基于GNSS信號模擬器的衛(wèi)星定位設(shè)備精度檢定方法研究

姚飛娟,張聚銘

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心,洛陽 471000)

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基于GNSS信號模擬器的衛(wèi)星定位設(shè)備精度檢定方法研究

姚飛娟,張聚銘

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心,洛陽 471000)

隨著北斗兼容定位設(shè)備的推廣應(yīng)用,傳統(tǒng)利用檢定場測試方法受氣候環(huán)境變化、多路徑、成本高、重復(fù)性和可控性差等影響,給性能和精度評估帶來諸多不便,基于此,本文提出了利用GNSS信號模擬器仿真混合信號檢定衛(wèi)星定位設(shè)備精度的方法。通過研究該方法的可行性,驗(yàn)證其正確性,為室內(nèi)GNSS接收設(shè)備的動態(tài)精度檢定與評估開辟新的途徑。實(shí)驗(yàn)表明:該方法結(jié)果可靠,應(yīng)用方便,可作為檢定衛(wèi)星定位設(shè)備精度測試方法,具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

GNSS信號模擬器;動態(tài)精度;檢定

0　引　言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品的生產(chǎn)與應(yīng)用進(jìn)入蓬勃發(fā)展期,各類型的衛(wèi)星定位設(shè)備涌入市場,如何對新購置或者維修后的衛(wèi)星定位設(shè)備的性能和精度進(jìn)行全面評估,為使用中設(shè)備定期檢定給出實(shí)際性能和精度指標(biāo),動態(tài)把握設(shè)備的實(shí)際測量范圍,一直備受衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品用戶的關(guān)注。目前,我國開展檢定的傳統(tǒng)方法就是依據(jù)JJF 1118-2004《全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)(測地型和導(dǎo)航型)校準(zhǔn)規(guī)范》[1]和JJG(測繪)2301-2013《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測量型接收機(jī)RTK檢定規(guī)程》以及2015年新發(fā)布并實(shí)施的中國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn) BD 420009-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)測量型接收機(jī)通用規(guī)范》,借助野外檢定場,基于零基線和超短基線測試方法來測試衛(wèi)星定位設(shè)備的系統(tǒng)內(nèi)部噪聲水平,旋轉(zhuǎn)天線法測試其天線相位中心的穩(wěn)定性,依據(jù)不同測程精度分別利用短基線比較法、中邊長基線比較和互差比較法來檢驗(yàn)衛(wèi)星定位設(shè)備的精度指標(biāo)是否符合要求[2]。 但是各檢測設(shè)備數(shù)據(jù)格式、后處理軟件均不統(tǒng)一,檢定得出結(jié)論受多方因素影響,導(dǎo)致此類方法具有很大的局限性:

1) 檢定方法和實(shí)際測量為同一信號源,檢定結(jié)果不獨(dú)立;

2) 在軌衛(wèi)星動態(tài)變化,測量精度受信號源誤差、電離層誤差和對流層誤差影響較大;

3) 信號源播發(fā)數(shù)據(jù)無法復(fù)現(xiàn),檢定結(jié)果具有偶然性，不能客觀標(biāo)定各類衛(wèi)星定位設(shè)備的性能和精度指標(biāo);

4) 檢定場容易受多路徑效應(yīng)影響。

針對上述弊端,全面分析與研究衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備通性,發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星定位設(shè)備各型號均可通過命令設(shè)置輸出通用格式NMEA0183格式數(shù)據(jù)的共有特性,在此基礎(chǔ)上開展基于GNSS信號模擬器的室內(nèi)鑒定方法研究[3],為衛(wèi)星定位設(shè)備動態(tài)穩(wěn)定性、精度檢定方面探索出一種新方法,該方法消除了接收天線的誤差影響,測量精度結(jié)果更能反應(yīng)衛(wèi)星定位模塊的實(shí)際定位水平,為衛(wèi)星定位設(shè)備提供了新的動態(tài)檢定手段,具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1　方法介紹

1.1NMEA 0183協(xié)議介紹

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展,各生產(chǎn)廠家出于行業(yè)技術(shù)封鎖與商業(yè)競爭考慮,各自接收機(jī)記錄與輸出數(shù)據(jù)格式不盡相同,各自有自己的數(shù)據(jù)處理軟件完成其事后差分處理工作,使得GNSS相關(guān)服務(wù)受到阻擾,為不同類型的衛(wèi)星定位設(shè)備的性能評估造成了不便。目前,使用最廣泛是NEMA 0183標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù),即“National Marine Electronics Association”國家海洋電子協(xié)會定制的NMEA 0183數(shù)據(jù)格式協(xié)議,也是GNSS定位數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通信格式,它是一種將二進(jìn)制定位格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)定位格式的與衛(wèi)星類型無關(guān)的數(shù)據(jù)格式,數(shù)據(jù)流長度一般為30～100字符不等,以每秒間隔選擇輸出,最常用的格式“GGA”,包括定位時間、緯度、經(jīng)度、高度、定位所用的衛(wèi)星數(shù)、DOP值、差分狀態(tài)和校正時段等,衛(wèi)星定位設(shè)備可通過USB、COM口等通用數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)或者PDA數(shù)據(jù)傳輸,該方式兼容性高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、丟點(diǎn)少等特點(diǎn)而被廣為使用。

1.2基于GNSS信號模擬器的檢定方法設(shè)計(jì)

高動態(tài)GNSS衛(wèi)星信號模擬器是一種能夠在室內(nèi)產(chǎn)生高動態(tài)情況下接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號標(biāo)準(zhǔn)信號源的電子設(shè)備。借助該設(shè)備,用戶可以在室內(nèi)實(shí)時模擬飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等高動態(tài)載體在飛行中接收到的GNSS衛(wèi)星信號,是研制和開發(fā)各種軍用接收機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備;同時對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)驗(yàn)證具有重要意義[4]。

經(jīng)驗(yàn)表明在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過充分測試考驗(yàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品,再投入批量生產(chǎn)進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用,才能在工程應(yīng)用中發(fā)揮其最大效能,然而,衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的科研、應(yīng)用等過程僅依靠全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)(以下簡稱“接收機(jī)”)來接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號的方式展開,該方式會受到如可視衛(wèi)星數(shù)、天氣、電磁環(huán)境等諸多不可控因素影響,導(dǎo)致科研、驗(yàn)證工作的進(jìn)度和效率受阻,無法得到多樣化的導(dǎo)航衛(wèi)星狀態(tài)場景來滿足研發(fā)需求。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,促使衛(wèi)星信號模擬器研發(fā)技術(shù)備受關(guān)注,自2014年11月,JJF 1471-2014《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號模擬器校準(zhǔn)規(guī)范》出版發(fā)行后,彌補(bǔ)了國內(nèi)無模擬器校準(zhǔn)規(guī)范的空白,為衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的標(biāo)尺制訂了統(tǒng)一規(guī)范,為國內(nèi)模擬器的校準(zhǔn)提供了科學(xué)、合理的規(guī)范和參考標(biāo)準(zhǔn),為進(jìn)行更加科學(xué)、準(zhǔn)確、合理的校準(zhǔn)發(fā)揮了積極的推動作用。

GNSS信號模擬器(以下簡稱“模擬器”)是GNSS系統(tǒng)信號發(fā)生器,它能夠根據(jù)運(yùn)動載體的動態(tài)特性等各種因素對衛(wèi)星信號的影響,模擬仿真全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號,精確模擬產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備能夠收到的GNSS衛(wèi)星信號,可產(chǎn)生高動態(tài)包括GPS、GALILEO、GLONASS、BDS等混合星座導(dǎo)航信號,來檢驗(yàn)接收機(jī)的捕獲性能和動態(tài)精度,被廣泛應(yīng)用于GNSS接收設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和計(jì)量等各個環(huán)節(jié),對衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的捕獲、跟蹤和測量準(zhǔn)確度進(jìn)行測量鑒定,是目前高動態(tài)精度測量的首選計(jì)量器具[5-6]。

據(jù)此原理,合理設(shè)計(jì)靜態(tài)、動態(tài)場景,配合程控電源以及評估軟件,硬件連接示意圖如圖1所示。

圖1　基于衛(wèi)星信號模擬器精度評估硬件連接示意圖

為了精確客觀的分析比對衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的定位結(jié)果,同時分析天線對定位結(jié)果的影響,以衛(wèi)星信號模擬器的定位結(jié)果為真值,統(tǒng)計(jì)其水平定位誤差項(xiàng)、高程定位誤差項(xiàng)以及空間誤差項(xiàng),得出各項(xiàng)指標(biāo)的的最大值、最小值以及平均值,標(biāo)準(zhǔn)差及2倍西格瑪[7]。

定位測速精度分析采用的方法是分別對空間直角坐標(biāo)系下的誤差及速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。具體數(shù)據(jù)處理比對方法如下:

1) 計(jì)算空間直角坐標(biāo)系下各分量定位偏差ΔXi、ΔYi和ΔZi:

(1)

式中:ΔXi為i時刻空間直角坐標(biāo)系下X方向定位偏差,單位為m;ΔYi為i時刻空間直角坐標(biāo)系下Y方向定位偏差,單位為m;ΔZi為i時刻空間直角坐標(biāo)系下Z方向定位偏差,單位為m; (Xci,Yci,Zci為i時刻定位的空間直角坐標(biāo)系下位置坐標(biāo),單位為m; (Xie0,Yi0,Zi0)為i時刻空間直角坐標(biāo)系下模擬器真值位置坐標(biāo)值,單位為m;

(2)

其中,N為總共測試時間段內(nèi)的定位結(jié)果個數(shù)。

3)計(jì)算該時段內(nèi)定位的水平定位誤差ΔP(水平)、高程定位誤差ΔH(高程),標(biāo)準(zhǔn)差δ和2倍的西格瑪為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2　算例數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證該方法的正確性,選用華力創(chuàng)通7500GNSS信號模擬器,選某型號的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備——衛(wèi)星定位模塊為TD3020C(雙模定位模塊)[8],采樣率為1 Hz,波特率為115 200,采用直連的方式將其與衛(wèi)星信號模擬器連接,靜態(tài)固定點(diǎn)測試,場景時長為2.0 h,動態(tài)測試是場景時長為2.0 h,動態(tài)速度在0～150 km/h,通過測試得到該型號衛(wèi)星定位裝置的水平定位誤差、高程定位誤差等測試項(xiàng)結(jié)果如表1、表2和圖2、圖3所示。

表1　靜態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2　動態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖2　靜態(tài)定位誤差

圖3　動態(tài)定位誤差

根據(jù)衛(wèi)星信號模擬器測試數(shù)據(jù)評估TD3020C雙模衛(wèi)星定位模塊的實(shí)際測量精度為:水平靜態(tài)單點(diǎn)定位精度在測試時段內(nèi)可達(dá)3 m以內(nèi),動態(tài)單點(diǎn)定位精度達(dá)到5 m以內(nèi),高程上達(dá)到10 m以內(nèi),靜態(tài)單點(diǎn)定位精度明顯優(yōu)于動態(tài)單點(diǎn)定位精度,可滿足交通導(dǎo)航用戶的使用要求。

3　結(jié)束語

經(jīng)測試數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證表明:基于GNSS信號模擬器的衛(wèi)星定位檢定方法可靠,易行,能有效反映衛(wèi)星定位設(shè)備的實(shí)際測量精度,隨著衛(wèi)星信號模擬器檢校溯源問題和一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺,該方法將成為未來接收機(jī)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測試手段。隨著北斗系統(tǒng)的健全與完善,該方法還可應(yīng)用于多模多頻點(diǎn)衛(wèi)星定位設(shè)備的事后載波差分精度評估,為動態(tài)載波相位差分定位精度分析提供了新手段,隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的完善,雙頻測量型兼容定位設(shè)備以及事后載波相位軟件的成熟,下一步筆者將開展雙頻載波相位差分測試精度方面的研究。

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Research on the Method of the Satellite Positioning Equipment Precision Verifying Using GNSS Signal Simulator

YAO Feijuan,ZHANG Juming

(ElectronicEquipmentTestCenterofLuoyangChina,Luoyang471000，China)

With the popularization and application of Beidou compatible positioning equipment, using the traditional test by verification network method is not easy due to climate change, multi-path, high cost, poor repeatability, controllability and so on, This is inconvenient to evaluate the accuracy and performance. So, This paper proposes the method of GNSS signal simulator testing satellite positioning module accuracy. By studying the feasibility of this method and verifying its correctness, we open up a new avenues for dynamic precision verification and evaluation of GNSS receiving equipment experiment indoor. The result shows that the method is reliable, and convenient, It can be used as satellite positioning equipment precision test method with practical significance.

GNSS signal simulator; dynamic accuracy; verify

2016-01-27

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0025-04

姚飛娟(1981-),女,陜西周至人,工程師,現(xiàn)主要從事GPS數(shù)據(jù)處理工作。

張聚銘(1985-),男,河南南樂人,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.006

聯(lián)系人： 姚飛娟 E-mail: yfj311@163.com