基于真實場景庫導航終端虛擬測試技術的研究

齊寧+鄭建立+陳新

摘 要：隨著全球衛星導航定位技術的快速發展，以及我國北斗導航系統建設的日益完善，各式各樣的導航終端定位設備呈現快速增長態勢，并被廣泛地應用于國民經濟的各個領域。因此，亟待一種全新的測試方法能更快速、更準確、更全面地反映導航終端性能與功能。本文對基于真實場景庫的導航終端虛擬測試技術的實現原理與技術難點做了系統性介紹，分析了相關測試技術的關鍵性問題，最后歸納了當前測試服務所面臨的主要挑戰并對未來的應用前景進行了展望。

關鍵詞：真實場景庫；導航終端；高精度；虛擬測試

0 引言

縱觀世界，“全球導航衛星系統”主要包括最常使用的美國GPS，以及俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐洲伽利略（GALILEO）和中國的北斗（BeiDou）四大衛星導航系統。其中，美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯是目前世界上最主要的兩大定位系統[1～2]。而北斗衛星導航系統是我國自主建設的衛星導航定位系統，并分別與俄羅斯格洛納斯（GLONASS）和美國GPS達成衛星導航系統之間的兼容互操作協議。北斗衛星導航系統是最新的定位系統，但同時也是發展最快的定位系統。我國已完全建成由14顆組網衛星和32個地面站天地協同組網運行的北斗二號系統[3]，2017年11月我國成功發射北斗三號第一、二顆組網衛星并完成測試和入網驗證，2020年前后，我國將建成由5顆地球靜止軌道衛星和30顆非地球靜止軌道衛星組成的北斗衛星導航全球系統，也就是北斗三號，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[4]。

伴隨著北斗衛星導航系統的快速發展，衛星導航終端設備的生產規模也在不斷擴大，甚至出現井噴現象[4]，近年，北斗高精度應用深入滲透到交通運輸、車船監管、電力、農業、漁業、公安、林業等諸多行業和領域；同時，大眾市場獲得更加廣泛的拓展，在監控跟蹤類可穿戴式設備、移動健康醫療、城市快遞、互聯網汽車、電動自行車安防等細分領域獲得重大突破，北斗高精度應用已經成為主流方案，大眾市場正在向高精度標配化發展。面對數量巨大、種類繁多、應用場景復雜的導航終端市場，模擬真實環境，構建抗干擾和抗欺騙檢測的認證環境，是提升導航終端產品質量，真實反映導航終端的性能和功能[3]，實現穩定、可靠的高精度定位、授時的保證，也是建立應用測試服務行業標準規范的保證。可見，導航終端測試技術作為衛星導航系統服務的最終測試環節，不僅是建立導航終端標準市場規范的重要載體，更能創造出巨大的社會效益和經濟效益。

1 真實場景庫虛擬測試

基于真實場景庫的虛擬測試技術就是以大規模真實場景數據（或稱之為大數據）為核心，結合衛星信號模擬器測試和真實路跑信號測試的測試特點，構建高可用高精度定位導航測試驗證平臺。

衛星信號模擬器測試是通過構建數學模型設置預定場景的性能參數，并仿真衛星軌道模擬信號傳輸模型，為導航終端提供可信賴的測試平臺。實際測試發現這種測試方式的確可以得到非常優異的性能參數，但測試信號、場景以及載體動態的定義過于理想化，與實際信號測試得到的測試結果差異很大。真實路跑信號測試就是在實際環境下由車輛搭載終端進行實地實時測試。這種方式反映了終端的真實性，還可以反映載體的運動狀態，但這種測試方法存在的問題是成本比較高，測試結果重復性差[2]。

目前市場上的導航終端的測試技術主要分為上述兩大類。而基于真實場景庫的虛擬測試技術就是綜合這兩類測試技術的特點，不僅滿足復雜多樣的應用場景與多元化的服務需求，也滿足了多元融合位置、高精度導航定制化測試需求。圖1-1展示此類測試技術采集系統的基本模型，通過構建一臺信號采集車，在車輛上搭載全頻點、多系統的實時信號記錄儀，就可以在采集車上實現對不同信號的原始信號記錄。另外搭載一套高精度的標定系統，主要是對車的軌跡進行精確的標定。圖1-2展示此類測試技術數據庫回放系統基本模型，主要是制定測試數據庫的標準，方便應用測試的時候可以對信號狀態進行高精度重現，通過回放采集信號對終端進行測試，之后可以與真實路跑信息進行對比。這便是基于真實場景庫的導航終端虛擬測試系統，這套系統是完整的真實場景實錄，逼真性高，可以更加充分來反映導航終端在實際使用中的效果，而且其采集場景類型多種多樣，測試簡捷、可重復、可復現，然而其也具有信號實錄有一定損失，細分的定量指標覆蓋下的缺點。

2 真實場景庫虛擬測試的關鍵技術研究

2.1 導航信號的電參數特性研究

為了提取導航信號數據中更深層次的特征參數信息，如信號強度隨時間變化的規律、信號多普勒的變化細節、信號多徑的數量變化和強度變化，以及信號中的干擾頻譜特性、噪聲的統計特性等[6]。采用基于最大似然原理設計的多徑延遲幅度聯合跟蹤算法進行實現聯合估計多徑信號的延遲、幅度、多普勒等信息，從而勾勒出整個多徑信號的特征及其變化，并再用負反饋結構消除信號間影響，提高估計精度。

本文所采用的基于最大似然原理設計的多徑延遲幅度聯合跟蹤算法不僅適用于傳統的GPS和伽利略衛星導航信號，而且可以適用于我國先進的北斗衛星導航信號[5]。在衛星信號傳播環境中，假設接收機接收到 路多徑信號，那么接收機接收到的多徑信號基帶模型可以表示成[7]：

式中，i 表示各路多徑分量，α 是信號幅度，θ 是載波相位差，△ω 是多普勒頻率殘差，t 是信號傳播相位延遲，在接收機中設計的跟蹤算法會對多普勒頻率殘差進行補償，因此△ω實際值很小，（1）式就簡化成：

實際上接收機所接收的多徑信號一般為兩路（即i=1），則上式可表示成：

在（3）式中，H表示噪聲服從N（0，σ2） 分布，由于實際接收機是對接收到的多徑信號進行實時矢量處理，因此將（3）式表示為矢量形式為：

最大似然估計就是使得（5）式取得最大值，也就是使得（6）式取得最小值。

上述即為基于最大似然原理設計的多徑延遲幅度聯合跟蹤算法的基本模型。經過多次測試，該算法都可以有效地估計出多徑信號的多徑數目、功率和碼相位特性，并反映其動態特性，驗證了該模型的正確性。

2.2 導航信號定位精度研究

本文采用基于統計分布假設的數據處理方法對回放系統的輸出數據進行處理，從而客觀反映被測終端的定位精度。數據處理步驟如下：

（a）選用適當的統計判斷準則將導航單元的輸出數據去除粗大誤差數據，去除平面精度因子HDOP>4或者位置精度因子PDOP>6的測量數據，將精選出的大地坐標系（BLH）定位數據轉換為站心坐標系（ENU）定位數據。

（b）按照公式（7）分別計算定位數據的E、N、U方向的定位誤差△Ei、△Ni 、△Ui 。（下文所有變量的單位均為米）

式中△Xi表示第i次實時定位數據的E或N或U方向的定位誤差，Xi表示第i次實時定位數據的E或N或U方向分量，X0i表示第i次實時定位的標準點坐標E或N或U方向分量（i=1，2…n）。

（c）按公式（8）分別計算站心坐標系下各方向下的定位偏差（bias）BE、BN、BU。

σH表示定位誤差的標準差在水平方向的分量。

（e）計算置信概率為95%的定位精密度，對于水平方向，在各軸向隨機誤差接近正態分布且誤差橢圓比約為1的假設下，可取置信因子k=2[13]，即：

在實際應用中，基于統計分布假設的數據處理方法可以提供精確的定位精度值，從而可以有效的反映導航終端的定位性能。目前，針對真實場景庫虛擬測試系統關鍵性技術的研究不僅為衛星導航終端相關產品的測試提供了一個真實場景數據的測試平臺，而且有效的促進了對多徑抑制算法、高精度導航定位算法等高性能算法的開發，并降低了定位終端的測試周期與測試成本。

3 總結

目前相關的測試技術的應用實現依然面臨諸多挑戰，主要有采集回放面臨高精度產品測試基準數據的標定與時間同步問題[1]；當前的測試要求、方法針對不同產品各不相同，差異大、共性少，沒有形成完整體系；產品指標體系內容多樣，在符合指標要求的基礎上如何進一步綜合評估優劣沒有評價標準，難以綜合評價。然而相信隨著基于真實場景庫導航終端虛擬測試技術的發展，完全能夠創建一套測試方法科學性、數據真實性、結果可信性、分析準確性完整終端測試系統，來更加充分來反映導航終端在實際使用中的效果。如果未來最終能實現真實場景信號的重構，同時側重場景的深度挖掘，將場景分類研究得非常充分，并將不同終端傳感器進行集成、采集、回放，就能完全替代當前的實際場景測試，可極大規模地降低企業測試成本。

參考文獻：

[1]石磊，孫祥福，李騰.北斗授時原理及終端性能檢測技術[J].環境技術，2017，35（02）：11-14.

[2]王田，夏天，張書鋒，陳強，彭明.導航終端測試技術研究綜述[J].計測技術，2015，35（04）：6-9+14.

[3]劉思睿. GNSS接收機性能綜合測試技術研究[D].北京化工大學，2013.

作者簡介：

齊寧（1993-），男，漢族，碩士研究生。主要研究方向：數據處理、測試技術。