衛星導航終端設備在真實衛星信號下的動態定位精度測試方法研究

李 禛 陳學軍 焦 月 孫洪俊 趙 杭

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.北斗衛星導航產品2101質量檢測中心，北京 100039；3.中國西安衛星測控中心，陜西西安 710000)

1 引 言

常規定位系統測試需要進行多次重復實驗，由于每次測試外場[1]環境和衛星布局都在變化，測試結果往往引入多種因素使測試更加復雜不可控制。在衛星導航接收機研發、性能測試過程中，需要提供一種可再現、可控的外部環境，盡量降低不穩定因素對測試結果的影響[2]。利用信號采集回放設備采集實際衛星信號，包含多徑效應、電離層延遲誤差等[3]，比模擬器產生的信號更具真實性；可以采集在郊區、城市、高架橋、隧道等不同遮擋情況的信號，對接收機進行測試；回放具有可控性，能夠復現真實環境中的衛星信號，不需要測試人員反復到外場進行測試，縮短外場測試時間，提高測試效率。本文主要介紹了利用矩陣電子GNS7601-B采集回放設備、Novatel高精度組合導航系統、移動測試車等對接收機在真實衛星信號下的定位測速精度的測試。利用信號采集回放設備，實時動態差分(RTK)接收機與慣性導航系統(IMU)組成的組合導航系統(INS)進行同步信號記錄與驗證，在微波暗室中以無線方式回放出衛星信號，對不同廠家的接收機原始數據進行統計，得到各個接收機的定位測速精度和定位可用性測試結果。

全球定位系統(GPS)與慣性導航系統的組合始于20世紀80年代初期[4-6]。組合導航系統利用GPS與慣性導航組合，克服了使用單一傳感器出現的性能問題，同時形成了一種性能超過之前任一系統的新系統[7,8]。GPS優勢在于，即使慣性系統的定位精度隨著時間的推移而降低時，其仍然能夠提供保障在一定范圍內的定位精度[9]。GPS在限制了導航誤差的同時，還可以完成對慣性傳感器的校準工作。當有樹木、建筑物遮擋或受到其他干擾，只有GPS定位情況下導航變得不可靠或不能使用[10]，這一情況下，慣性導航可以提供具有強互補性的定位性能，對系統定位結果做出充足的補充，以滿足系統輸出完全可靠的定位結果。

2 系統原理及方案設計

搭建由測試車、RTK基準站、RTK流動站接收機、慣導單元、導航天線等設備組成的動態跑車測試系統，利用GNSS信號采集回放設備對導航信號采集存儲，然后，將采集存儲的信號在微波暗室中回放給被測接收機，記錄被測接收機輸出的定位測速數據，將由流動站接收機與慣導單元組成的高精度組合導航系統輸出的數據作為基準數據，用以計算包括測速精度等在內的各項接收機性能指標結果。跑車系統測試流程如圖1所示。

圖1 系統測試流程圖Fig.1 Flowchart of test system

選擇建筑物頂部經過標定的觀測墩架設天線，與此天線相連的接收機作為基準站，流動站接收機的實時差分數據傳輸，則是通過3G數據傳輸電臺所實現。流動站接收機天線與數傳電臺安裝在測試車頂部，測試車輛選用依維柯。該組合導航系統工作流程圖如圖2所示，跑車系統如圖3所示。天線接收的衛星信號通過功分器分為兩路，一路經30dB低噪聲放大器接采集回放儀進行數據記錄，另一路接RTK流動站接收機進行實時數據差分，通過慣性導航系統進行輔助，用以保證組合導航系統所輸出的結果連續、穩定。

圖2 組合導航系統工作流程圖Fig.2 Flowchart of integrated navigation system

圖3 跑車實驗示意圖Fig.3 Illustration of experimental test on the vehicle

動態差分技術利用基準站和移動站的誤差相關一致性，將誤差分解出來或將誤差對偽距、載波信號的影響數據求出，來完成對流動站觀測誤差的消除，進而實現對流動站內觀測誤差進行消除，最終提高定位性能等指標。

高精度組合導航系統突出的優點是在保證系統完整性的基礎上，提供了優于任一單獨系統的可靠性和精度[11]。慣性導航系統通過慣性傳感器直接得到載體的角速度、加速度等信息，具有良好的自主性、不受外界干擾。同時，慣性導航系統通過對慣性測量值的積分完成載體的定位，該方法的缺陷之一，是其誤差會隨著時間的積累而不斷累積[12]。GPS的突出優點是導航定位精度高，不隨時間的推移而改變。其缺點在于可見星少或受到干擾情況下，定位精度下降甚至不能定位。組合導航系統能夠將慣性導航與GPS功能互補，突出其各自優點。對于INS而言，由于儀器誤差得到實時校正，因而可以有效地提高導航精度，并實現動態對準。

2.1 組合導航系統

采用兩臺NovAtel ProPak6(PP6)接收機與NovAtel SPAN-100C慣性測量單元組成組合導航系統。配置兩臺PP6接收機，使其處于RTK工作模式。一臺作為基準站，安放在樓頂經過標定的固定點。另一臺作為流動站，與慣性測量單元構成組合導航系統，安裝在信號采集車內的固定位置。將天線安裝在信號采集車車頂的固定位置，車頂天線固定點與慣導系統的相對位置經過標定。開始跑車實驗前，測試車要在空曠地點反復以“8”字型軌跡行駛10min，以便組合導航系統進行初始對準。

利用動態差分技術，組合導航系統跟蹤到第一顆衛星信號并獲取粗略時間，跟蹤到足夠的衛星信號進行衛星定位，慣導數據同步獲得初始位置，IMU原始觀測值開始獲得接收機的GPS時間標記，并可用于INS濾波。接下來執行對準程序，系統初始對準程序將按照所設置的對準模式進行初對準。經過約1min后，系統轉入導航模式，此時GPS/INS解算開始輸出；系統通過陀螺和加速度計的變化量積分計算位置、速度和姿態，系統的誤差則是經由Kalman濾波器來進行處理。同時，GPS的解算結果、相位觀測值及自動的零速更新為Kalman濾波提供更新數據，若系統連接車輪傳感器，車輪位移更新也將應用于Kalman濾波更新。特定的運動方式改變，如轉向、停車及啟動，都能有助于觀測方位角誤差并使其精度得以收斂，在3-5次的運動改變后，方位角的精度足以完成收斂。收斂后，前往目的地進行數據采集。

2.2 數據采集

數據采集分為兩種環境。一種是無遮擋、空曠環境中的衛星信號，對被測接收機定位精度和速度精度指標進行測試。一種是“城市森林”中有高樓、立交橋遮擋的城市環境信號，對被測接收機定位信號可用性指標進行測試。到達目的地后，同時開啟組合導航系統和采集回放設備進行數據采集，每種環境有效信號采集時間60min以上。采集無遮擋信號時，在空曠的路上避開樹木、橋梁的遮擋。我們選擇了北京市海淀區北清路作典型的無遮擋環境，數據采集過程中遇到紅燈需停車時完全避開路旁樹木的遮擋。采集有遮擋的城市環境信號時，在高樓和橋梁比較密集的地區。我們選擇了北京市海淀區中關村作為典型的城市環境，中關村地區高樓與橋梁較為密集，多徑、遮擋效果較為明顯。

2.3 數據回放

數據回放有兩種方式，一種是在暗室中通過無線方式將采集回放儀的數據回放出來，另一種是將采集回放的信號直接輸入接收機。為模擬真實環境，選擇第一種方案，將回放信號引入暗室的發射天線，模擬真實環境中衛星信號，如圖4和圖5所示。在發射天線對面有程控轉臺，接收天線通過夾具固定在轉臺上，通過調整轉臺調節接收天線相位中心。調整轉臺與發射天線的相對角度，來模擬不同仰角的衛星星座分布；調整轉臺與發射天線相對位置，來微調接收天線輸入口面的載波功率，使其處于標準功率標定位置，保證衛星信號能夠被所有接收機以相同的功率所接收。

圖4 微波暗室實驗示意圖Fig.4 Illustration of experiment in the microwave anechoic chamber

圖5 微波暗室中信號回放圖Fig.5 Replaying signal in the microwave anechoic chamber

考慮到不同頻率射頻信號存在一定的空間鏈路損耗，在采集回放器輸出端接入低噪聲放大器抵消鏈路損耗。

3 數據處理

Inertial Explorer數據處理軟件能夠處理所有可用的GPS、INS數據，后處理軟件利用基準站差分處理、前向和反向處理、事后平滑處理和精密單點定位處理，可以達到比實時處理更精確的導航結果，提高組合導航解算精度和穩定性。

用Inertial Explorer數據處理軟件將組合導航系統保存的原始數據進行后處理，并填入天線、慣導相對位置信息加入INS輔助，處理得到不同環境下組合導航系統路線圖。無遮擋環境郊區跑車路線如圖6所示，有遮擋城市環境跑車路線如圖7所示。

圖6 郊區跑車路線圖Fig.6 Route map of vehicle driven in the suburb

圖7 城市環境跑車路線圖Fig.7 Route map of vehicle driven in the city

在無遮擋環境下，GPS定位良好，其測試路線圖如圖8所示。然而，當存在樹木或建筑物遮擋、搜星顆數不足時，只有GPS定位情況下導航變得不可靠或不能使用，則需要慣性導航系統來輔助定位，如圖9中畫圈點位所示。

圖8 GPS定位良好時測試路線圖Fig.8 Route map result with reliable GPS

圖9 GPS定位不可用時測試路線圖Fig.9 Route map result with unreliable GPS

在進行數據比對時，需要將組合導航系統輸出的原始數據作為基準數據，同時將原始數據按照時間、緯度、經度、高度、水平速度、垂直速度與合成速度等內容格式，如圖10所示。被測接收機輸出數據經過配套軟件處理成相應數據格式。通過matlab編程，將兩組數據逐條對比，得到接收機的水平定位精度、垂直定位精度、水平速度誤差與垂直速度誤差。

4 數據比對處理及結果分析

本文中對五家單位的導航接收機進行了測試，接收機分別以1Hz速率輸出GGA與DHV格式的數據。截取相同時段時長60min數據進行數據處理。某廠家部分時段的數據見表1。

4.1 坐標轉換

根據測試規范[14]，需要將導航單元輸出的大地坐標系(BLH)定位數據轉換為站心坐標系(ENU)定位數據，計算各歷元輸出的定位數據在站心坐標系下各個方向的定位誤差。

在定位計算中，首先將大地坐標系的坐標轉換為地心地固直角坐標系，再從地心地固直角坐標系轉換到站心坐標系。此二者之間的坐標系轉換公式[15]為

表1 某廠家部分時段的數據Tab.1 Parts of data from a certain manufacturer國際協調時間(時分秒)緯度(度)經度(度)21 4303 954.800 786 3111 616.073 720 0621 4313 954.800 799 9211 616.073 872 4321 4323 954.800 823 7711 616.073 909 7521 4333 954.800 865 3411 616.073 917 3921 4343 954.800 912 8811 616.073 919 2121 4353 954.800 892 9211 616.074 070 4021 4363 954.800 837 3711 616.074 280 8221 4373 954.800 765 2311 616.074 497 8821 4383 954.800 645 5811 616.074 881 6221 4393 954.800 301 7711 616.075 642 15

x=(N+h)cosφcosλ

(1)

y=(N+h)cosφsinλ

(2)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(3)

式中：N——基準橢球體的卯酉曲率半徑；e——基準橢球體的偏心率；a——基準橢球體的長半徑；b——基準橢球體的短半徑。

其中，N和e與a和b存在關系為

(4)

(5)

其中,a=6 378 137.0m。

地心地固直角坐標系與站心坐標系(Ni，Ei,Ui)之間的轉換，可以通過一系列坐標平移和坐標旋轉而實現，其變換公式[15]為

(6)

(7)

4.2 定位測速精度數據處理

我們采用郊區的無遮擋數據進行定位測速精度。需要接收機輸出的GGA與DHV格式的數據，與標準數據對應時間的位置與速度對比，獲得定位測速精度。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：mh，mv——水平定位精度和垂直定位精度，單位為米；Ni0，Ei0，Ui0——標準數據在站心地平坐標系下的北、東、高坐標，單位為米；Ni，Ei，Ui——被測數據在站心地平坐標系下的北、東、高坐標，單位為米；Nvi，Evi，Uvi——標準數據在站心地平坐標系下的北、東、高速度，單位為米/秒；VN，VE，VU——被測數據在站心地平坐標系下的北、東、高速度偏差，單位為米/秒；Nvi0，Evi0，Uvi0——被測數據在站心地平坐標系下的北、東、高速度，單位為米/秒；n——獲得的定位坐標個數。

不同廠家郊區數據定位測速結果分別如圖11和圖12所示。

圖11 定位精度對比圖Fig.11 Comparison of location accuracy

圖12 測速精度對比曲線圖Fig.12 Comparison of velocity measurement accuracy

4.3 定位可用性數據處理

城市定位可用性以三維定位精度10m為界，超出此范圍或數據丟失均視為數據不可用。

可用性通過定位精度10m以內的數據結果占總數據量的百分比衡量。將定位精度從小到大排列，可用性在85%以上認為接收機性能指標合格。被測接收機定位可用性如圖13所示。

圖13 城市定位可用性示意圖Fig.13 Availability of terminals in the city

定位精度指標可通過式(13)計算

(13)

(14)

式中：mp——三維定位精度，單位為米；S——參與運算的數據總量；α——定位可用性。

通過對五個廠家接收機測試，得到城市定位可用性和郊區定位測速精度見表2。

表2 精度測試結果Tab.2 Results of test accuracy編號郊區水平定位精度(m)郊區垂直定位精度(m)郊區測速精度(m/s)城市定位可用性(%)11.72.20.1296.621.04.00.1396.131.25.20.1187.441.34.80.0698.351.25.30.1197.1

5 結束語

本文提出一種利用組合導航系統和衛星信號采集回放系統進行導航終端設備的動態定位精度測試方法。依據相關規程，對導航接收機郊區環境下的定位精度、測速精度和城市環境下定位可用性等技術指標進行測試評估，驗證了測試方案。該方法可實現對導航型、測量型和授時型導航接收機和板卡級芯片的規范化測試，在導航產品檢測中具有廣泛的應用前景。