關(guān)于北斗RNSS接收機主要性能指標(biāo)及測試問題的探討

謝璐璐，徐華偉，李家斌，黃林軼

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評價與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，廣州 511370）

引言

隨著北斗三號系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，北斗接收機由電力、交通運輸、公共安全、通信、水利等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域向大眾消費領(lǐng)域深層次擴展，且開始與GNSS兼容互操作、融合通信系統(tǒng)（5G）以及與聲光電磁和機械慣性等時空信息結(jié)合，形成新時空下的高可靠性乏在位置服務(wù)。北斗接收機按功能可劃分為北斗RNSS接收機和北斗RDSS接收機，其中RNSS是指衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，如GPS、伽利略、格洛納斯等全球系統(tǒng)是典型的RNSS系統(tǒng)。北斗RNSS接收機按功能又可細分為定位型、導(dǎo)航型、測量型和定時型。導(dǎo)航、定位是北斗接收機產(chǎn)品最重要的功能，而定位精度、靈敏度以及時間特性是衡量北斗RNSS接收機性能的三個最主要的指標(biāo)。目前，北斗RNSS接收機測試標(biāo)準(zhǔn)繁多[1]，有國家標(biāo)準(zhǔn)、北斗系列專項標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范測試方法不統(tǒng)一，因此有必要對北斗RNSS接收機主要性能指標(biāo)以及存在的測試問題進行梳理及分析，為北斗終端企業(yè)研發(fā)人員或檢測機構(gòu)領(lǐng)域測試人員提供參考。

1 定位精度

定位精度是指接收機輸出的觀測位置值與真實位置值之差的統(tǒng)計值，其反映的是北斗RNSS接收機定位結(jié)果與真值間的一致程度。通常所說的定位精度，嚴(yán)格來說應(yīng)該稱為“定位準(zhǔn)確度”，“精度”只是在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域約定俗稱的叫法。定位精度一般由隨機誤差和系統(tǒng)誤差組成，這兩者反映的是定位的精密度和正確度即偏差。正確度是指測量值和真實值的接近程度，用于表明測量值的正確性。而精密度是指多次測量的測量值彼此之間的符合程度，用于表明測量值之間的重現(xiàn)性。

1.1 統(tǒng)計方法

定位精度的評估最常見的統(tǒng)計方法有三個：標(biāo)準(zhǔn)偏差、均方根誤差（RMS）、圓概率誤差（CEP）。圓概率誤差是指以真實值為圓心、偏離圓心概率為50 %的二維點位的散布半徑，有些標(biāo)準(zhǔn)也用排序法[2]，二者意義相近。目前標(biāo)準(zhǔn)里應(yīng)用最多的主要是基于標(biāo)準(zhǔn)偏差和基于均方根誤差兩種定位精度統(tǒng)計方法。

1）基于標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差又稱均方差，為方差的平方根，描述隨機變量與其數(shù)學(xué)期望的離散程度，通常用來反映定位測試結(jié)果的精密度，統(tǒng)計公式如式（1）：

式中：

ms—定位精度，單位為m；

N1—獲得的定位坐標(biāo)個數(shù)；

Xi、Yi、Zi—獲得的第個定位測試坐標(biāo)；

2）基于均方根誤差（RMS）

均方根誤差為觀測值與其真值（或其他外部觀測）偏差的平方和均值的平方根，通常用來反映定位測試結(jié)果的正確度，統(tǒng)計公式如式（2）：

式中：

mr—定位精度，單位為m；

N2—獲得的定位坐標(biāo)個數(shù)；

Xi、Yi、Zi—獲得的第個定位測試坐標(biāo)；

Xi0、Yi0、Zi0—對應(yīng)測試坐標(biāo)的第個參考真值定位坐標(biāo)。

1.2 評估指標(biāo)

定位精度按使用場景主要分為靜態(tài)定位精度（單點定位精度）、動態(tài)定位精度、RTK（實時動態(tài)）測量精度，依據(jù)不同的測試對象，側(cè)重點也不同，如表1所示。

表1 北斗RNSS接收機定位精度評估指標(biāo)

1）靜態(tài)定位精度

靜態(tài)定位精度也叫單點定位精度，一般使用真實衛(wèi)星信號進行測試，有標(biāo)準(zhǔn)[3]也允許使用模擬信號進行測試。測試時將被測設(shè)備的天線按使用狀態(tài)固定在一個位置已知的標(biāo)準(zhǔn)點上，待設(shè)備能夠正常定位后，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試時間或有效數(shù)據(jù)個數(shù)進行采集，記錄顯示或者輸出的坐標(biāo)，最后將獲取的定位數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)點坐標(biāo)進行比較，通常只統(tǒng)計PDOP≤6的數(shù)據(jù)。

一般靜態(tài)定位精度是基于均方根誤差（RMS）進行統(tǒng)計，而中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室批準(zhǔn)發(fā)布的北斗系列專項標(biāo)準(zhǔn)則是基于均方根和標(biāo)準(zhǔn)差相結(jié)合的方式求得定位精度的偏差和精密度（置信概率為95 %），進而得到靜態(tài)定位精度，如標(biāo)準(zhǔn)[4]附錄B。值得注意的是，該方法處理過程需要假設(shè)各軸向隨機誤差接近正態(tài)分布、且誤差橢圓軸比約為1。

2）動態(tài)定位精度

動態(tài)定位精度可使用GNSS模擬器仿真技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載體運動軌跡進行測試，也可根據(jù)實際的衛(wèi)星導(dǎo)航場景信號測試動態(tài)定位精度。模擬器產(chǎn)生的信號必須具有與衛(wèi)星信號相同的特性，并在正常動態(tài)星座下產(chǎn)生幾何位置良好（HDOP≤4 或PDOP≤6）的衛(wèi)星信號。模擬器模擬的軌跡一般包括直線運動和相對直線的偏移運動，具體根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范來，如果要測速度精度，還應(yīng)當(dāng)在規(guī)定最大速度和最大加速度值的場景上模擬測試。若使用實際導(dǎo)航衛(wèi)星信號進行測試，則要有一個組合慣導(dǎo)接收機或者RTK接收機輸出標(biāo)準(zhǔn)比對數(shù)據(jù)，且參考接收機和被測接收機同時采集相同或者兩天線相位中心相距不超過0.2 m的衛(wèi)星信號。

由于采用實際衛(wèi)信號進行測試的可重復(fù)性差，因此在產(chǎn)品檢測時間長或者批次較多的比對或鑒定試驗時，通常采用模擬信號進行試驗。如果接收機注重實際環(huán)境下的使用效果，則可選擇組合慣導(dǎo)接收機作為參考接收機，并選定相應(yīng)的室外場景進行實際路面測試，測試場景可以選擇城市峽谷、隧道、立交橋、十字路口等。一般動態(tài)定位精度是基于均方根誤差（RMS）進行統(tǒng)計，但也可在測試時間足夠長、能夠獲得大樣本量定位數(shù)據(jù)（例如：以1 Hz 更新率采集24 h的定位數(shù)據(jù)）的情況下，用排序方法處理。

3）RTK測量精度

RTK測量精度[5,6]為測量型接收機在RTK工作模式下的定位精度指標(biāo)，一般使用真實衛(wèi)星信號進行測試。測試中通常首先按產(chǎn)品檢定規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置接收機參數(shù)配置，并將流動站接收機放在已知坐標(biāo)的點位上進行觀測，輸入正確的天線高，并按照要求的次數(shù)進行多組觀測，每組測量須重新開機進行初始化且采集數(shù)目應(yīng)當(dāng)滿足技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)要求，或在多個已知坐標(biāo)的點上進行多組采集，然后進行RTK測量精度的統(tǒng)計。對于規(guī)程[7]，測量型接收機的RTK測量精度指標(biāo)需要轉(zhuǎn)換為基線長度進行統(tǒng)計。

RTK測量精度的統(tǒng)計分為外符合精度和內(nèi)符合精度，這兩者分別是基于均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差進行統(tǒng)計得到結(jié)果。由于內(nèi)符合精度的測試并不需要已知坐標(biāo)點也可以求解，因此上述的測試方法主要設(shè)定為針對外符合精度進行測試。RTK測量精度的統(tǒng)計結(jié)果應(yīng)滿足檢定規(guī)程的標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)差或者測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求值。

式中：

σ—接收機標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)差，單位為毫米（mm）；

a—固定誤差，單位為毫米（mm）；

b—比例誤差，單位為毫米每千米（mm/km）；

D—基線長度，單位為千米（km）。

通常情況下，產(chǎn)品要求RTK測量精度的外符合精度和內(nèi)符合精度均滿足相同要求，但實際測試過程中發(fā)現(xiàn)，由于受測試環(huán)境、已知點坐標(biāo)系和接收機輸出坐標(biāo)系不同、接收機本身的固有噪聲等影響，外符合精度實際要比內(nèi)符合精度差。

2 靈敏度及時間特性

2.1 靈敏度

北斗RNSS接收機靈敏度指標(biāo)包括捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、重捕獲靈敏度，其定義描述見表2。

表2中的冷啟動是指設(shè)備在概略位置、概略時間、星歷和歷書未知的狀態(tài)下開機啟動。導(dǎo)航信號短時失鎖指設(shè)備正常定位狀態(tài)下，GNSS衛(wèi)星信號短時中斷30 s后恢復(fù)。根據(jù)北斗專項標(biāo)準(zhǔn)[8]，北斗RNSS接收機定時功能的靈敏度指標(biāo)要求明顯低于定位型和導(dǎo)航型設(shè)備，而測量型接收機則針對不同的頻點提出了各靈敏度項目不同的要求，且總體要求也比定位及導(dǎo)航型設(shè)備低，同時對重捕獲靈敏度指標(biāo)不作要求。

表2 靈敏度指標(biāo)

2.2 時間特性

北斗RNSS接收機的時間特性指標(biāo)包括首次定位（定時）時間和重捕獲時間。重捕獲時間是指北斗RNSS接收機在接收的導(dǎo)航信號短時失鎖后，從信號恢復(fù)到重新捕獲導(dǎo)航信號所需的時間。通常情況下，時間特性指標(biāo)需要模擬源信號才能實現(xiàn)測試。表3為首次定位（定時）時間指標(biāo)各個項目的具體闡述。一般來說定位、導(dǎo)航、定時類設(shè)備無溫啟動時間要求，測量型接收機無重捕獲時間要求，且定位、導(dǎo)航設(shè)備的冷啟動和熱啟動指標(biāo)要求高于測量型接收機。

表3 首次定位(定時)時間指標(biāo)

其他時間特性指標(biāo)還包括導(dǎo)航型接收機的路徑計算時間、目標(biāo)檢索時間以及測量型接收機的RTK初始化時間等。RTK初始化是指流動站正常開機啟動后，利用載波相位差分技術(shù)及基于動態(tài)或靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，從搜索到完成初始整周模糊度解算并得到RTK結(jié)果的整個過程。通常指在不大于8 km的基線上或通過模擬器仿真一個靜態(tài)位置，在接收機成功單點定位后，接收基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)，記錄從獲得浮動解到獲得固定解的時間。

3 測試問題

3.1 數(shù)據(jù)接口問題

部分導(dǎo)航型產(chǎn)品在成型的時候，并未留有實時輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的接口，如無導(dǎo)出NMEA0183語句的串口，或無法輸出數(shù)據(jù)格式符合標(biāo)準(zhǔn)[9]要求的定位數(shù)據(jù)等。這種產(chǎn)品在測試時，無法與檢測機構(gòu)的測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換或不能實時提供有效的定位數(shù)據(jù)給到測試人員。測試系統(tǒng)在無法有效獲取足夠原始導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的情況下，基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法是很難對產(chǎn)品的定位精度、靈敏度、時間特性等指標(biāo)進行量化考核的。因此，對于這種產(chǎn)品的測試，企業(yè)技術(shù)人員和檢測機構(gòu)人員需要提前溝通確認好測試系統(tǒng)需要的配件及數(shù)據(jù)接口，并按實際需求配合產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的正常測試。同時，也建議制造商設(shè)計北斗RNSS接收機產(chǎn)品時，應(yīng)當(dāng)考慮后續(xù)常規(guī)導(dǎo)航指標(biāo)的測試需求，并留有相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出接口，保障產(chǎn)品具備可測試性，促進產(chǎn)品性能的提升。

3.2 交互指令問題

不同企業(yè)生產(chǎn)的北斗RNSS接收機輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的激活指令不同，會導(dǎo)致測試過程中北斗RNSS接收機每次重新上電后，都需要重新發(fā)送企業(yè)特有的激活指令以使接收機輸出數(shù)據(jù)。部分接收機在測試完一個指標(biāo)后（如定位精度），產(chǎn)品仍然可能處于正常定位的狀態(tài)，如果測試系統(tǒng)繼續(xù)測試下一個指標(biāo)（如捕獲靈敏度），此時信號模擬源會重啟測試場景，需要配置測試系統(tǒng)重新發(fā)送企業(yè)特有的指令去激活接收機輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。出現(xiàn)這種情況，則需要反復(fù)匹配測試過程，有效把控好激活指令的輸入操作和測試系統(tǒng)其他運行步驟之間的時間順序，才能實現(xiàn)各個指標(biāo)的測試。因此，為避免反復(fù)的調(diào)試以及浪費測試資源和測試時間，建議北斗RNSS接收機生產(chǎn)企業(yè)采用的芯片應(yīng)當(dāng)能夠在上電后或者配置一次激活指令后即可保持輸出格式符合要求的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。

3.3 定位問題

在測試過程中如果仿真場景的時間回退，將會造成導(dǎo)航接收機定位困難或者定位錯誤。這是因為產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)部邏輯將時間認定為持續(xù)往前推進的，未考慮到在測試過程中，尤其是冷啟動時間等指標(biāo)測試過程中需要切換測試場景（系統(tǒng)時間不同）的導(dǎo)致的定位問題。送檢時，企業(yè)應(yīng)先判定是否存在這種情況，否則應(yīng)及時反饋給檢測機構(gòu)的檢測人員，以便在測試特定項目時對被測設(shè)備進行適時斷電重啟的操作。另外，部分產(chǎn)品在沒有衛(wèi)星信號的情況下，仍然會輸出最近一次定位的坐標(biāo)信息，在測試啟動時間、失鎖、重捕時間、跟蹤靈敏度等指標(biāo)時造成一定的困擾。不同產(chǎn)品處理信號失鎖的方式方法不同，北斗RNSS接收機生產(chǎn)企業(yè)須提前確認是否存在類似情況，避免造成誤判。

3.4 內(nèi)部存儲問題

目前北斗系列專項標(biāo)準(zhǔn)主要是針對能夠即時儲存星歷、歷書、概略時間和概略位置的北斗RNSS接收機，描述的冷啟動、溫啟動或熱啟動時間測試方法都是通過斷電開機實現(xiàn)的，但若產(chǎn)品無內(nèi)部電池（即斷電即失去星歷、歷書等信息），則每次斷電開機測試的都是冷啟動時間指標(biāo)。對于無內(nèi)部電池的北斗RNSS接收機，建議企業(yè)改進產(chǎn)品斷電存儲能力、適配北斗標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)目前動態(tài)的外場場景使用需求，同時配備必須要的冷啟動、溫啟動或熱啟動指令以便核實產(chǎn)品性能。

3.5 其他問題

有些北斗RNSS接收機輸出數(shù)據(jù)的UTC時間與模擬信號源無法對齊，就算反復(fù)調(diào)整測試系統(tǒng)的閏秒數(shù)也無法改善。該問題會導(dǎo)致被測設(shè)備輸出數(shù)據(jù)無法與測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)值進行比對，無法得到定位結(jié)果或者定位誤差非常大。此種情況需要生產(chǎn)企業(yè)仔細分析接收機本身的內(nèi)部定位算法和原理，尤其注意定位時間輸出的準(zhǔn)確性，避免產(chǎn)生定位精度、靈敏度、時間特性等指標(biāo)的誤判。其次，部分本身帶操作系統(tǒng)的北斗RNSS接收機，斷電開機后首先要啟動操作系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)方法測出來的時間特性指標(biāo)會遠遠超出標(biāo)準(zhǔn)的要求，此時則只能通過企業(yè)配備的冷啟動、溫啟動或熱啟動指令激活產(chǎn)品進行評測。另外，通常標(biāo)準(zhǔn)要求的RTK測量精度為水平和垂直指標(biāo)，而部分產(chǎn)品聲稱的固定誤差和比例誤差為三維指標(biāo)，出現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)稱誤差因子和標(biāo)準(zhǔn)評價要求不匹配的情況，從而無法測試評價。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，北斗/GPS兼容型RNSS接收機將會成為主流，導(dǎo)航終端與5G通信系統(tǒng)的深入融合，也將促進北斗RNSS接收機在各行業(yè)以及大眾消費領(lǐng)域的應(yīng)用。未來“+北斗”產(chǎn)品或系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用，將對新型北斗RNSS接收機在精度、可用性、連續(xù)性、完好性、可靠性和安全性上有新的要求，北斗RNSS接收機研發(fā)或生產(chǎn)企業(yè)須注重提升產(chǎn)品本身性能，加強相關(guān)領(lǐng)域的研究，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，以此促進產(chǎn)品的質(zhì)量改進、提升產(chǎn)品的適應(yīng)能力，進而擴大自身品牌的影響力。