一種北斗衛星導航接收設備動態定位精度測試方法
2023-04-29 00:00:00田云停劉江逍
無線互聯科技 2023年10期
摘要：文章提出了一種北斗衛星導航接收設備具體的動態定位精度測試方法，針對以北斗衛星導航接收設備動態定位精度測試方法為研究對象，利用衛星導航信號模擬器發出不同場景的模擬信號，來模擬實際環境中衛星導航接收設備使用到的各種不同動態場景，而衛星導航信號模擬器可以產生自身的一個信號軌跡，通過比較衛星導航信號模擬器的軌跡信號和衛星導航接收設備實際輸出的定位信息，可以計算出衛星導航接收設備動態定位精度。實際測試證明了該動態定位精度測試方法可行、有效。
關鍵詞：北斗衛星導航；動態定位精度；測試方法；衛星導航信號模擬器
中圖分類號：TN927
文獻標志碼：A
0 引言
隨著帶有我國唯一自主設計產權標志的中國北斗三號衛星導航定位系統平臺建設計劃的全面完成，已基本上形成包含了北斗基礎產品、應用設備終端、系統技術應用等服務環節配套完整產業體系。國產新一代北斗導航核心芯片、模塊集成等重大關鍵技術全面獲突破，相關型號產品已逐步推廣普及到現代交通運輸、海洋漁業、水文動態監測、氣象預報、森林安全防火、通信與時統、救災和減災工作等諸多領域。
1 北斗衛星導航系統定位誤差分析
北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段3部分組成。衛星導航系統的定位誤差主要來自4個方面［1］。（1）衛星部分：衛星星歷誤差、衛星鐘差；（2）信號傳播路徑：電離層的信號傳播延遲、對流層的信號傳播延遲、多路徑效應；（3）用戶接收機部分：用戶接收機噪聲、測量誤差、通道偏差；（4）其他影響：相對論效應、地球自轉影響。
1.1 與衛星有關的誤差
1.1.1 星歷誤差
由于地球衛星在測定高速天體運動的軌跡變化中常常要考慮受多種來自地球攝動力相互作用造成的系統復雜性質和能量影響，如果直接通過衛星地面監測站測定會比較復雜且難以快速精確測定地球軌道和這些復雜的作用力及系統參數。
1.1.2 衛星鐘差
北斗衛星定位的觀測量均需嚴格以北斗衛星定位精密測得的時點坐標為測量基準依據。北斗衛星導航定位在實際應用工程中，無論碼相位的觀測還是載波相位的觀測，衛星鐘頻要能與北斗地面接收機鐘頻保持較為嚴格的同步。
1.2 信號傳播路徑
1.2.1 電離層折射影響
電離層折射主要取決于在信號頻率方向和信號傳播的路徑方向上傳輸的電子總量。通常采取以下的措施：（1）利用某種適宜的電離層模型數據來觀測、修正。（2）利用電磁波雙頻觀測。（3）利用衛星同步觀測值求差。
1.2.2 多路徑效應
多路徑效應也稱多路徑誤差，對多路徑效應問題的一些處理原則和方法：（1）改善接收機的電路設計。（2）要選擇幾何造型設計適宜的且屏蔽作用良好的新型天線，如扼流圈天線。
1.3 接收機部分有關的誤差
接收機主要應用功能包括測量天線上的天線相位誤差、接收機鐘差、接收機內部噪聲等。
1.3.1 天線相位中心位置偏差
在北斗定位中，觀測值通常一般以在接收機天線位置上的相位中心為準。在相位觀測及其理論上，天線相位中心一般應該保證與被測量相位儀器接收機本身天線的幾何中心保持的位置一致。
1.3.2 接收機鐘差
接收機中一般會設有另外一臺較高精度的石英鐘，日頻率穩定度則通常僅為10-11。如果衛星接收機時鐘差與衛星鐘差之間所產生的同步鐘時差時間為1 μs，則由此可引起衛星接收機間的衛星最大同步等效傳輸的距離誤差為300 m。
2 北斗衛星導航接收設備動態定位精度測試
動態導航定位的精度指標是主要用來計算描述衛星定位導航的接收地面設備在具有一定的動態條件環境下，能有效達到什么樣的高精度定位水平。換言之，即是衛星導航或接收地面設備的確定動態位置的坐標和與真實方位的坐標之間存在的差異度、離散度。在動態定位中很難找到一個絕對的“真值”，但是可以利用衛星導航信號模擬器發出不同場景的模擬信號，來模擬實際環境中衛星導航接收設備使用到的各種不同動態場景。衛星導航信號模擬器可以產生自身的一個信號軌跡，通過比較衛星導航信號模擬器的軌跡信號和衛星導航接收設備實際輸出的定位信息，可以計算出衛星導航接收設備動態定位精度。北斗衛星導航系統的定位精度主要取決于兩個重要因素：觀測量的精度和衛星幾何分布［2］。
用衛星導航信號模擬器（以下簡稱“模擬器”）發出一個模擬速度場景信息，用衛星導航接收設備去接收相關的信息，對于開機一次連續接收定位結果的測試方法，內符合定位精度的樣本量不少于300個，外符合定位精度測試樣本量不小于200個［3］。本次測試采用外符合定位精度測試樣本，定位精度測試樣本量不小于200個。
舉例說明勻速定位測試方法，先用衛星導航信號模擬器發送1條300 m/s的勻速直線運動速度信息。開始運行模擬器初始界面時間為2018年6月9日00：00：00 s，對應的周內秒計數為518 404 s，用戶機開機，同時衛星導航接收設備輸出相應的定位語句。
3 動態定位精度數據處理
通過進行幾個簡單函數的平面運算和三角函數運算后即可快速計算和得出由大地平面坐標系（B，L，H）轉換到大地空間直角坐標系（X，Y，Z）方程中的公式。相同的基準，大地坐標系轉換為空間直角坐標系。CGCS2000坐標系與WGS84坐標系分別是BDS和GPS的參考坐標系［4］，坐標系內的坐標變化和重力變化有一定差異，但在坐標系的實現精度范圍內，兩個坐標系坐標基本一致。轉換軟件可以把定位結果大地坐標系的內容轉換成空間直角坐標系內容。
找到模擬器此時段的運行軌跡文件，從用戶機運行61 s開始取有效數據，對應的軌跡文件周內秒計數518 404+61=518 465 s，軌跡文件周內秒計數從518 465 s開始提取有效數據，然后把軌跡文件和輸出的相同時間數據做對比，如表1和表2所示。
在進行數據比對時，將模擬器輸出的軌跡文件原始數據作為基準數據，然后把實測值和仿真值做對比，取4 min的有效數據做均方根誤差，得出空間定位精度結果為0.857 m（1σ）。具體公式為：
真值坐標為（x0，y0，z0），衛星導航接收設備輸出的第1個坐標為（x1，y1，z1）。
第1個坐標的精度為：
其中，
Δx1=x1-x0
Δy1=y1-y0
Δz1=z1-z0
以此類推，可得到第2個……第N個坐標，設輸出的定位信息個數為10 000組，可得：
10 000個樣本的定位精度統計如下：
按上述統計方法得到的是1σ的定位精度。
4 測試結果分析
本研究選取了同一種設備進行了4種不同場景動態定位精度進行測試，結果如表3所示。
通過表3本研究可以看出通過設置模擬器不同場景可以測試出待測北斗衛星導航接收設備自身在不同場景下的動態定位精度。
5 結語
通過以上實際測試結果綜合分析，本文提出這種利用衛星導航信號模擬器發出不同場景的模擬信號，來模擬實際環境中衛星導航接收設備使用到的各種不同動態場景。衛星導航信號模擬器可以產生自身的一個信號軌跡，通過比較衛星導航信號模擬器的軌跡信號和衛星導航接收設備實際輸出的定位信息，可以計算出衛星導航接收設備不同場景動態定位精度。該方案實現了北斗衛星導航接收設備動態定位精度的規范化測試，在導航產品測試中具有廣泛的應用前景。
參考文獻
［1］楊開偉，黃勁松.衛星導航系統定位精度評估［J］.海洋測繪，2009（4）：26-28.
［2］戰杰，吳胤霖.北斗二代衛星導航系統定位精度分析［J］.艦船電子工程，2016（5）：63-65.
［3］薛光輝，韓冬梅.北斗衛星導航接收機定位精度測試方法探討［J］.科技創新導報，2014（23）：53-56.
［4］張豐兆，劉瑞華，倪育德，等.北斗衛星導航系統動態定位精度測試與分析［J］.全球定位系統，2018（1）：43-48.
（編輯 王永超）
Method for testing dynamic positioning accuracy of Beidou satellite navigation receiving equipment
Tian Yunting， Liu Jiangxiao
（Shijiazhuang Branch of Shenzhen Far East Huaqiang Navigation amp; Positioning Co.， Ltd.， Shijiazhuang
050299， China）
Abstract： A specific dynamic positioning accuracy test method of Beidou satellite navigation receiving equipment is proposed. Taking the dynamic positioning accuracy test method of Beidou satellite navigation receiving equipment as the research object， the satellite navigation signal simulator is used to send out simulated signals in different scenarios to simulate various dynamic scenarios used by satellite navigation receiving equipment in the actual environment. The satellite navigation signal simulator can generate its own signal track. By comparing the track signal of the satellite navigation signal simulator with the actual positioning information output by the satellite navigation receiving device， the dynamic positioning accuracy of the satellite navigation receiving device can be calculated. The test results show that the method is feasible and effective.
Key words： Beidou satellite navigation; dynamic positioning accuracy; test method; satellite navigation signal simulator
