GPS北斗聯(lián)合差分定位軟件的測試與分析

徐恒立，姚連璧,2，康傳利，胡叢瑋

GPS北斗聯(lián)合差分定位軟件的測試與分析

*徐恒立1，姚連璧1,2，康傳利3，胡叢瑋1

(1. 同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；2. 現(xiàn)代工程測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 上海北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺(tái)有限公司，上海 200081）

觀測條件較差的情況下，單系統(tǒng)衛(wèi)星可見性不佳，導(dǎo)航定位精度降低甚至無法定位。而組合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了可見衛(wèi)星數(shù)，可以改善定位結(jié)果。我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已具有初步導(dǎo)航定位能力，可與其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)兼容。測試是定位軟件開發(fā)中不可缺少的一部分，目的是發(fā)現(xiàn)并排除軟件中潛藏的錯(cuò)誤，從而滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和提高軟件的質(zhì)量。本文詳細(xì)介紹了GPS北斗聯(lián)合差分定位軟件的測試方案，以移動(dòng)測試為例介紹了測試的實(shí)施流程，并針對設(shè)計(jì)要求給出了成果評價(jià)指標(biāo)。

測試方案；偽距差分；組合定位；卡爾曼濾波；精度評定

1 引言

GPS系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它能夠?yàn)槿蛴脩籼峁└呔鹊膶?dǎo)航定位服務(wù)。但在觀測條件較差的情況下，其衛(wèi)星可見數(shù)和定位精度都有所下降[1]。而多種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組合能夠從各方面提高導(dǎo)航定位的精度，且隨著導(dǎo)航信息資源不斷增多，利用各系統(tǒng)間相互組合以提高定位精度和可靠性將成為衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的必然。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),縮寫為BDS, 與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO兼容共用，并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)并兼具短報(bào)文通信能力[2]-[4]。在GPS定位的基礎(chǔ)上，結(jié)合北斗系統(tǒng)提供觀測數(shù)據(jù)，我們可以盡可能獲取高精度的定位結(jié)果。在此背景下，筆者參與了GPS北斗聯(lián)合偽距差分定位軟件的研制，定位軟件可以為導(dǎo)航、地理位置服務(wù)（LBS）等提供位置信息。

2 測試背景

2.1 GPS北斗聯(lián)合差分定位軟件

GPS北斗聯(lián)合差分定位軟件是基于泰斗TD3020C BD2 B1/GPS L1雙模接收板的定位軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，定位軟件要求滿足如下的功能：①能夠?qū)崟r(shí)對觀測原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲得衛(wèi)星偽距觀測值和衛(wèi)星星歷。②能夠進(jìn)行單點(diǎn)定位的解算。③能夠獲取由基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心發(fā)送的RTCM標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼，獲取用于差分計(jì)算的改正信息，實(shí)現(xiàn)加入卡爾曼濾波的偽距差分定位。④能夠給出北斗、GPS單獨(dú)定位和兩者組合定位結(jié)果以及精度等信息。⑤當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題無法接收差分信息時(shí)，從差分定位轉(zhuǎn)為單點(diǎn)定位以滿足定位的實(shí)時(shí)性。⑥軟件運(yùn)行穩(wěn)健，滿足長時(shí)間定位的要求。整個(gè)軟件的運(yùn)行流程如圖1所示：

圖1 軟件運(yùn)行流程

2.2 泰斗TD3020C

定位軟件使用泰斗TD3020C模塊，模塊可對外部BD2 B1/GPS L1有源天線供電。外部有源天線接收空中衛(wèi)星信號(hào)送給射頻芯片，射頻芯片內(nèi)部經(jīng)LNA放大、混頻處理后送到中頻濾波器，然后通過VGA和AGC，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)送給基帶芯片?；鶐酒邮盏缴漕l芯片送來的數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)過處理從串口輸出數(shù)據(jù)[5]。這里使用從接收模塊中部串口輸出的原始數(shù)據(jù)為定位軟件提供偽距觀測值。

模塊和接收機(jī)天線、計(jì)算機(jī)和電源相連，接收機(jī)天線將信號(hào)源源不斷地傳送到模塊。模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上插有高速無線上網(wǎng)卡，提供測試過程中的網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 設(shè)備連接

2.3 卡爾曼濾波算法

濾波理論就是在對系統(tǒng)可觀測信號(hào)進(jìn)行測量的基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的濾波準(zhǔn)則，采用某種統(tǒng)計(jì)量最優(yōu)方法，對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)的理論和方法[6]?？柭鼮V波方法是一種時(shí)域方法，對于具有高斯分布噪聲的線性系統(tǒng)，可以得到系統(tǒng)狀態(tài)的遞推最小均方差估計(jì)?？柭鼮V波是一個(gè)不斷預(yù)估和校正的過程，無需存儲(chǔ)大量的觀測數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)玫叫碌挠^測值時(shí)，它只是根據(jù)前一個(gè)估計(jì)值和最近一個(gè)觀測數(shù)據(jù)來估計(jì)信號(hào)的當(dāng)前值，特別適宜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理[7]。它是用狀態(tài)方程和遞推方法進(jìn)行估計(jì)的。

時(shí)間更新（預(yù)測）方程：

測量更新（校正）方程：

上述公式的各變量說明如下：

3 測試思路

軟件的測試和軟件的開發(fā)同時(shí)進(jìn)行，模塊功能測試以靜態(tài)測試為主，各個(gè)模塊功能經(jīng)過檢驗(yàn)后，進(jìn)行整個(gè)軟件的集成測試，整個(gè)測試過程中，保存接收到的所有數(shù)據(jù)作為后處理完善算法的原始材料。

模塊功能測試分為兩種，一種是衛(wèi)星信號(hào)無遮擋的條件下進(jìn)行，測試地點(diǎn)位于某大樓樓頂試驗(yàn)場A03觀測墩，該觀測墩可以提供已知的坐標(biāo)信息。測試結(jié)果結(jié)合觀測墩提供的坐標(biāo)信息，分析測試時(shí)間內(nèi)定位結(jié)果的離散程度，這種測試環(huán)境最為理想。另一種是衛(wèi)星信號(hào)有遮擋的條件下進(jìn)行，測試地點(diǎn)位于辦公室南面窗臺(tái)（辦公室為南北朝向，其中朝南方向完全沒遮擋，朝北方向被建筑物遮擋）。測試結(jié)果與所有數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較，分析定位本身的離散程度，測試時(shí)間一般為2小時(shí)至4小時(shí)。

經(jīng)過模塊功能測試的檢驗(yàn)，在定位軟件的精度和可用性滿足設(shè)計(jì)要求之后，進(jìn)行模擬實(shí)際使用的集成測試。集成測試以移動(dòng)測試為主，測試程序的聯(lián)合差分定位功能，擬定多種不同通視條件的路線（即衛(wèi)星信號(hào)接收情況不同）。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在各種通視情況下，軟件可以持續(xù)地輸出定位結(jié)果。

4 測試設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

整個(gè)軟件在開發(fā)過程中進(jìn)行了多次測試，這里選取一次移動(dòng)測試為例說明測試如何實(shí)施以及如何評價(jià)測試結(jié)果，靜態(tài)測試結(jié)果分析和移動(dòng)測試結(jié)果分析方法類似。定位軟件的主要評價(jià)指標(biāo)有：①接收板對衛(wèi)星捕捉能力；②軟件定位離散程度；③軟件運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.1 測試準(zhǔn)備和內(nèi)容

在建筑物密集的市區(qū)實(shí)現(xiàn)定位一直以來都非常受人們關(guān)注，由于建筑物的遮擋，可視衛(wèi)星的數(shù)量變得十分有限。使用多系統(tǒng)衛(wèi)星觀測值可以有效地提高可視衛(wèi)星的觀測數(shù)量。移動(dòng)測試是測試方案中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了多條衛(wèi)星接收情況不同的路線進(jìn)行測試。此次移動(dòng)測試選取上海市內(nèi)環(huán)往返路線，路線道路通視條件較好，但是道路兩側(cè)有比較高的擋板，道路邊上還有居民樓會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)的接收。

設(shè)計(jì)路線圖3所示：

定位以車載形式進(jìn)行，即在測試車上搭建測試平臺(tái)，測試車頂部有支架，放置和固定一臺(tái)GPS/北斗雙模分體式RTK接收機(jī)和一臺(tái)測量型接收機(jī)，其中RTK可以實(shí)時(shí)得出精確定位結(jié)果作為定位軟件進(jìn)行比較的基準(zhǔn)，定位結(jié)果精度在厘米級。測量型接收機(jī)可以記錄原始觀測數(shù)據(jù)(用于和泰斗接收模塊接收的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較)，接收數(shù)據(jù)間隔為1秒。將接收機(jī)天線放置和固定在車頂，透過窗戶將電線引入車中，車頂結(jié)構(gòu)如圖4所示，在結(jié)果處理時(shí)，各接收機(jī)之間的距離也要納入考慮之中。測試車內(nèi)部如圖5所示。

圖4 車頂裝置

圖5 測試車內(nèi)部

4.2 測試結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理中，接收機(jī)捕捉衛(wèi)星的能力根據(jù)接收到的衛(wèi)星數(shù)量評價(jià)，定位的精確程度根據(jù)測試結(jié)果和RTK定位結(jié)果的比較進(jìn)行評價(jià)，程序運(yùn)行穩(wěn)定性根據(jù)測試過程中程序的運(yùn)行情況來評價(jià)。

4.2.1 衛(wèi)星捕捉能力

圖6 移動(dòng)測試接收衛(wèi)星時(shí)間序列

解算位置需要4顆或4顆以上的衛(wèi)星[9]，小于4顆衛(wèi)星將失去定位能力。如圖6所示，描述了移動(dòng)測試過程中的衛(wèi)星接收情況。分析數(shù)據(jù)表明，單GPS系統(tǒng)96.55%的時(shí)間段內(nèi)可以接收到4顆或4顆以上的衛(wèi)星，單北斗系統(tǒng)97.91%的時(shí)間段內(nèi)可以接收到4顆或4顆以上的衛(wèi)星。而GPS北斗雙系統(tǒng)在99.95%的時(shí)間段內(nèi)可以接收到4顆或4顆以上衛(wèi)星。雙系統(tǒng)接收衛(wèi)星可以提高定位能力，在信號(hào)遮蔽嚴(yán)重的地段會(huì)體現(xiàn)得更加明顯。整個(gè)測試過程中，北斗系統(tǒng)接收到衛(wèi)星數(shù)量要優(yōu)于GPS系統(tǒng)，接收機(jī)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的捕捉衛(wèi)星能力。

4.2.2 定位離散程度

移動(dòng)測試使用RTK定位結(jié)果作為真值來和測試結(jié)果進(jìn)行比較，其中RTK文件記錄的時(shí)間和GPS時(shí)間存在16秒的差值，在進(jìn)行結(jié)果比較時(shí)這點(diǎn)要特別注意。

A．軌跡圖分析

圖7描述了進(jìn)行歷元匹配后軟件定位結(jié)果和真值進(jìn)行比較的結(jié)果，測試數(shù)據(jù)軌跡緊緊包裹在真值軌跡之下，部分測試數(shù)據(jù)軌跡與真值軌跡偏離較大。軌跡上斷開的部分是由于這些歷元時(shí)刻由于遮擋等原因RTK沒有得出固定解，無法提供與軟件結(jié)果進(jìn)行比較的真值而出現(xiàn)的。將軌跡圖局部進(jìn)行放大，如圖8所示，可以看到軟件定位結(jié)果和真值一一對應(yīng)。如果顯示全部測試定位結(jié)果，如圖9所示，呈現(xiàn)一條完整的軌跡，這是因?yàn)槭褂秒p系統(tǒng)組合定位，改善了衛(wèi)星的可見性，提高了定位的成功率，顯示了很好的數(shù)據(jù)延續(xù)性。

圖7 軌跡圖（與RTK比較）

圖8 軌跡圖（局部放大）

圖9 定位結(jié)果全部軌跡

圖10 移動(dòng)測試誤差時(shí)間序列

B．誤差時(shí)間序列分析

誤差時(shí)間序列描述了隨著時(shí)間變化，測試定位結(jié)果的東方向坐標(biāo)和北方向坐標(biāo)的誤差變化情況，如圖10所示，可知在此次測試中的某些時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的點(diǎn)位跳躍現(xiàn)象，測試之后會(huì)對這些跳動(dòng)較大的點(diǎn)進(jìn)行分析，查出問題并提出軟件改善方案。

C．精度指標(biāo)分析

表1 精度指標(biāo)

圖11 東方向誤差分布圖

圖12 北方向誤差分布圖

誤差分布如圖11和圖12所示。根據(jù)文獻(xiàn)[10]給出的中誤差的定義，誤差平均值接近零滿足偶然誤差的規(guī)律性，可以看出東方向和北方向的中誤差都小于3米，大部分誤差都分布在-2.5米到2.5米的區(qū)間內(nèi)，滿足了定位的精度需求。幾乎所有數(shù)據(jù)的誤差都落在三倍中誤差的范圍里，可以認(rèn)為定位的結(jié)果是讓人滿意的。

D. 卡爾曼濾波平滑效果分析

測試采集到的定位結(jié)果是加入了卡爾曼濾波的定位結(jié)果，和僅使用最小二乘算法結(jié)果的單歷元解算結(jié)果相比，考慮了定位結(jié)果在時(shí)間上的相關(guān)性，減少定位結(jié)果的波動(dòng)。

圖13 最小二乘算法誤差時(shí)間序列

圖14 卡爾曼濾波算法誤差時(shí)間序列

圖13描述了最小二乘算法解算結(jié)果和真值進(jìn)行比較的誤差時(shí)間序列，圖14描述了加入卡爾曼濾波算法的解算結(jié)果和真值比較的誤差時(shí)間序列。由圖可知，加入卡爾曼濾波算法之后，對最小二乘算法解算結(jié)果中出現(xiàn)的擾動(dòng)進(jìn)行了有效地抑制，使定位結(jié)果和真值相比的波動(dòng)變小，解算結(jié)果更優(yōu)。圖15描述了將解算結(jié)果在地圖上顯示的效果，實(shí)心點(diǎn)代表加入卡爾曼濾波算法的結(jié)果，空心點(diǎn)代表最小二乘算法的解算結(jié)果。由圖可以比較直觀地發(fā)現(xiàn)，加入卡爾曼濾波算法的定位結(jié)果更加符合實(shí)際的情形。

圖15 卡爾曼濾波算法和最小二乘算法的行車軌跡

4.2.3 程序運(yùn)行穩(wěn)定性

從此次測試的程序使用情況下看，軟件運(yùn)行過程中一直能夠持續(xù)輸出定位結(jié)果，程序沒有出現(xiàn)意外的崩潰或者中斷，軟件運(yùn)行很穩(wěn)健。

5 總結(jié)

目前導(dǎo)航定位領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的GPS系統(tǒng)在觀測條件較差的地段定位精度下降甚至無法定位。而采用GPS/北斗組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠增加可視衛(wèi)星數(shù)，增加觀測數(shù)據(jù)，提高定位精度。目前，我國正自主建設(shè)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用GPS和北斗系統(tǒng)進(jìn)行組合觀測，可以充分利用導(dǎo)航資源，提高定位的可用性、精確性和可靠性。

測試是定位軟件開發(fā)中不可缺少的部分，為軟件的質(zhì)量提供了重要保障。本文詳細(xì)闡述GPS北斗聯(lián)合偽距差分定位軟件的測試方案和評價(jià)指標(biāo)，并以一次移動(dòng)測試作為實(shí)例，介紹了如何進(jìn)行測試以及如何評價(jià)測試結(jié)果。測試結(jié)果顯示，將設(shè)備和RTK一起使用，與RTK的定位結(jié)果相比，誤差在米級水平，可以為導(dǎo)航、地理位置服務(wù)等提供位置信息。測試方案基本模擬了現(xiàn)實(shí)使用中可能出現(xiàn)的各種情況，經(jīng)過測試之后進(jìn)行的改良，軟件已經(jīng)取得良好的使用效果。

Test and analysis of GPS and Beidou combined differential positioning software

*XU Heng-li1, YAO Lian-bi1’2, KANG Chuan-li3, HU Cong-wei1

（1. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092,China; 2. Key Laboratory of Modern Engineering Surveying, SBSM, Shanghai 200092,China; 3. Shanghai Beidou Navigation Co.LTD, Shanghai 200081,China)

Under poor observation conditions, single navigation system usually has lower visibility and declined positioning accuracy. Combined navigation system can improve the satellite visibility and improve positioning accuracy. Beidou navigation system has already been available for primary navigation and positioning. Test is an indispensable part in the development of positioning software. Its goal is to find and eliminate potential errors in the software, so as to improve software quality and meet the design and requirements. We introduce a test program of GPS and Beidou positioning software with an example of actual test. Achievement evaluation index has been given in the paper according to the design demand.

test program; pseudorange difference; combined positioning; kalman filter; accuracy evaluation

P228.4

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.04.002

1674-8085(2014)04-0007-06

2014-02-09；

2014-03-11

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA12A206）

*徐恒立(1990-)，男，江蘇東臺(tái)人，碩士生，主要從事空間定位與數(shù)據(jù)處理研究(E-mail: greatxuhl@hotmail.com);

姚連璧(1964-)，男，遼寧本溪人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事多傳感器的集成與工程應(yīng)用研究(E-mail: lianbiyao@126.com);

康傳利(1979-)，男，山東鄆城人，博士，主要從事3S集成技術(shù)理論與應(yīng)用研究(E-mail: kcl79@126.com);

胡叢瑋(1963-)，男，江西新余人，副教授，博士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位模型與算法研究(E-mail: cwhu@#edu.cn).