基于GNSS信號模擬器的衛星定位設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中心,洛陽 471000)

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基于GNSS信號模擬器的衛星定位設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中心,洛陽 471000)

隨著北斗兼容定位設備的推廣應用,傳統利用檢定場測試方法受氣候環境變化、多路徑、成本高、重復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星定位設備精度的方法。通過研究該方法的可行性,驗證其正確性,為室內GNSS接收設備的動態精度檢定與評估開辟新的途徑。實驗表明:該方法結果可靠,應用方便,可作為檢定衛星定位設備精度測試方法,具有一定的現實指導意義。

GNSS信號模擬器;動態精度;檢定

0　引　言

隨著衛星導航系統的快速發展,衛星導航定位產品的生產與應用進入蓬勃發展期,各類型的衛星定位設備涌入市場,如何對新購置或者維修后的衛星定位設備的性能和精度進行全面評估,為使用中設備定期檢定給出實際性能和精度指標,動態把握設備的實際測量范圍,一直備受衛星導航產品用戶的關注。目前,我國開展檢定的傳統方法就是依據JJF 1118-2004《全球定位系統(GPS)接收機(測地型和導航型)校準規范》[1]和JJG(測繪)2301-2013《全球導航衛星系統(GNSS)測量型接收機RTK檢定規程》以及2015年新發布并實施的中國第二代衛星導航系統重大專項標準 BD 420009-2015《北斗/全球衛星導航系統(GNSS)測量型接收機通用規范》,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星定位設備的系統內部噪聲水平,旋轉天線法測試其天線相位中心的穩定性,依據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衛星定位設備的精度指標是否符合要求[2]。 但是各檢測設備數據格式、后處理軟件均不統一,檢定得出結論受多方因素影響,導致此類方法具有很大的局限性:

1) 檢定方法和實際測量為同一信號源,檢定結果不獨立;

2) 在軌衛星動態變化,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) 信號源播發數據無法復現,檢定結果具有偶然性，不能客觀標定各類衛星定位設備的性能和精度指標;

4) 檢定場容易受多路徑效應影響。

針對上述弊端,全面分析與研究衛星導航設備通性,發現衛星定位設備各型號均可通過命令設置輸出通用格式NMEA0183格式數據的共有特性,在此基礎上開展基于GNSS信號模擬器的室內鑒定方法研究[3],為衛星定位設備動態穩定性、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,測量精度結果更能反應衛星定位模塊的實際定位水平,為衛星定位設備提供了新的動態檢定手段,具有一定的實際指導意義。

1　方法介紹

1.1NMEA 0183協議介紹

隨著導航定位技術的發展,各生產廠家出于行業技術封鎖與商業競爭考慮,各自接收機記錄與輸出數據格式不盡相同,各自有自己的數據處理軟件完成其事后差分處理工作,使得GNSS相關服務受到阻擾,為不同類型的衛星定位設備的性能評估造成了不便。目前,使用最廣泛是NEMA 0183標準格式數據,即“National Marine Electronics Association”國家海洋電子協會定制的NMEA 0183數據格式協議,也是GNSS定位數據標準通信格式,它是一種將二進制定位格式轉化為統一標準定位格式的與衛星類型無關的數據格式,數據流長度一般為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、經度、高度、定位所用的衛星數、DOP值、差分狀態和校正時段等,衛星定位設備可通過USB、COM口等通用數據接口實現與PC機或者PDA數據傳輸,該方式兼容性高、數據傳輸穩定、丟點少等特點而被廣為使用。

1.2基于GNSS信號模擬器的檢定方法設計

高動態GNSS衛星信號模擬器是一種能夠在室內產生高動態情況下接收機接收到的衛星信號標準信號源的電子設備。借助該設備,用戶可以在室內實時模擬飛機、火箭、導彈、衛星等高動態載體在飛行中接收到的GNSS衛星信號,是研制和開發各種軍用接收機的關鍵設備;同時對北斗導航系統驗證具有重要意義[4]。

經驗表明在實驗室經過充分測試考驗的衛星導航產品,再投入批量生產進行工業應用,才能在工程應用中發揮其最大效能,然而,衛星導航相關的科研、應用等過程僅依靠全球導航衛星系統(GNSS)接收機(以下簡稱“接收機”)來接收導航衛星信號的方式展開,該方式會受到如可視衛星數、天氣、電磁環境等諸多不可控因素影響,導致科研、驗證工作的進度和效率受阻,無法得到多樣化的導航衛星狀態場景來滿足研發需求。隨著全球衛星導航系統技術迅速發展和廣泛應用,促使衛星信號模擬器研發技術備受關注,自2014年11月,JJF 1471-2014《全球導航衛星系統(GNSS)信號模擬器校準規范》出版發行后,彌補了國內無模擬器校準規范的空白,為衛星導航產品的標尺制訂了統一規范,為國內模擬器的校準提供了科學、合理的規范和參考標準,為進行更加科學、準確、合理的校準發揮了積極的推動作用。

GNSS信號模擬器(以下簡稱“模擬器”)是GNSS系統信號發生器,它能夠根據運動載體的動態特性等各種因素對衛星信號的影響,模擬仿真全球導航衛星系統信號,精確模擬產生衛星導航設備能夠收到的GNSS衛星信號,可產生高動態包括GPS、GALILEO、GLONASS、BDS等混合星座導航信號,來檢驗接收機的捕獲性能和動態精度,被廣泛應用于GNSS接收設備的研發、生產和計量等各個環節,對衛星導航接收設備的捕獲、跟蹤和測量準確度進行測量鑒定,是目前高動態精度測量的首選計量器具[5-6]。

據此原理,合理設計靜態、動態場景,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星導航設備的定位結果,同時分析天線對定位結果的影響,以衛星信號模擬器的定位結果為真值,統計其水平定位誤差項、高程定位誤差項以及空間誤差項,得出各項指標的的最大值、最小值以及平均值,標準差及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系下的誤差及速度進行統計計算。具體數據處理比對方法如下:

1) 計算空間直角坐標系下各分量定位偏差ΔXi、ΔYi和ΔZi:

(1)

式中:ΔXi為i時刻空間直角坐標系下X方向定位偏差,單位為m;ΔYi為i時刻空間直角坐標系下Y方向定位偏差,單位為m;ΔZi為i時刻空間直角坐標系下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系下位置坐標,單位為m; (Xie0,Yi0,Zi0)為i時刻空間直角坐標系下模擬器真值位置坐標值,單位為m;

(2)

其中,N為總共測試時間段內的定位結果個數。

3)計算該時段內定位的水平定位誤差ΔP(水平)、高程定位誤差ΔH(高程),標準差δ和2倍的西格瑪為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2　算例數據分析

為了驗證該方法的正確性,選用華力創通7500GNSS信號模擬器,選某型號的衛星導航設備——衛星定位模塊為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星信號模擬器連接,靜態固定點測試,場景時長為2.0 h,動態測試是場景時長為2.0 h,動態速度在0～150 km/h,通過測試得到該型號衛星定位裝置的水平定位誤差、高程定位誤差等測試項結果如表1、表2和圖2、圖3所示。

表1　靜態定位結果統計

表2　動態定位結果統計

圖2　靜態定位誤差

圖3　動態定位誤差

根據衛星信號模擬器測試數據評估TD3020C雙模衛星定位模塊的實際測量精度為:水平靜態單點定位精度在測試時段內可達3 m以內,動態單點定位精度達到5 m以內,高程上達到10 m以內,靜態單點定位精度明顯優于動態單點定位精度,可滿足交通導航用戶的使用要求。

3　結束語

經測試數據分析驗證表明:基于GNSS信號模擬器的衛星定位檢定方法可靠,易行,能有效反映衛星定位設備的實際測量精度,隨著衛星信號模擬器檢校溯源問題和一系列相關標準的出臺,該方法將成為未來接收機校準的標準測試手段。隨著北斗系統的健全與完善,該方法還可應用于多模多頻點衛星定位設備的事后載波差分精度評估,為動態載波相位差分定位精度分析提供了新手段,隨著北斗導航系統的完善,雙頻測量型兼容定位設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。

[1] 陳兵,申俊飛,何海波,等.北斗衛星導航系統定位精度分析評估[J]. 導航定位學報,2015,(1): 35-38.

[2] 陳波,孫付平,韓雪峰,等.北斗衛星導航系統定位精度分析[J].海洋測繪,2013,33(5): 34-37.

[3] 賈超廣,肖海霞.基于衛星信號模擬器的北斗接收機性能測試與分析[J].導航定位學報,2013,35(4):6-9.

[4] 孫友禮.北斗衛星信號模擬器及其閉環測試系統的設計與實現[D].桂林:桂林電子科技大學,2014.

[5] 寇艷紅,常青,張其善.高動態GPS模擬器閉環測試系統結構與軟件設計[J].北京航空航天大學學報,2004,30(6):534-538.

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[7] 李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理[M].湖南:武漢大學出版社,2008.

[8] 崔猛,陳新毅,尹勇.差分GPS模擬器中模擬船位的誤差模型[J].航海教育研究,2007(增刊):59-61.

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,現主要從事GPS數據處理工作。

張聚銘(1985-),男,河南南樂人,工程師,主要從事衛星導航定位研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.006

聯系人： 姚飛娟 E-mail: yfj311@163.com