21，51，308，45，24，64，151，49?7B＄GPGSV，3，3，09，29，20，216，43?4B＄BDGSV，3，1，10，201，49，131，46，202，42，240，43，203，60，190，46，204，32，112，44?6B＄BDGSV，3，2，10，205，23，254，41，206，55，011，47，207，44，166，46，208，21，190，41?6D＄BDGSV，3，3，10，209，48，330，46，210，27，186，42?63

續表語句產品數據內容GSV汽車行駛記錄儀D＄GPGSV，3，1，11，02，06，144，41，03，66，195，20，05，22，083，44，10，35，322，47?7E＄GPGSV，3，2，11，13，31，034，45，15，60，001，48，18，24，309，44，20，55，029，46?7F＄GPGSV，3，3，11，21，41，315，45，24，52，162，46，29，27，225，44?44＄BDGSV，3，1，10，01，49，131，45，02，42，239，43，03，60，189，46，04，32，112，43?69＄BDGSV，3，2，10，05，22，254，40，06，54，004，46，07，36，164，44，08，28，189，42?6E＄BDGSV，3，3，10，09，48，323，45，10，21，184，40?64GNSS定位模塊板E＄GPGSV，4，1，15，04，55，055，25，05，16，096，41，08，50，018，24，10，43，335，48?7E＄GPGSV，4，2，15，12，04，154，38，13，19，040，42，14，08，244，36，15，50，018，48?71＄GPGSV，4，3，15，16，66，146，24，18，33，319，46，20，55，055，47，21，52，304，45?7B＄GPGSV，4，4，15，24，66，146，47，26，50，018，22，29，17，213，42?48＄BDGSV，3，1，10，01，49，131，45，02，42，239，43，03，60，189，45，04，32，112，44?6D＄BDGSV，3，2，10，05，22，254，40，06，54，011，46，07，45，166，45，08，20，189，40?67＄BDGSV，3，3，10，09，48，331，45，10，28，186，42?6E

5 基于導航導航定位數據的定位精度測試方法

本文對定位精度的處理基于以下原理:直接用經緯度計算兩點間距離和測量誤差時,主要考慮2個參數,即經、緯度平均每一度的距離(弧長),緯度平均每一度的弧長大概是相等的,約為111000 m。而經度平均每一度的弧長是隨著緯度變化而變化的。緯度越小經向的弧長越大,反之,緯度越大經向的弧長則越短。計算每一緯度所在經向一度的弧長,如下:

其中,B為計算點所在的緯度(取到度),R為赤道半徑,r為極軸半徑,取R=6378137m,r=6356752m。

5.1 動態定位精度測試

如圖2所示,測地型接收機A和被測樣品行車記錄儀B放在標準速度車上繞CORS站運行。測地型接收機A通過無線通信網接收CORS站的差分數據進行差分定位以獲得標準導航定位數據。標準接收機和被測樣品的輸入到檢測計算機的數據處理軟件,經過對導航定位數據的研究可知,導航定位產品在GGA和RMC語句上的經緯度定位位置的字段是相同的,數據處理軟件通過比較同一時刻的經緯度定位位置的數據以檢測其動態定位精度,軟件處理如圖3所示。

圖2 測試系統框圖Fig.2 Test system block diagram

圖3 動態定位精度處理結果Fig.3 Dynamic positioning precision processing results

5.2 靜態定位精度測試

靜態定位精度比動態定位精度簡單,只需要將被測接收機放置到已知位置的標準點上采集導航定位數據,然后將輸出數據的定位位置字段與標準點的位置進行比較即可獲得靜態定位精度。圖4所示為靜態定位精度處理結果。

圖4 靜態定位精度處理結果Fig.4 Static positioning precision processing results

6 結論

通過對目前市場上單模、雙模及多模導航定位終端的定位數據的分析及總結,表明現有的民用市場上該類終端的定位數據語句多種多樣,未形成統一標準,因此對該類終端的互聯、數據交互和質量檢測造成一定的困難,并且該差異還將存在一段時間。針對以上問題,本文以NMEA定義的標準協議NMEA-0183和由中國衛星導航系統管理辦公室發布的標準BD 410004-2015《北斗/全球衛星導航系統(GNSS)接收機導航定位數據輸出格式》為參照,對市場上常用導航定位終端的定位數據輸出語句進行了系統性的比較,通過比較得到的結論是大部分終端的定位數據語句的主體是一致的,僅僅在一小部分字段上的定義存在差異,例如對北斗衛星的標識號不同、擁有授時功能的終端比無授時終端多了鐘差精度因子語句等局部差異,根據統計以上差異化覆蓋大部分民用終端,因此本文提出的根據輸出語句的初步判斷后,再通過調整自動化測試工具的對比字段符,從而達到快速精準的測試,該方法也通過與其他實驗室的比對試驗驗證是可行有效的。

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Research on the Theory of Positioning Products Detection Based on GNSS Receiver Navigation and Positioning Data

WANG Xi-qin, DAI Wei-hang, LUO Jian

(Guangdong Telecommunications Terminal Products Quality Supervision and Testing Center,Heyuan, Guangdong 517001,China)

With the development of GNSS global navigation satellite system, especially with the operation and improvement of the BeiDou Navigation Satellite System, the mode the navigation and positioning products support goes from single-mode GPS to dual mode or multimode while the navigation and positioning data formats, whose major modification is based on NMEA-0183, are not unified. Research on the theory of the relevant standards and product data is performed, and the corresponding test methods are introduced.

GNSS；BeiDou Navigation Satellite System；GPS；NMEA-0183

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.012

2016-06-17；

2016-07-01。

王細欽(1991-)，男，助理工程師，主要從事通信終端產品的測試方法研究。E-mail:wxiqin@126.com

T-60

A

2095-8110(2017)01-0067-05