車載導(dǎo)航定位技術(shù)與測試方法

張欽娟　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師王　博　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師王　娜　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師楊　蒙　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師趙潤晶　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師陳曉晨　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師安旭東　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

車載導(dǎo)航定位技術(shù)與測試方法

張欽娟中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
王博中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
王娜中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
楊蒙中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
趙潤晶中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師
陳曉晨中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師
安旭東中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

導(dǎo)航定位功能是車載終端最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的功能之一。本文主要介紹了車載終端導(dǎo)航定位的應(yīng)用現(xiàn)狀及國內(nèi)外標準化進展情況，并對車載終端導(dǎo)航定位性能測試的指標、測試系統(tǒng)及測試方法進行了研究；最后對未來車載導(dǎo)航定位技術(shù)、車載導(dǎo)航定位測試方法及標準化發(fā)展進行了展望。

車載終端；導(dǎo)航定位；測試方法

1　引言

近年來，智能交通、無人駕駛、車輛緊急定位報警等業(yè)務(wù)需求越來越迫切，車載導(dǎo)航定位功能是實現(xiàn)上述業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。車輛的導(dǎo)航定位通過前裝或后裝車載終端來完成，其性能指標直接影響相關(guān)業(yè)務(wù)的用戶體驗，因此對車載終端的導(dǎo)航定位性能進行測試評估是非常必要的。

2　車載導(dǎo)航定位概述

目前，市面上的車載終端以Telematics產(chǎn)品為主。Telematics是由Telecommunication（電信學(xué)）與Information（信息學(xué)）組成的復(fù)合詞，其含意是指：利用車用通信與信息服務(wù)，讓汽車駕乘者可以在車內(nèi)利用無線通信技術(shù)隨時隨地與外在環(huán)境資源做雙向的信息傳輸與傳遞服務(wù)，提供使用者適時化、位置化、個人化的應(yīng)用服務(wù)。Telematics車載終端可以實現(xiàn)通信服務(wù)類功能、導(dǎo)航定位類功能、咨詢娛樂類功能、遠程監(jiān)控功能、車況數(shù)據(jù)上報等功能。其中，導(dǎo)航定位功能是最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的功能之一，主要是利用GNSS、A-GNSS、基站定位等定位技術(shù)，可以為駕乘人員提供位置信息查詢、位置導(dǎo)航、實時路況和在線更新地圖等基于位置的服務(wù)。

車輛中的導(dǎo)航定位功能可以通過前裝系統(tǒng)來實現(xiàn)，例如通用的OnStar系統(tǒng)，也可以通過后裝終端來實現(xiàn)。車載終端一般可以提供位置搜索功能，查找指定的目的地的位置或者基于某一位置查找周邊一定范圍內(nèi)符合搜索條件的地址信息；可以提供路線計算與引導(dǎo)功能，依據(jù)一定的路由策略（如最短的路徑、實時道路交通情況等），為駕乘人員規(guī)劃從起點到終點的行車路線，并且可以提供實時交通路況信息等。

上述功能都是常規(guī)的導(dǎo)航定位應(yīng)用場景，在特殊場景下，比如發(fā)生緊急狀況時，一些車載終端還能提供定位報警服務(wù)，即在報警的同時，上報車輛準確的位置信息。在事故發(fā)生時，將位置信息自動發(fā)送出去將大大提高緊急救援的時效性，根據(jù)歐盟的估計，緊急情況下定位報警可以減少約60%的救援時間。這個過程中，定位報警提供位置信息的速度和位置準確性非常關(guān)鍵。可以認為，導(dǎo)航定位功能是車載終端最基礎(chǔ)的功能，基于該功能可以為駕乘人員提供各種基于位置的應(yīng)用服務(wù)。緊急情況下定位報警可以算作基于位置的服務(wù)之一，而要實現(xiàn)該服務(wù)，需要終端、通信網(wǎng)絡(luò)、接警中心等各方面的配合。

俄羅斯的ERA-GLONASS系統(tǒng)和歐洲的eCall系統(tǒng)是目前較成熟的車輛緊急情況下的定位報警系統(tǒng)。根據(jù)俄羅斯相關(guān)技術(shù)法規(guī)，從2015年1月開始，想要獲得關(guān)稅同盟首次批準的進口全新車型必須配裝車載ERA-GLONASS終端；從2017年開始，關(guān)稅同盟國所有上路的新車必須配裝該設(shè)備。歐盟目前的規(guī)定是，從2018年4月起，歐洲所有轎車及輕型貨車必須配備緊急自動呼叫裝置eCall。

我國于2014年1月3日成立了公眾緊急報警傳送及定位技術(shù)推進組，中國信息通信研究院（原工業(yè)和信息化部電信研究院）為組長單位，聯(lián)合公安部第一研究所、三大運營商、終端廠商等共同制定適用于我國國情的緊急情況下的定位報警技術(shù)標準、測試標準，并計劃搭建演示系統(tǒng)，逐步向現(xiàn)網(wǎng)中推廣應(yīng)用。

3　標準化情況

3.1國際標準

衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的國際標準主要分為衛(wèi)星導(dǎo)航信號格式標準、接收設(shè)備數(shù)據(jù)格式標準、接收設(shè)備性能要求及測試方法標準。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號格式標準主要為接口控制文件（ICD文件），由各國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)制定國公布，規(guī)定信號載波頻率、數(shù)據(jù)碼型、星歷、歷書等參數(shù)。目前，中國的北斗、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo系統(tǒng)均已公布接口控制文件。

國際上廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備數(shù)據(jù)格式標準包括海洋電子設(shè)備接口標準NMEA0183、航海無線電技術(shù)委員會標準RTCM-SC104、航空無線電技術(shù)委員會的RTCA-SC159標準、國際大地測量協(xié)會的RINEX3.0標準等。

國際上接收設(shè)備性能要求及測試方法標準主要采用國際電工委員會（IEC）的IEC61108系列標準。在信息通信領(lǐng)域，采用通信網(wǎng)絡(luò)輔助的衛(wèi)星導(dǎo)航方式提高導(dǎo)航定位性能，射頻性能一致性和協(xié)議一致性標準主要包括3GPPTS36.305、TS36.171、TS36.355、3GPPTS 37.571等。空間射頻性能標準由國際標準組織CTIA負責(zé)制定，其中AGPSOTA標準在ERP工作組完成，A-GLONASS OTA標準在A-GNSS工作組完成，A-BDSOTA標準在該標準中暫未涉及，標準版本還在不斷更新中，最新版本為《ctia_ota_test_plan_ver_3_5》。

針對車載終端導(dǎo)航定位，國際上主要有俄羅斯的ERA-GLONASS系列標準和歐盟E-Call系列標準。俄羅斯聯(lián)邦國家標準：GOST55534《車內(nèi)緊急呼叫系統(tǒng)—導(dǎo)航模塊的試驗方法》、GOSTR54620-2011《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、事故緊急響應(yīng)系統(tǒng)、應(yīng)急勤務(wù)部門車載呼叫系統(tǒng)通用技術(shù)要求》、GOSTR51794《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)—坐標系》等。（原標準為俄文，名稱為翻譯）歐盟標準為：CEN/TS 16454：2012《Intelligent Transport Systems-ESafety-ECallend to end Conformance Testing》。

3.2國內(nèi)標準

國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航標準制定最初以各應(yīng)用領(lǐng)域自制為主，民用標準主要分布在交通運輸、信息通信、民航及空管、測繪勘探、防震減災(zāi)等各個行業(yè)，軍用標準主要是機載和艦載設(shè)備的應(yīng)用標準。

（1）在車載導(dǎo)航定位標準方面

已經(jīng)發(fā)布的標準和規(guī)范主要有：GB/T19392-2013《汽車GPS導(dǎo)航通用規(guī)范》、GB/T19056-2012《汽車行駛記錄儀》、JT/T794-2011《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求》、交通運輸部《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端技術(shù)規(guī)范》、JT/T590-2004《北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）民用車（船）載遇險報警終端設(shè)備技術(shù)要求和使用要求》、JT/T808-2011《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)終端通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式》等。

（2）在信息通信行業(yè)

主要由中國通信標準化協(xié)會統(tǒng)一管理標準的制修訂工作，其中與車載終端導(dǎo)航定位相關(guān)的在研標準和研究課題主要包括：《基于公眾電信網(wǎng)的車載緊急報警系統(tǒng)總體架構(gòu)》、《基于公眾電信網(wǎng)的車載緊急報警系統(tǒng)終端技術(shù)要求和測試方法》、《車載移動通信終端導(dǎo)航定位射頻接收機性能技術(shù)要求和測試方法》、《車載移動通信終端導(dǎo)航定位空間射頻接收機性能技術(shù)要求和測試方法》等。

（3）在交通運輸行業(yè)

交通運輸部信息通信及導(dǎo)航標準化技術(shù)委員會正在制定《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容衛(wèi)星定位模塊技術(shù)要求》、《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容衛(wèi)星定位模塊通訊協(xié)議》等標準。

2010年2月4日，為促進我國車載信息服務(wù)和車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和服務(wù)應(yīng)用，由中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會發(fā)起成立了車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟（Telematics Industry Application Alliance，TIAA），全國數(shù)十家產(chǎn)學(xué)研用骨干單位參與了該聯(lián)盟。目前，在TIAA第六工作組，正在制定聯(lián)盟標準《緊急救援系統(tǒng)車載子系統(tǒng)技術(shù)要求》。

車載終端的導(dǎo)航定位標準涉及信息通信行業(yè)、交通運輸行業(yè)等不同行業(yè)，在標準的制定過程中，如何進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)是很大的問題。公眾緊急報警傳送及定位技術(shù)推進組、TIAA聯(lián)盟等組織的成立都是為了組織協(xié)調(diào)不同的部門和單位，共同推動相關(guān)標準化的進展。這也是未來標準制定方式的一個發(fā)展趨勢。

4　導(dǎo)航定位性能測試項目

不光車載終端，用戶在使用任何帶導(dǎo)航定位的終端時都會對其性能有一定的要求，如開機后多久能夠獲得定位結(jié)果？定位精度有多高？定位之后如果中斷（如進入底下通道或隧道），出去多久之后可以再次重新定位？根據(jù)用戶的這些性能要求，有不同的性能指標去衡量。主要測試指標包括首次定位時間、定位測速精度、失鎖重捕時間、跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度。

（1）首次定位時間（TTFF）

用于衡量接收機信號搜索過程的快慢程度，接收機的首次定位時間取決于初始狀態(tài)，根據(jù)用戶開機前的初始化條件，可分為冷啟動首次定位時間、溫啟動首次定位時間和熱啟動首次定位時間，對于車載終端，一般測試冷、熱啟動的首次定位時間。3種初始化條件分別為：

●冷啟動：接收終端開機時，沒有當(dāng)前有效的歷書、星歷和本機概略位置信息。

●溫啟動：接收終端開機時，沒有當(dāng)前有效的星歷信息，但是有當(dāng)前有效的歷書和本機概略位置信息。

●熱啟動：接收終端開機時，有當(dāng)前有效的歷書、星歷和本機概略位置等信息。

（2）定位精度

是指接收終端在特定星座和星歷條件下，接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行定位解算得到的位置與真實位置的接近程度，一般以水平定位精度和高程定位精度方式表示。測速精度是指接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行速度解算得到的速度與真實速度的接近程度。

所有的精度都是根據(jù)實際的測試數(shù)據(jù)使用某種統(tǒng)計學(xué)的方法出來的，根據(jù)選擇的統(tǒng)計方法不同，計算的結(jié)果也會有很大的差異。常用的統(tǒng)計方法有均方根值（RMS）法和R95法。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的水平定位精度均方根值為1.2m是指“使用測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，測量位置與真實位置之間水平誤差的標準差為1.2m，也就意味著有約65%測量值與真實的誤差在1.2m以內(nèi)”。R95法意味這有約95%測量值與真實的誤差在1.2m以內(nèi)，R95法得到的精度值約為RMS法得到的精度值的1.7倍。因此，在了解精度量化數(shù)值的同時，必須要了解它是用何種統(tǒng)計方法描述的。

（3）失鎖重捕時間

是指接收終端在丟失所接收信號狀態(tài)下，從重新接收到信號開始，至終端設(shè)備輸出符合定位精度要求的定位結(jié)果所需的時間。失鎖重捕時間反映了在接收機信號失鎖，定位中斷后重新恢復(fù)定位的速度。失鎖重捕時間短的接收機在易中斷環(huán)境中（如隧道等）的定位性能好，因此失鎖重捕時間可以有效評估車載終端的性能。

（4）跟蹤靈敏度

是指被測設(shè)備在捕獲信號后，能夠保持穩(wěn)定輸出并符合定位精度要求的最小信號功率。評估的是接收機在已經(jīng)定位的狀態(tài)下，維持定位精度要求所需的最低接收功率。跟蹤靈敏度是評估車載終端性能的關(guān)鍵指標之一。

（5）捕獲靈敏度

是指接收機在失鎖狀態(tài)下，在規(guī)定時間內(nèi)輸出滿足定位指標要求的最低接收信號功率。捕獲靈敏度高的接收機有更強的捕獲弱信號的能力，因此也是評估車載終端性能的重要指標之一。

用戶提出性能指標主要是從體驗的角度出發(fā)的，因此對不同的應(yīng)用場景，用戶最關(guān)注的指標不同。在常規(guī)駕駛車輛場景下，定位精度和捕獲靈敏度對用戶體驗影響最大，而在緊急情況下觸發(fā)定位報警時最關(guān)鍵的指標則是定位精度和跟蹤靈敏度。所以，對于終端的導(dǎo)航定位性能測試，很多時候是針對終端使用場景定制測試項目。

從衛(wèi)星信號的產(chǎn)生方式來劃分，導(dǎo)航定位性能測試方法可以分為以下3類：

●實驗室測試，用衛(wèi)星信號源模擬真實的衛(wèi)星信號，這種測試方式場景可重現(xiàn)，應(yīng)用較廣泛。

●實場測試，即利用天上真實的衛(wèi)星信號進行測試，這種測試方式更貼近用戶的真實體驗，對車載終端的性能評估也很關(guān)鍵，但由于衛(wèi)星信號受天氣等各種因素影響，場景不可重現(xiàn)，且時間、經(jīng)濟成本較高，具有一定的局限性。

●虛擬路測，通過衛(wèi)星信號采集回放儀將衛(wèi)星信號錄制下來，在實驗室中回放信號進行測試，這種方法兼具實驗室測試和實場測試的優(yōu)點；在這種方式中，如何保障衛(wèi)星信號采集的完整性和回放的準確性是最大的挑戰(zhàn)。

以上3種方式各有優(yōu)劣，總體來說，虛擬路測是未來的發(fā)展趨勢，帶信道模擬的導(dǎo)航定位虛擬路測也已經(jīng)開始研究。

從測試評估方式來劃分，導(dǎo)航定位性能測試方法可以分為以下3類：

●一定場景下的性能一致性測試，例如3GPP的A-GNSS測試都屬于此類，測試終端在一定場景下（如在理想信號、多徑環(huán)境、移動場景下等）能否滿足要求，該測試只能得到終端通過還是不通過的結(jié)果，不能直接通過測試結(jié)果來評估終端之間的差異。

●極限值測試，CTIA的空間射頻接收機性能測試、國內(nèi)檢測機構(gòu)（如定位總站）GNSS定位性能測試等都屬于此類。這種方式會獲得一個準確的數(shù)值，如定位精度是幾米、捕獲靈敏度是多少dBm等，這種方式的優(yōu)勢是能很直觀地得到終端的性能，比較不同終端的性能差異；缺點是多次測試結(jié)果的一致性相對于第一類方法略差。

●余量測試，介于以上兩者之間的一種測試方式，基于3GPP定義的場景。首先測試該場景下是否通過，不斷降低功率直到測試不通過，看最低能通過的功率與3GPP標準功率之間差異為多少，稱之為“余量”。余量測試也可以反映用戶在使用不同終端時的體驗差異，目前通常用于廠家的定制化測試中。

射頻性能測試是車載終端導(dǎo)航定位性能測試的一個基礎(chǔ)部分。本文將以極限值測試方式為例，說明車載終端的GNSS射頻性能測試方法。

5　車載導(dǎo)航定位射頻性能測試方法

5.1導(dǎo)航定位射頻性能通用方法

用衛(wèi)星信號源模擬衛(wèi)星信號的車載導(dǎo)航定位性能測試系統(tǒng)如圖1所示。多系統(tǒng)導(dǎo)航信號源用于模擬衛(wèi)星信號，被測終端通過射頻線與信號源連接，車載終端通過串口線反饋定位結(jié)果信息。

車載終端導(dǎo)航定位射頻性能路測系統(tǒng)通過天線接收實際衛(wèi)星信號進行測試，可以完成對天靜態(tài)、對天動態(tài)性能實場測試，基于采集的衛(wèi)星信號和記錄的位置信息，可以進行虛擬路測。路測和虛擬路測系統(tǒng)如圖2所示。

圖1　車載導(dǎo)航定位射頻性能測試系統(tǒng)

圖2　車載導(dǎo)航定位射頻性能路測和虛擬路測系統(tǒng)

不管采用實驗室模擬測試、場測還是虛擬路測方式，車載導(dǎo)航定位射頻性能測試項目都主要包括冷、熱啟動下首次定位時間、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、失鎖重捕時間、定位測速精度等。

基本測試方法與普通民用終端導(dǎo)航定位性能測試方法類似。另外，針對車載終端的應(yīng)用場景，為了評估用戶在使用時的體驗性能，終端廠家一般還會增加一些車載特殊場景下定制化的定位測速精度。例如，起步場景（可以設(shè)置為靜止120s，20s內(nèi)勻加速到 120km/h，然后保持勻速直線前進）、高速行駛場景（可以設(shè)置為保持速度為120km/h勻速直線運動）。

5.2緊急情況下車載定位報警系統(tǒng)導(dǎo)航定位測試方法

對于緊急情況下車載定位報警系統(tǒng)導(dǎo)航定位測試，目前的測試系統(tǒng)一般采用圖1的方式，測試項除了通用方法中提到的測試項之外，還有一些特殊測試項。以俄羅斯ERA GLONASS GOST 55534標準為例，還包括檢查定位結(jié)果信息輸出格式是否符合NMEA-0183格式、自主完好性性檢測算法（RAIM）、不同坐標系轉(zhuǎn)換的能力（PE-90和WGS-84），以及諧波干擾、脈沖干擾下的抗干擾能力。

檢查定位結(jié)果信息輸出格式是否符合NMEA-0183格式，該測試項比較容易理解，NMEA-0183格式是目前國際上普遍使用的導(dǎo)航參數(shù)格式，參照NMEA0183標準格式進行比對測試。

自主完整性檢測算法（RAIM）是測試終端接收到故障衛(wèi)星信號時，能否辨別出故障狀態(tài)，并利用非故障衛(wèi)星信號進行定位。

諧波干擾下的抗干擾測試是測試終端在諧波干擾下的定位性能是否滿足一定要求。脈沖干擾下的抗干擾測試是測試終端在規(guī)定參數(shù)的脈沖信號干擾下，能否繼續(xù)成功跟蹤衛(wèi)星信號。

總之，車載終端是導(dǎo)航定位終端的一個類別，其導(dǎo)航定位射頻性能測試方法與普通終端有共同之處，也有針對其應(yīng)用環(huán)境的特殊之處。其他類別的定位終端導(dǎo)航定位測試也是同理，根據(jù)其應(yīng)使用環(huán)境定制合適的測試場景是有效評估其性能的關(guān)鍵。

6　結(jié)束語

本文主要介紹了車載終端的導(dǎo)航定位標準以及導(dǎo)航定位射頻性能測試系統(tǒng)和測試項目。目前，車載終端的空間射頻性能（OTA性能）正在研究之中，OTA測試比傳導(dǎo)測試更能反映真實的用戶體驗，是未來車載終端導(dǎo)航定位測試的發(fā)展趨勢。另外，由于車載終端定位時處于多種無線信號的干擾之下，多模組同時工作時終端導(dǎo)航定位抗干擾能力測試也越來越受關(guān)注。

［1］張欽娟，李夢，王娜，任林林，陳明浩，陳曉晨.北斗二號民用設(shè)備測試方法研究［J］.現(xiàn)代電信科技，2014，07:18～22.

［2］3GPPTS 37.571-1V12.3.0（2015-06）3rd Generation Partnership Project Technical Specification Group Radio Access Network Universal Terrestrial Radio Access（UTRA）and Evolved UTRA（E-UTRA）and Evolved Packet Core（EPC）User Equipment（UE）Conformance Specification for UE Positioning Part 1: Conformance Test Specification

［3］GOST55534.車內(nèi)緊急呼叫系統(tǒng)—導(dǎo)航模塊的試驗方法

Introduction of navigation positioning technology and test methods on vehicle

ZHANG Qinjuan，WANG Bo，WANG Na，YANG Meng，ZHAO Runjing，CHEN Xiaocheng，AN Xudong

Navigation and positioning function is one of the most basic and widely used functions of in-vehicle terminals. This paper mainly introduces the application status of navigation and positioning technologies and the development of domestic and international standardization for in-vehicle terminals. Meanwhile， it introduces the evaluation index， test system and test method for In-vehicle terminal navigation and positioning tests. Finally， it prospects the future technology development ， test methods and standardization of in-vehicle terminal navigation and positioning.

in-vehicle terminals；navigation and positioning；test methods

2016-05-10）