GNSS高動態(tài)導(dǎo)航終端檢定系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

丁宇凱,代桃高,劉麗麗,陳娉娉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;2.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室,河南 洛陽 471000;3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引言

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)是一種可以在地球附近位置為人們提供空間坐標、運動軌跡等方面信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。四大全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(BDS(中國)、GPS(美國)、GLONASS(俄羅斯)、伽利略(歐洲))的建立以及逐步完善,導(dǎo)航系統(tǒng)將會大大提升導(dǎo)航信息的可靠性、精確性以及實用性[1]。導(dǎo)航系統(tǒng)的終端設(shè)備GNSS接收機也在各個領(lǐng)域迅速發(fā)展,設(shè)備的測試檢定也成為必不可少的環(huán)節(jié)。長期以來,位置精度一直沿用早期光學(xué)測量設(shè)備比對精度作為GNSS精度檢定系統(tǒng)的定位指標,其動態(tài)定位精度已達厘米級[2],自此光學(xué)跟蹤測量校準系統(tǒng)無法滿足高精度GNSS動態(tài)檢定需求。20世紀90年代起,為適應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展,滿足導(dǎo)航定位設(shè)備精度檢測需求,國內(nèi)多家導(dǎo)航接收機檢定機構(gòu)建立了GNSS檢定場,但其只側(cè)重GNSS接收機的硬件性能和靜態(tài)定位精度進行檢定[3],而不具備對GNSS接收機性能的全面檢定測試。

隨著我國北斗二號、北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)的建立和投入使用,多家研究機構(gòu)和檢定機構(gòu)依據(jù)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)要求建設(shè)了GNSS導(dǎo)航終端測試系統(tǒng),具備GNSS導(dǎo)航終端綜合性能測試及鑒定能力。而目前國內(nèi)建設(shè)的GNSS測試檢定系統(tǒng)只有室內(nèi)模擬測試和室外實星測試[4],其中室內(nèi)測試主要在暗室環(huán)境下或有線環(huán)境下[5],模擬導(dǎo)航衛(wèi)星信號對GNSS接收機進行測試;而室外測試主要分為定點測試和動態(tài)跑車測試,定點測試無法對GNSS接收機的動態(tài)性能進行測試,而動態(tài)跑車測試只可測試其動態(tài)能力,無法測試其動態(tài)精度。因此,亟需一種高動態(tài)檢定系統(tǒng)對高動態(tài)、高精度接收機進行性能檢定,本文通過構(gòu)建基于高動態(tài)測試轉(zhuǎn)臺的GNSS高動態(tài)檢定系統(tǒng)來實現(xiàn)高動態(tài)、高精度的測試。

1 高動態(tài)檢定原理

室內(nèi)GNSS終端測試系統(tǒng)通過導(dǎo)航信號模擬器模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號,構(gòu)建測試場景,再通過測試評估軟件對模擬器及GNSS終端設(shè)備數(shù)據(jù)進行對比分析得到測試結(jié)果。

根據(jù)室內(nèi)GNSS終端測試系統(tǒng)測試原理,本文提出通過測試轉(zhuǎn)臺構(gòu)建真實動態(tài)場景,利用時頻同步設(shè)備建立時間基準,通過標校建立位置及真北方位基準,最后測試評估軟件完成對導(dǎo)航終端設(shè)備的自動化、高精度、真實動態(tài)條件下的性能測試檢定。測試檢定原理及步驟如下。

測試轉(zhuǎn)臺安裝完成后進行精準定位,測試中通過轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動方向角α及微傾角β,可得轉(zhuǎn)臺旋臂與大地水平方向的夾角為:

θ=arcsin(cosβ×sinα)

(1)

通過轉(zhuǎn)臺中心的站心坐標系將轉(zhuǎn)臺用戶機安裝位置變換為地心地固直角坐標系中:

(2)

式中:Δe,Δn,Δu為站心坐標系中的向量;Δx,Δy,Δz為地心地固直角坐標系中的向量;S為坐標變換矩陣。S可由以下公式表示:

(3)

式中:φ為大地坐標系中站心位置坐標經(jīng)度;λ為大地坐標系中站心位置坐標緯度;h為大地坐標系中站心位置坐標高程。

Δe,Δn,Δu可分別由以下公式表示:

Δe=R×cosθ×sinα

(4)

Δn=R×cosθ×cosα

(5)

Δu=R×sinθ

(6)

式中:R為旋臂長度;θ為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動方向角;α為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動方向角。

再通過轉(zhuǎn)換公式將轉(zhuǎn)臺中心位置坐標轉(zhuǎn)換為地心地固直角坐標系:

x=(N+h)cosφcosλ

(7)

y=(N+h)cosφcosλ

(8)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(9)

式中:N為大地水平面高度;e為橢球偏心率。

根據(jù)站心位置坐標(x,y,z)及相對位置坐標(Δx,Δy,Δz)得到被測設(shè)備轉(zhuǎn)臺位置坐標(x0,y0,z0)=(x+Δx,y+Δy,z+Δz)。通過實際用戶機上報的大地坐標轉(zhuǎn)換為地心地固直角坐標(x1,y1,z1)。兩位置點坐標做差得到(Δx0,Δy0,Δz0),而后通過坐標轉(zhuǎn)換公式,轉(zhuǎn)換到站心坐標系:

(10)

式中:Δe0,Δn0,Δu0為站心坐標系中的向量;Δx0,Δy0,Δz0為地心地固直角坐標系中的向量。

根據(jù)站心坐標系中的(Δe,Δn,Δu)求得水平誤差和高程誤差,其中,水平誤差為:

(11)

高程誤差為Eh=Δu。最終得到導(dǎo)航終端設(shè)備的測試數(shù)據(jù)完成一次數(shù)據(jù)的測試評估,系統(tǒng)上報的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算得到被測設(shè)備的評估結(jié)果。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)高精度動態(tài)檢定原理,GNSS高動態(tài)導(dǎo)航終端檢定系統(tǒng)設(shè)計由運動模擬系統(tǒng)、控制及驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及電源系統(tǒng)四個部分組成。運動模擬系統(tǒng)主要為高速轉(zhuǎn)臺運動部分,利用轉(zhuǎn)臺模擬用戶高動態(tài)運動狀態(tài);控制及驅(qū)動系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動,通過高精度授時接收機為控制系統(tǒng)提供時標信息,保證測試精度;轉(zhuǎn)臺狀態(tài)顯示及測試評估軟件用于處理被測設(shè)備的定位數(shù)據(jù),并通過對比相同時標系統(tǒng)位置得到測試結(jié)果;電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供動力。系統(tǒng)組成及信息流組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及信息流框圖

2.2 高精度旋轉(zhuǎn)平臺

高精度旋轉(zhuǎn)平臺作為運動模擬系統(tǒng)的主要設(shè)備,完成對高動態(tài)運動的模擬。高動態(tài)接收機主要為機載、車載接收機。針對機載設(shè)備的使用場景,轉(zhuǎn)臺角速度設(shè)計為720°/s可滿足其角速度測試需求;針對車載設(shè)備的使用,在720°/s的角速度下,線速度計算公式:

V=ω×R

(12)

式中:V為線速度;ω為角速度,單位為弧度;R為旋轉(zhuǎn)半徑。

確定旋轉(zhuǎn)半徑后,可得到線速度的測試范圍。在本設(shè)計中,設(shè)計半徑為3 m,可得到線速度時速為135 km/h,可滿足絕大部分車輛的使用場景。

基于上述考慮,高精度旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計采用單軸雙臂對稱臺體結(jié)構(gòu),機械軸承支承,無刷力矩電機直接驅(qū)動。轉(zhuǎn)臺由回旋臂、角度編碼器、無刷力矩電機、光纖導(dǎo)電滑環(huán)、微傾裝置、傾角傳感器、軸承、安裝底座及負載安裝盤組成。

回旋臂采用雙臂對稱結(jié)構(gòu),為保證轉(zhuǎn)臺末端被測設(shè)備線速度場景需求,長度設(shè)計為3 m;角度編碼器為系統(tǒng)提供角度實時角度信息;無刷力矩電機為轉(zhuǎn)臺提供動力,根據(jù)驅(qū)動電流實時調(diào)整轉(zhuǎn)速;光纖導(dǎo)電滑環(huán)提供電源和及射頻信號通路,為被測設(shè)備供電并進行數(shù)據(jù)通信;傾角裝置及傾角傳感器為測試提供傾角狀態(tài)下的動態(tài)場景;底座、軸承、負載安裝盤等結(jié)構(gòu)體為轉(zhuǎn)臺整體提供支撐保障。

2.3 控制及驅(qū)動系統(tǒng)

控制及驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制電路、驅(qū)動器、高精度授時接收機等組成,負責(zé)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換,并向下可對高精度旋轉(zhuǎn)平臺進行控制。

在轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中,控制電路根據(jù)編碼器反饋轉(zhuǎn)臺的實時位置,控制驅(qū)動器輸出電流的大小,以調(diào)整轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定轉(zhuǎn)動,因此對驅(qū)動器輸出電流的控制是轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速控制的關(guān)鍵。在本設(shè)計中,驅(qū)動電路的控制算法中每個軸的閉環(huán)控制模型采用帶前饋控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角速度、角加速度精準的控制。閉環(huán)伺服控制算法如圖2所示。

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圖2 閉環(huán)伺服控制算法框圖

算法中,GP(k)是控制規(guī)劃函數(shù),計算角位置變換最佳運動軌跡。Kf是前饋系數(shù),GC(k)是位置環(huán)控制pid算法函數(shù),GM(k)是控制對象軸系的傳遞函數(shù),d/dt是速度反饋函數(shù),KR是速度反饋系數(shù),θC是控制命令角位置,θP是控制規(guī)劃輸出角位置,θM是軸角位置,θE是控制誤差,uC是PID控制運算結(jié)果的輸出數(shù)據(jù),D是等效干擾信號,βM是速度反饋數(shù)據(jù)。

PID計算公式:

uC(k)=up(k)+ui(k)+ud(k)

(13)

式中:uC為PID控制運算結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)。其中,比例項為:

up(k)=kp·θE(k)

(14)

積分項為:

ui(k)=ui(k-1)+kiθE(k)ui(0)=0

(15)

微分項為:

ud(k)=cdud(k-1)+kd[θE(k)-θE(k-1)]ud(0)=0

(16)

微分修正系數(shù)cd取值范圍:

(17)

誤差θE按照下式計算:

θEM=θP-θM

(18)

θE=θEM+Kf·[θP(k)-θP(k-1)]-KR·βM

(19)

式中:Kf為前饋控制參數(shù),KR為反饋控制參數(shù),βM為速度反饋數(shù)據(jù)。

βM由FPGA在指定的讀地址提供,在位置穩(wěn)定狀態(tài),測量反饋的βM≈0,而控制規(guī)劃輸出的θP恒定不變,速度反饋和速度前饋均為零。而在速率狀態(tài),速度反饋和速度前饋的作用,有利于提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。驅(qū)動器在驅(qū)動電路的控制下,為電機提供驅(qū)動電流,控制電機轉(zhuǎn)動。

高精度授時接收機為檢定系統(tǒng)提供時間基準,是系統(tǒng)檢定的核心設(shè)備。設(shè)備接收BDS衛(wèi)星導(dǎo)航信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,獲得高精度的鐘差信息,并對本地高穩(wěn)頻標進行馴服,從而獲得準確度高、穩(wěn)定度好的時間頻率信號,提供高精度的1PPS、TOD等時間頻率服務(wù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理工作站和轉(zhuǎn)臺狀態(tài)顯示及測試評估軟件組成。

轉(zhuǎn)臺狀態(tài)顯示及測試評估軟件是整個系統(tǒng)的控制中心,對旋轉(zhuǎn)平臺、高精度授時接收機、被測導(dǎo)航終端等設(shè)備進行控制,統(tǒng)一實現(xiàn)自動化測試的協(xié)同運行,實現(xiàn)對用戶裝備的全自動測試與評估分析,并可對各個設(shè)備的工作狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測。

轉(zhuǎn)臺狀態(tài)顯示及測試評估軟件實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)平臺的設(shè)備參數(shù)進行設(shè)置,實時顯示旋轉(zhuǎn)平臺的狀態(tài),并對狀態(tài)參數(shù)進行檢查,和設(shè)定的閾值進行比較,在超出范圍時給出告警并顯示。

該軟件具備測試設(shè)置腳本化編輯功能[6],可對系統(tǒng)參數(shù)配置以文本配置文件的形式及測試模板以XML腳本文件的形式進行存儲,主要包括對系統(tǒng)參數(shù)配置、被測設(shè)備設(shè)置及測試模板編輯。

用戶參數(shù)配置及測試模版編輯完成后,開始進行測試,轉(zhuǎn)臺狀態(tài)顯示及測試評估軟件讀取試驗?zāi)０瀚@取試驗項目信息。根據(jù)項目列表順序進行單項測試。每一單項測試結(jié)束自動測試控制函數(shù)檢查指向測試項目列表指針是否為測試項目列表尾,如果不為測試項目列表尾則讀取下一測試項目控制指令列表ID開始下一項目的單項測試流程。如果指針指向測試項目列表尾則表示自動測試已經(jīng)完成用戶所選所有測試項目測試。自動測試流程完成,自動測試流程控制函數(shù)自動調(diào)用測試評估接口函數(shù)自動進行所測項目的分析評估和報表生成工作。分析評估和報表生成完畢提示用戶自動測試完成,等待用戶的下一步操作。自動測試流如圖3所示。

圖3 試驗流程控制流程圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵指標測試

GNSS高動態(tài)檢定系統(tǒng)的震顫幅度、測角精度、時間同步精度決定了整個系統(tǒng)的測試精度,在系統(tǒng)設(shè)計完成后,對系統(tǒng)的上述指標進行了測試檢定。

3.1 震顫幅度測試

測試時,將震顫檢測裝置安裝在負載安裝盤上,高精度轉(zhuǎn)臺以720°/s的極限角速度轉(zhuǎn)動,震顫檢測裝置采集10 min數(shù)據(jù),測得震顫幅度均方根為0.184 mm,最大0.667 mm。

3.2 測角精度測試

通過使用光電自準直儀和23面金屬棱體進行測試[8],具體測試步驟:首先調(diào)整轉(zhuǎn)臺位置使1面棱體對準光電自準直儀,記錄此時光電自準直儀初始值θ0,然后依次控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)15.652 174°(360°/23),共旋轉(zhuǎn)23次,回到初始位置,記錄每次旋轉(zhuǎn)后的θn(n=1,2…23),|θn-θn-1|為每次測角精度誤差值。測試得到測角精度最大偏差14.6″,均值9.2″。

3.3 時間同步精度測試

使用固定光電傳感器及時間間隔計數(shù)器進行時間精度測試[8],具體測試步驟:將高精度授時接收機輸出兩路,一路至轉(zhuǎn)臺同步授時,一路至?xí)r間間隔計數(shù)器外部參考時標。在0°,90°,180°和270°四個位置依次架設(shè)光電傳感器。設(shè)置轉(zhuǎn)臺以360°/s的角速度旋轉(zhuǎn),存儲光電傳感器信號與參考信號的時間間隔T,并從控制計算機數(shù)據(jù)庫中提取,對應(yīng)角度的時標信息,將時標信息的秒內(nèi)數(shù)據(jù)與T作差,為時間同步誤差,存儲時間為10 min。測試得到4個角度的時間同步誤差分別為44 μs、45 μs、55 μs和63 μs,均值為52 μs。

3.4 綜合位置偏差測試

綜合位置偏差為上述3個精度偏差的矢量和,其中震顫幅度為垂直方向偏差,測角精度和時間同步精度,可反應(yīng)水平方向偏差,水平方向最大偏差為測角精度和時間同步精度引起的位置偏差算術(shù)和。因此,綜合位置偏差均值為2.1 mm。

4 結(jié)束語

根據(jù)檢定測試原理,從機械結(jié)構(gòu)構(gòu)造、控制驅(qū)動設(shè)備、測試控制與處理設(shè)備對GNSS高動態(tài)檢定系統(tǒng)進行了全面的設(shè)計。設(shè)計中創(chuàng)新性地利用高速轉(zhuǎn)臺模擬高動態(tài)運動,利用角度編碼器及高精度授時接收機、高精度的角度及時間測量實現(xiàn)系統(tǒng)自身動態(tài)精度。對系統(tǒng)進行了關(guān)鍵指標的測試,其系統(tǒng)自身的動態(tài)精度在3 mm以內(nèi),由于自身安裝位置可通過長時間的靜態(tài)計量設(shè)備校準至毫米級,該系統(tǒng)滿足高動態(tài)高精度導(dǎo)航終端測試檢定需求。