基于北斗定位系統(tǒng)的雙模模塊測試方法研究

趙成志，許朋，陳奐昊

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

2012年10月25日，隨著第16顆北斗衛(wèi)星的成功發(fā)射，中國北斗導航工程區(qū)域組網(wǎng)的順利完成，標志著國內的北斗定位系統(tǒng)日漸成熟與穩(wěn)定。國家在 “十二五”規(guī)劃中，正式將北斗定位系統(tǒng)向民用開放，鼓勵國內各大廠商研發(fā)北斗定位芯片及模塊[1]，同時由各部門積極推廣使用北斗定位系統(tǒng)，因而，未來北斗定位系統(tǒng)的使用將會進入快速增長的階段，屆時也將會出現(xiàn)由各個廠商所制造的各種北斗定位模塊/產品。如何鑒別定位模塊的定位能力，將是接下來幾年內的研究重點。由于國家政策的支持，政府部門將采購大批量的北斗定位模塊/產品，用于漁業(yè)船舶管理、運輸車輛管理、公務用車管理和森林防火等，這些應用對定位模塊的需求量估計會達到上千萬[2]，如此大的市場必將會是各大北斗定位模塊/產品供應商爭奪的焦點。但是，從國家管理部門的角度出發(fā)，如何獲得合適的產品，如何甄選出最優(yōu)的產品才是關鍵，這將會影響到市場的導向，所以，對北斗定位模塊/產品的定位能力進行測試，將具有重大的意義?；诖?，本文研究了定位模塊的測試指標及測試方法，并在此基礎上進行改進，提出了多款定位模塊同時進行比選測試的測試模型。

1 定位模塊測試模型分析

1.1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理是：定位模塊/芯片通過搜索衛(wèi)星，計算模塊與衛(wèi)星之間的距離和方向，即有向距離，可以用向量來表示；當定位模塊接收到多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時，就可以計算出當前的位置，即數(shù)學向量學中的兩條直線相交時，其交點是確定的，當然不能簡單地使用兩顆衛(wèi)星，一般需要4顆及以上的衛(wèi)星才能完成定位[3]。如圖1所示，假設t時刻在地面待測點上安置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機，可以測定北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)就可以確定以下4個方程式。

圖1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位

在上述4個方程式中，待測點坐標x、 y、 z和Vto為未知參數(shù)。其中，di=c△ti（i=1、2、3、4）；di（i=1、2、3、4）分別為衛(wèi)星1-4與接收機之間的距離；△ti（i=1、2、3、4）分別為衛(wèi)星1-4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間；c為GPS信號的傳播速度 （即光速）。另外，各個參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標；xi、yi、zi（i=1、2、3、4） 分別為衛(wèi)星1-4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導航電文求得；Vti（i=1、2、3、4） 分別為衛(wèi)星1-4的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供；Vto為接收機的鐘差。由以上4個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。

1.2 定位模塊的實際道路測試模型分析

根據(jù)以上的定位原理，我們來設計實際道路的測試模型。首先，定位模塊至少有兩個：一個定位模塊作為被測模塊，一個定位模塊作為標準數(shù)據(jù)進行比較，我們稱為標準模塊；兩個定位模塊在同一地點、同一時刻接收相同的衛(wèi)星定位信號。然后，根據(jù)定位模塊自己的定位算法，計算出定位信息，即經(jīng)度、緯度和高度。通過比較兩個定位信息的差來鑒定被測模塊的定位能力。因此，作為標準的定位模塊的定位能力必須要比其他定位模塊的定位能力強，不然不足以作為標準模塊[4]。在我們的測試模型中，選擇高精度的RTK慣導組合，這里不再贅述慣導和RTK的原理，一般要根據(jù)實際的需要來確定選用何種組合作為標準模塊，高精度RTK慣導組合是目前業(yè)界定位精度最高的設備，是在GPS定位信息的基礎上，結合RTK差分信號和慣導信息，對定位信息進行修正，得到一個更高精度的組合定位信息，因而能使定位模塊的定位精度得到很大的提高。

由于在整個定位過程中需要比較計算很多組數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)比較端我們需要通過軟件來進行計算。但是，計算過程卻比較簡單，就是先計算出被測模塊的單點定位信息與標準信息的差值，即誤差，然后再計算出多組誤差的算術平均值即可。

因此，本次實際道路測試的模型如圖2所示，該模型的具體的工作過程如下所述。

圖2 定位模塊的實際道路測試模型

首先，通過衛(wèi)星天線，將導航信號傳輸?shù)焦Ψ制?；功分器將導航信號復制成兩份相同的導航信號分別給被測模塊和標準模塊，被測模塊根據(jù)導航信號計算出定位信息，并將該信息發(fā)給評估軟件；標準模塊則使用GPS模塊進行定位計算。然后，再結合RTK的差分信號和慣導的定位信息進行組合定位。最后，將組合定位信息發(fā)給評估軟件，由于實際道路的測試過程是一個連續(xù)的動態(tài)過程，一般一個場景的測試將持續(xù)20 min，將會有1000多組定位數(shù)據(jù)，所以在測試過程中需要設定同步信號，它由評估軟件統(tǒng)一發(fā)出，即在開始進行定位時，由評估軟件統(tǒng)一 “開始”接收定位數(shù)據(jù)，并在開始的同時插入一個同步信號標識。

1.3 實際道路測試環(huán)境的搭建

車載測試環(huán)境分為兩部分：一部分為被測件組，另一部分為對照組；被測件組與對照組同用一個導航信號源，即來自車頂架設的多模衛(wèi)星接收天線所接收的北斗衛(wèi)星信號。輔助設備有：可支持4 h以上的移動交流電源，可提供穩(wěn)定的交直流變壓直流電源、車載錄像機和車載設備機架。實際道路測試環(huán)境的連接方式如圖3所示，具體的操作步驟如下所述。

a）第1步，準備測試用車，測試車輛的車廂空間應足夠大，以便放置測試設備。

b）第2步，安裝對照組設備。

1）安裝計速器，使用精確的里程計，將計速磁條安裝到汽車其中一個后輪的內鼓中，并安裝感應頭，將感應數(shù)據(jù)傳至慣導儀；

2）安裝衛(wèi)星接收天線，在測試車頂部的中軸線附近分別安裝兩個衛(wèi)星接收天線，一前一后，與車輛前進方向同向，分別為前衛(wèi)星天線和后衛(wèi)星天線，前衛(wèi)星天線為GPS接收天線，后衛(wèi)星天線為多模接收天線；

3）安裝慣導儀，將慣導儀安裝于車廂內部，位置介于前衛(wèi)星天線和后衛(wèi)星天線投影連線的中間，并置于車廂地板固定，接入前衛(wèi)星導航信號 （GPS）；

4） 安裝導航計算機 （PCS），將PCS固定于車廂地板上，并接入里程計、前衛(wèi)星天線和慣導儀等設備的數(shù)據(jù)信號；

5）安裝電臺接收器，將接收天線置于車廂外頂部，將信號線接入車廂內的電臺接收器，電臺接收器將接收到的基站差分信號放大和解調后再輸入PCS中；

6）接入后衛(wèi)星天線的導航信號，多模衛(wèi)星天線用于接收北斗衛(wèi)星導航信號，在經(jīng)過功分器后，與被測件組共用同一種導航信號；

7）安裝PCS控制端，PCS控制端為一個便攜式計算機，安裝有導航信息綜合顯示軟件，控制端與PCS間由網(wǎng)線連接。

c）第3步，安裝被測件組設備，被測件組分為3個部分：前置信號收集設備、被測芯片信息處理系統(tǒng)和測試評估系統(tǒng)。

圖3 實際道路測試環(huán)境連接圖

1）安裝前置信號收集設備，衛(wèi)星導航信號源從后衛(wèi)星天線引入，經(jīng)過偏置盒 （又稱為加電盒或北斗低噪聲放大器）后經(jīng)低噪放大器和衰減器，將二級放大濾波后的信號傳至功分器；

2）安裝被測芯片，將被測芯片的輸入端從功分器的其中一個輸出端接入，輸出端為串口，連接至串口服務器上；

3）安裝測試評估系統(tǒng)，測試評估系統(tǒng)軟件安裝在公開的便攜式筆記本上，通過網(wǎng)線將串口服務器與筆記本電腦相連接，可收集被測件的輸出導航信息，在收集完成所有的測試任務后，由測試評估軟件將所收集到的被測件的導航信息與對照組的導航信息進行比較后獲得評估結果。

d）第4步，測試執(zhí)行，所有的設備安裝完成之后，進入測試階段，測試階段分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩個階段。

1）測試小組組成，車載測試人員由一名司機、兩名測試工程師和一名行駛路線導航員組成；

2）靜態(tài)測試，測試及評估方法見測試規(guī)范；

3）動態(tài)測試，測試及評估方法見測試規(guī)范，測試工程師分別負責采集GPS對照組的導航信息和采集被測件信息，每個場采集點不低于1000點，為了保證采集點的數(shù)量，以被測件所采集的信息點為標準，GPS對照組的信息點采集的時間和數(shù)量 （以時間戳間隔計算）均要大于被測件的信息點采集數(shù)量；

4）測試數(shù)據(jù)的匯總和處理。

2 測試方法及測試場景分析

2.1 靜態(tài)定位精度測試

2.1.1 靜態(tài)測試概述

靜態(tài)測試要求被測件處于固定的靜止位置，采用一個不具備多徑抑制功能的兼容性天線做為公共信號源，被測件要求在1 PPS信號上升沿秒邊界輸出NMEA數(shù)據(jù)，被測件的定位結果輸出頻度為1 Hz（1次/s），定位時刻截斷毫秒，即僅取hhmmss，不進行毫秒的舍和入，采集的定位信息點的數(shù)量不少于9000個。

在采集定位信息點時，應以被測件所采集的定位信息點為準，所參考的GPS高精度差分接收機的采樣定位信息點所標識的場景標記須大于被測件的定位信息點，即GPS高精度差分接收機采樣場景標記所標識的測試時間段包含被測件定位信息的采集時間段。

2.1.2 測試目的

測試模塊BD2在靜止狀態(tài)下的實際功能和性能表現(xiàn)。

2.1.3 測試方法

將多個待測模塊同時放置在開闊地點，從冷啟動一定時間后開始，進行靜態(tài)實測。主要是為了使系統(tǒng)定位穩(wěn)定后再開始測試，以免影響測試結果。實測過程中要獲取足夠多的數(shù)據(jù)，一般在靜態(tài)下的定位精度需要獲取1000個點以上的定位數(shù)據(jù)[5]。具體的操作方法可以根據(jù)實際的情況來定，將模塊輸出的NMEA語句通過串口保存到路測測試平臺上，相關事項如下所述。

a）測試參考來源

將已知的天線中心所在點的定位信息 （由測繪局的測試所得）作為標準參考值。

b）天線安裝

采用一個不具備多徑抑制功能的兼容性天線，用功率分配器將信號接入各個待測模塊中。

c）NMEA數(shù)據(jù)輸出

將所有的待測模塊通過串口擴展器，與測試平臺連接，確保各個模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的同步性。各個模塊要求在1 PPS信號上升沿秒邊界輸出NMEA數(shù)據(jù)。設置模塊定位結果的輸出頻度為1 Hz。定位時刻截斷毫秒，即僅取hhmmss[6]，不進行毫秒的舍和入。

2.1.3 評估方法

a）水平定位誤差

將待測模塊測試的經(jīng)緯度與已知的天線中心所在點的經(jīng)緯度進行比較，得到水平定位誤差。

b）高程定位誤差

高程定位誤差主要是為了測試模塊高程的定位偏移距離，并將待測模塊測試的高度與已知的天線中心所在點的高度進行比較，得到高程定位誤差。

2.2 動態(tài)定位測試

2.2.1 動態(tài)測試概述

動態(tài)測試要求被測件依次進入7種場景中進行測試，每次測試須采集不低于1000個定位信息點。

在采集定位信息點時，應以被測件所采集的定位信息點為準，所參考的GPS高精度差分接收機的采樣定位信息點所標識的場景標記須大于被測件的定位信息點，即GPS高精度差分接收機采樣場景標記所標識的測試時間段包含被測件定位信息的采集時間段。

2.2.1 測試目的

為了測試模塊BD2在真實的應用場景下的功能和性能表現(xiàn)，擬選定幾種場景綜合測試模塊的水平定位誤差、高程定位誤差、成功定位概率和測速誤差。

2.2.2 測試方法

將多個待測模塊同時安裝在同一輛路測車上，在相同的環(huán)境下進行長時間的道路實測，將模塊輸出的NMEA語句通過串口保存到路測測試平臺上，相關事項如下所述。

a）測試結果參考來源

將RTK+INS組合導航接收機的輸出結果作為標準參考值。

b）天線安裝

采用一個不具備多徑抑制功能的兼容性天線，用功率分配器將信號接入各個待測模塊中。

c）NMEA數(shù)據(jù)輸出

將所有的待測模塊通過串口擴展器，與測試平臺連接，確保各個模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的同步性。各個模塊要求在1 PPS信號上升沿秒邊界輸出NMEA數(shù)據(jù)，設置模塊的定位結果輸出頻度為1 Hz。定位時刻截斷毫秒，即僅取hhmmss，不進行毫秒的舍和入。

d）路況記錄

路測車上安裝有1個攝像頭，攝像頭朝向車前進正前方，錄制實時路況信息。

e）測試場景

整個跑車線路結合實際測試執(zhí)行的可行性，覆蓋以下場景，如表1所示。

表1 測試場景

2.2.3 評估方法

a）水平定位誤差

將待測模塊測試的經(jīng)緯度與RTK組合接收機的參考經(jīng)緯度進行比較。

b）高程定位誤差

將待測模塊測試的經(jīng)緯度高程與RTK組合接收機的參考經(jīng)緯度高程進行比較。

c）成功定位概率

成功定位的概率是指測試模塊在各種路況下能夠成功定位的概率。成功定位概率是成功定位概率=成功定位次數(shù)/總運行時間。其中，成功定位次數(shù)即RMC語句輸出標記為 “A”，而且定位誤差在100 m（包括100 m）范圍內的定位，總運行時間即從平臺下發(fā)指令開始到平臺停止接收定位結果為止的這段時間。

d）測速誤差

主要是為了考核模塊在各種路況下的測速誤差，將待測模塊輸出的速度與RTK參考速度進行比較。

2.4 測試場景分析

本次實際道路測試的測試場景選取了開闊地、隧道、轉彎、橋梁地形、城市峽谷、高速公路和濃密樹蔭等7種特殊地形。

在進行實際道路測試時，每個場景都要獲取1000個定位數(shù)據(jù)，每獲取一個定位數(shù)據(jù)的時間為1 s左右，獲取1000個定位數(shù)據(jù)則需要1000 s，大約為20 min。進行隧道場景的測試時，要求隧道足夠長，至少為500 m，以方便掉頭；轉彎場景的彎道要足夠大，直徑至少為50 m，否則容易造成疲勞駕駛，而且彎道上是沒有紅綠燈的；橋梁地形一般選擇高架橋；城市峽谷則要求道路比較窄，一般一邊兩車道，兩邊均是高樓大廈，這樣從視覺上就會形成一種峽谷的感覺；高速公路則選擇封閉的路段，注意選擇時要考慮是否掉頭這一問題；濃密樹蔭場景測試則要選取兩旁有遮天蔽日的樹蔭的道路，樹蔭連成一片為最佳。

在每個場景均要行駛20 min，一般路段沒有這么長，所以要充分考慮路段的調頭功能，以及高峰時期的堵車情況。每個場景的測試時間為20 min，則7個場景的總測試時間為140 min，再加上場景轉換過程中的時間，一次測試下來所需要的時間大概為180 min，即3 h，所以在進行場景路段的選擇時必須要仔細分析路段的各種情況，以及場景路段之間的銜接問題。

3 比對測試方法的改進

與以往的測試環(huán)境相比，本次設計的測試環(huán)境引入了比對測試功能，可以支持多個被測件同時進行測試，很好地解決了被測對象同時享有同等的測試輸入和測試環(huán)境這一問題，就不需要進行多次測試，畢竟一次測試需要的時間很長，而且多次測試容易造成疲勞駕駛，使測試的危險系數(shù)增大。

為保證多個被測對象同時進行測試，首先，必須解決信號問題 （這里的衛(wèi)星定位信號是模擬信號，不是數(shù)字信號，不能單純地復制信號，所以需要使用放大器將定位信號放大至適合的倍數(shù)）；然后，再分解成多個同等的信號供給被測件 （信號放大后容易受到干擾，所以這里需要使用偏置盒對信號進行微調和過濾）。

4 結束語

首先，本文介紹了衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理和實際道路測試模型；其次，介紹了測試模型的實現(xiàn)方法和方式；最后，分析了實際測試的部分場景的測試結果。通過對雙模定位模塊的實際道路測試模型的研究，成功地研究出了雙模模塊的道路測試方法和測試環(huán)境；同時引入了多個模塊比對測試的概念，使該測試模型的效率得到很大的提高，并且在一定程度上提高了比對測試過程中的公平性。

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