基于真實場景庫導(dǎo)航終端虛擬測試技術(shù)的研究

齊寧+鄭建立+陳新

摘 要：隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，以及我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的日益完善，各式各樣的導(dǎo)航終端定位設(shè)備呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，并被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。因此，亟待一種全新的測試方法能更快速、更準(zhǔn)確、更全面地反映導(dǎo)航終端性能與功能。本文對基于真實場景庫的導(dǎo)航終端虛擬測試技術(shù)的實現(xiàn)原理與技術(shù)難點做了系統(tǒng)性介紹，分析了相關(guān)測試技術(shù)的關(guān)鍵性問題，最后歸納了當(dāng)前測試服務(wù)所面臨的主要挑戰(zhàn)并對未來的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：真實場景庫；導(dǎo)航終端；高精度；虛擬測試

0 引言

縱觀世界，“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”主要包括最常使用的美國GPS，以及俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐洲伽利略（GALILEO）和中國的北斗（BeiDou）四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯是目前世界上最主要的兩大定位系統(tǒng)[1～2]。而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并分別與俄羅斯格洛納斯（GLONASS）和美國GPS達(dá)成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容互操作協(xié)議。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是最新的定位系統(tǒng)，但同時也是發(fā)展最快的定位系統(tǒng)。我國已完全建成由14顆組網(wǎng)衛(wèi)星和32個地面站天地協(xié)同組網(wǎng)運(yùn)行的北斗二號系統(tǒng)[3]，2017年11月我國成功發(fā)射北斗三號第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星并完成測試和入網(wǎng)驗證，2020年前后，我國將建成由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)，也就是北斗三號，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)[4]。

伴隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，甚至出現(xiàn)井噴現(xiàn)象[4]，近年，北斗高精度應(yīng)用深入滲透到交通運(yùn)輸、車船監(jiān)管、電力、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、公安、林業(yè)等諸多行業(yè)和領(lǐng)域；同時，大眾市場獲得更加廣泛的拓展，在監(jiān)控跟蹤類可穿戴式設(shè)備、移動健康醫(yī)療、城市快遞、互聯(lián)網(wǎng)汽車、電動自行車安防等細(xì)分領(lǐng)域獲得重大突破，北斗高精度應(yīng)用已經(jīng)成為主流方案，大眾市場正在向高精度標(biāo)配化發(fā)展。面對數(shù)量巨大、種類繁多、應(yīng)用場景復(fù)雜的導(dǎo)航終端市場，模擬真實環(huán)境，構(gòu)建抗干擾和抗欺騙檢測的認(rèn)證環(huán)境，是提升導(dǎo)航終端產(chǎn)品質(zhì)量，真實反映導(dǎo)航終端的性能和功能[3]，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的高精度定位、授時的保證，也是建立應(yīng)用測試服務(wù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的保證。可見，導(dǎo)航終端測試技術(shù)作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的最終測試環(huán)節(jié)，不僅是建立導(dǎo)航終端標(biāo)準(zhǔn)市場規(guī)范的重要載體，更能創(chuàng)造出巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 真實場景庫虛擬測試

基于真實場景庫的虛擬測試技術(shù)就是以大規(guī)模真實場景數(shù)據(jù)（或稱之為大數(shù)據(jù)）為核心，結(jié)合衛(wèi)星信號模擬器測試和真實路跑信號測試的測試特點，構(gòu)建高可用高精度定位導(dǎo)航測試驗證平臺。

衛(wèi)星信號模擬器測試是通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型設(shè)置預(yù)定場景的性能參數(shù)，并仿真衛(wèi)星軌道模擬信號傳輸模型，為導(dǎo)航終端提供可信賴的測試平臺。實際測試發(fā)現(xiàn)這種測試方式的確可以得到非常優(yōu)異的性能參數(shù)，但測試信號、場景以及載體動態(tài)的定義過于理想化，與實際信號測試得到的測試結(jié)果差異很大。真實路跑信號測試就是在實際環(huán)境下由車輛搭載終端進(jìn)行實地實時測試。這種方式反映了終端的真實性，還可以反映載體的運(yùn)動狀態(tài)，但這種測試方法存在的問題是成本比較高，測試結(jié)果重復(fù)性差[2]。

目前市場上的導(dǎo)航終端的測試技術(shù)主要分為上述兩大類。而基于真實場景庫的虛擬測試技術(shù)就是綜合這兩類測試技術(shù)的特點，不僅滿足復(fù)雜多樣的應(yīng)用場景與多元化的服務(wù)需求，也滿足了多元融合位置、高精度導(dǎo)航定制化測試需求。圖1-1展示此類測試技術(shù)采集系統(tǒng)的基本模型，通過構(gòu)建一臺信號采集車，在車輛上搭載全頻點、多系統(tǒng)的實時信號記錄儀，就可以在采集車上實現(xiàn)對不同信號的原始信號記錄。另外搭載一套高精度的標(biāo)定系統(tǒng)，主要是對車的軌跡進(jìn)行精確的標(biāo)定。圖1-2展示此類測試技術(shù)數(shù)據(jù)庫回放系統(tǒng)基本模型，主要是制定測試數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)，方便應(yīng)用測試的時候可以對信號狀態(tài)進(jìn)行高精度重現(xiàn)，通過回放采集信號對終端進(jìn)行測試，之后可以與真實路跑信息進(jìn)行對比。這便是基于真實場景庫的導(dǎo)航終端虛擬測試系統(tǒng)，這套系統(tǒng)是完整的真實場景實錄，逼真性高，可以更加充分來反映導(dǎo)航終端在實際使用中的效果，而且其采集場景類型多種多樣，測試簡捷、可重復(fù)、可復(fù)現(xiàn)，然而其也具有信號實錄有一定損失，細(xì)分的定量指標(biāo)覆蓋下的缺點。

2 真實場景庫虛擬測試的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 導(dǎo)航信號的電參數(shù)特性研究

為了提取導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)中更深層次的特征參數(shù)信息，如信號強(qiáng)度隨時間變化的規(guī)律、信號多普勒的變化細(xì)節(jié)、信號多徑的數(shù)量變化和強(qiáng)度變化，以及信號中的干擾頻譜特性、噪聲的統(tǒng)計特性等[6]。采用基于最大似然原理設(shè)計的多徑延遲幅度聯(lián)合跟蹤算法進(jìn)行實現(xiàn)聯(lián)合估計多徑信號的延遲、幅度、多普勒等信息，從而勾勒出整個多徑信號的特征及其變化，并再用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)消除信號間影響，提高估計精度。

本文所采用的基于最大似然原理設(shè)計的多徑延遲幅度聯(lián)合跟蹤算法不僅適用于傳統(tǒng)的GPS和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航信號，而且可以適用于我國先進(jìn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號[5]。在衛(wèi)星信號傳播環(huán)境中，假設(shè)接收機(jī)接收到 路多徑信號，那么接收機(jī)接收到的多徑信號基帶模型可以表示成[7]：

式中，i 表示各路多徑分量，α 是信號幅度，θ 是載波相位差，△ω 是多普勒頻率殘差，t 是信號傳播相位延遲，在接收機(jī)中設(shè)計的跟蹤算法會對多普勒頻率殘差進(jìn)行補(bǔ)償，因此△ω實際值很小，（1）式就簡化成：

實際上接收機(jī)所接收的多徑信號一般為兩路（即i=1），則上式可表示成：

在（3）式中，H表示噪聲服從N（0，σ2） 分布，由于實際接收機(jī)是對接收到的多徑信號進(jìn)行實時矢量處理，因此將（3）式表示為矢量形式為：

最大似然估計就是使得（5）式取得最大值，也就是使得（6）式取得最小值。

上述即為基于最大似然原理設(shè)計的多徑延遲幅度聯(lián)合跟蹤算法的基本模型。經(jīng)過多次測試，該算法都可以有效地估計出多徑信號的多徑數(shù)目、功率和碼相位特性，并反映其動態(tài)特性，驗證了該模型的正確性。

2.2 導(dǎo)航信號定位精度研究

本文采用基于統(tǒng)計分布假設(shè)的數(shù)據(jù)處理方法對回放系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而客觀反映被測終端的定位精度。數(shù)據(jù)處理步驟如下：

（a）選用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計判斷準(zhǔn)則將導(dǎo)航單元的輸出數(shù)據(jù)去除粗大誤差數(shù)據(jù)，去除平面精度因子HDOP>4或者位置精度因子PDOP>6的測量數(shù)據(jù)，將精選出的大地坐標(biāo)系（BLH）定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)系（ENU）定位數(shù)據(jù)。

（b）按照公式（7）分別計算定位數(shù)據(jù)的E、N、U方向的定位誤差△Ei、△Ni 、△Ui 。（下文所有變量的單位均為米）

式中△Xi表示第i次實時定位數(shù)據(jù)的E或N或U方向的定位誤差，Xi表示第i次實時定位數(shù)據(jù)的E或N或U方向分量，X0i表示第i次實時定位的標(biāo)準(zhǔn)點坐標(biāo)E或N或U方向分量（i=1，2…n）。

（c）按公式（8）分別計算站心坐標(biāo)系下各方向下的定位偏差（bias）BE、BN、BU。

σH表示定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差在水平方向的分量。

（e）計算置信概率為95%的定位精密度，對于水平方向，在各軸向隨機(jī)誤差接近正態(tài)分布且誤差橢圓比約為1的假設(shè)下，可取置信因子k=2[13]，即：

在實際應(yīng)用中，基于統(tǒng)計分布假設(shè)的數(shù)據(jù)處理方法可以提供精確的定位精度值，從而可以有效的反映導(dǎo)航終端的定位性能。目前，針對真實場景庫虛擬測試系統(tǒng)關(guān)鍵性技術(shù)的研究不僅為衛(wèi)星導(dǎo)航終端相關(guān)產(chǎn)品的測試提供了一個真實場景數(shù)據(jù)的測試平臺，而且有效的促進(jìn)了對多徑抑制算法、高精度導(dǎo)航定位算法等高性能算法的開發(fā)，并降低了定位終端的測試周期與測試成本。

3 總結(jié)

目前相關(guān)的測試技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)依然面臨諸多挑戰(zhàn)，主要有采集回放面臨高精度產(chǎn)品測試基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定與時間同步問題[1]；當(dāng)前的測試要求、方法針對不同產(chǎn)品各不相同，差異大、共性少，沒有形成完整體系；產(chǎn)品指標(biāo)體系內(nèi)容多樣，在符合指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步綜合評估優(yōu)劣沒有評價標(biāo)準(zhǔn)，難以綜合評價。然而相信隨著基于真實場景庫導(dǎo)航終端虛擬測試技術(shù)的發(fā)展，完全能夠創(chuàng)建一套測試方法科學(xué)性、數(shù)據(jù)真實性、結(jié)果可信性、分析準(zhǔn)確性完整終端測試系統(tǒng)，來更加充分來反映導(dǎo)航終端在實際使用中的效果。如果未來最終能實現(xiàn)真實場景信號的重構(gòu)，同時側(cè)重場景的深度挖掘，將場景分類研究得非常充分，并將不同終端傳感器進(jìn)行集成、采集、回放，就能完全替代當(dāng)前的實際場景測試，可極大規(guī)模地降低企業(yè)測試成本。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉思睿. GNSS接收機(jī)性能綜合測試技術(shù)研究[D].北京化工大學(xué)，2013.

作者簡介：

齊寧（1993-），男，漢族，碩士研究生。主要研究方向：數(shù)據(jù)處理、測試技術(shù)。