BDS高精度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王琛琛, 徐學(xué)永, 王清太,周葉, 施金金

(北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 215200)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可為全球用戶(hù)提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)．BDS按照“三步走”計(jì)劃進(jìn)行建設(shè),2018年12月27日,北斗三號(hào)(BDS-3)基本系統(tǒng)已完成建設(shè),開(kāi)始提供全球服務(wù)．目前,BDS全球服務(wù)性能為:定位精度水平10 m(95%)、高程10 m(95%),測(cè)速精度0.2 m/s(95%),授時(shí)精度20 ns(95%),系統(tǒng)服務(wù)可用性?xún)?yōu)于95%．其中,在亞太地區(qū),定位精度水平5 m(95%)、高程5 m(95%)[1-3]．

隨著B(niǎo)DS的建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展,相關(guān)的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、通信時(shí)統(tǒng)等領(lǐng)域,逐步滲透到人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面[4]．作為用戶(hù)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)唯一接口的BDS用戶(hù)設(shè)備形態(tài)多種多樣,呈現(xiàn)多元化、綜合化和更新快等諸多特點(diǎn),而其性能的優(yōu)劣、質(zhì)量的高低、安全可靠與否將直接影響到廣大用戶(hù)和消費(fèi)者的切身利益,影響到行業(yè)安全,甚至影響到我國(guó)BDS產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展,應(yīng)用市場(chǎng)能否形成規(guī)模．因此,在BDS用戶(hù)設(shè)備進(jìn)駐市場(chǎng)前,要進(jìn)行相關(guān)性能的檢測(cè)．

對(duì)于BDS用戶(hù)設(shè)備而言,動(dòng)態(tài)性能是衡量其性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)．目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)做了相關(guān)的研究,主要是如何建立合適的動(dòng)態(tài)檢測(cè)基準(zhǔn),提出了不同的測(cè)試方法、評(píng)價(jià)指標(biāo),并設(shè)計(jì)了不同的檢測(cè)系統(tǒng),如2002年美國(guó)R.K.Talor等[5]利用直線鐵軌坐標(biāo)來(lái)校核接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能;2008年何峰等[6]設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的檢測(cè)系統(tǒng),利用天線相位中心穩(wěn)定的運(yùn)行軌跡推算動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中位置,評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)定位的性能;2014年王博等[7]提出了基于雙天線法的檢測(cè)方法,兩臺(tái)終端同時(shí)完成動(dòng)態(tài)定位后,解算出每個(gè)歷元的幾何距離與地面測(cè)量的精確距離并進(jìn)行比對(duì),以效驗(yàn)檢測(cè)終端的動(dòng)態(tài)定位精度;還有學(xué)者提出利用光學(xué)原理輔助、模擬器仿真等檢測(cè)方法[8-12]．這些方法存在著幾何軌跡標(biāo)定誤差、運(yùn)動(dòng)軌跡單一、時(shí)間系統(tǒng)統(tǒng)一和坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一等問(wèn)題,且均采用測(cè)試數(shù)據(jù)事后處理方式,測(cè)試中異常情況無(wú)法及時(shí)告知,測(cè)試過(guò)程不可控．

基于此,本文設(shè)計(jì)了一種基于車(chē)載的高精度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),稱(chēng)為BDS高精度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)(BDHDS)．該系統(tǒng)通過(guò)高精度基準(zhǔn)設(shè)備和測(cè)試設(shè)備共源的方式解決時(shí)空統(tǒng)一問(wèn)題,利用評(píng)估軟件對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行集中管理并實(shí)時(shí)處理分析測(cè)試數(shù)據(jù)、顯示測(cè)試結(jié)果并自動(dòng)生成結(jié)果報(bào)表,同時(shí)利用監(jiān)控設(shè)備記錄測(cè)試過(guò)程,可實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下用戶(hù)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能的高效測(cè)試．

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 基本組成

BDHDS以依維柯車(chē)輛為載體,對(duì)車(chē)輛后艙改裝后進(jìn)行構(gòu)建,主要包括測(cè)試基準(zhǔn)模塊、測(cè)試用戶(hù)設(shè)備接入模塊、供配電模塊、信號(hào)采集回放模塊、監(jiān)控模塊以及測(cè)試控制與評(píng)估模塊,如圖1所示．

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)組成框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

BDHDS測(cè)試用戶(hù)設(shè)備接入模塊、供配電模塊為BDS用戶(hù)設(shè)備測(cè)試提供了接入條件,測(cè)試基準(zhǔn)模塊提供了測(cè)試比對(duì)基準(zhǔn)．BDS用戶(hù)設(shè)備接入系統(tǒng)后，可將測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到測(cè)試控制與評(píng)估模塊中,測(cè)試控制與評(píng)估模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、解析、評(píng)估并把實(shí)時(shí)結(jié)果顯示出來(lái),同時(shí)信號(hào)采集與回放模塊、監(jiān)控模塊完成測(cè)試期間衛(wèi)星信號(hào)的采集、測(cè)試環(huán)境的錄制以及測(cè)試過(guò)程的監(jiān)控．測(cè)試結(jié)束后,測(cè)試控制與評(píng)估模塊可自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表,最終可控、高效地完成BDS用戶(hù)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能的檢測(cè)．

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試基準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試基準(zhǔn)模塊為BDS用戶(hù)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試提供實(shí)時(shí)基準(zhǔn),主要由GNSS天線、GNSS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)以及線纜組成.GNSS接收機(jī)接入測(cè)試點(diǎn)附近連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)數(shù)據(jù)和IMU進(jìn)行深度耦合,輸出高精度的位置和姿態(tài)基準(zhǔn)信息.測(cè)試時(shí),基準(zhǔn)數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口送到測(cè)試控制與評(píng)估模塊．

測(cè)試基準(zhǔn)模塊采用雙GNSS天線方式,車(chē)輛處于低動(dòng)態(tài)環(huán)境下,雙天線解算得到的姿態(tài)角能夠有效抑制姿態(tài)角的累計(jì)誤差,此外雙天線還能實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)的快速初始化．經(jīng)調(diào)研分析比較,本檢測(cè)系統(tǒng)選用目前國(guó)際上較先進(jìn)的NovAtel 公司SPAN IMU-ISA-100C慣性組合導(dǎo)航設(shè)備作為測(cè)試基準(zhǔn),其中IMU經(jīng)精確標(biāo)校后固定于車(chē)輛內(nèi)部,經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)鑒定,基準(zhǔn)的精度(RMS)為

1) 衛(wèi)星失鎖0 s:水平精度:0.02 m+1 ppm,高程:0.05 m+1 ppm,姿態(tài):橫滾:0.007°,俯仰:0.007°,航向:0.01°;

2) 衛(wèi)星失鎖10 s:水平精度:0.07 m+1 ppm,高程0.10 m+1 ppm,姿態(tài):橫滾:0.008°,俯仰:0.008°,航向:0.012°．

2.2 測(cè)試設(shè)備接入模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備接入模塊為基準(zhǔn)設(shè)備和BDS用戶(hù)設(shè)備提供信號(hào)接入方式,由信號(hào)接收層、信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)層構(gòu)成．信號(hào)接收層主要由主、從GNSS測(cè)量型天線、通信天線(GPRS/CMMB)組成,用于接收BDS(包括BDS-3)、GPS等衛(wèi)星信號(hào)以及通信信號(hào),信號(hào)接收層的設(shè)備固定置于車(chē)頂．信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)層主要由衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器、手機(jī)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)、功分器、測(cè)試微波暗箱及配套線纜組成,用于轉(zhuǎn)發(fā)、分配信號(hào)接收層接收的信號(hào),供基準(zhǔn)設(shè)備和待測(cè)BDS用戶(hù)設(shè)備接入．本檢測(cè)系統(tǒng)的主要信號(hào)流程如圖2所示．

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)的主要信號(hào)流程圖

其中,測(cè)試暗箱為一體式BDS用戶(hù)設(shè)備性能的檢測(cè)提供環(huán)境,開(kāi)放式測(cè)試區(qū)域?yàn)榉煮w式BDS用戶(hù)性能的檢測(cè)提供條件．

2.3 供配電模塊設(shè)計(jì)

供配電模塊主要由數(shù)字電源總成、UPS和蓄電池組成[13],該模塊給測(cè)試基準(zhǔn)設(shè)備、待測(cè)BDS用戶(hù)設(shè)備及檢測(cè)系統(tǒng)中其他電子設(shè)備供電．

2.4 信號(hào)采集回放模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)采集回放模塊采用全頻段導(dǎo)航信號(hào)采集回放儀,連接到測(cè)試設(shè)備接入模塊,可將測(cè)試外場(chǎng)實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采集后,以記錄的形式存儲(chǔ)于設(shè)備內(nèi)部,并能夠進(jìn)行多次回放,為檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)事后分析提供參考．

2.5 監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊由行車(chē)記錄儀、雙側(cè)攝像頭、暗箱攝像頭、內(nèi)部全景攝像頭、硬盤(pán)錄像機(jī)和存儲(chǔ)硬盤(pán)等組成．行車(chē)記錄儀用于監(jiān)控車(chē)前道路情況,雙側(cè)攝像頭用于監(jiān)控道路兩側(cè)的情況,暗箱攝像頭監(jiān)控暗箱內(nèi)一體式BDS用戶(hù)設(shè)備狀態(tài),全景攝像頭監(jiān)控測(cè)試過(guò)程,硬盤(pán)錄像機(jī)和存儲(chǔ)硬盤(pán)完成監(jiān)控視頻的錄像存儲(chǔ)．該模塊主要錄制實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景,為事后數(shù)據(jù)分析所用,同時(shí)保證檢測(cè)過(guò)程透明、可控．

2.6 測(cè)試控制與評(píng)估模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試控制與評(píng)估模塊是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,主要完成基準(zhǔn)設(shè)備及被測(cè)設(shè)備的設(shè)置管理，數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、解析、處理，測(cè)試結(jié)果的顯示，測(cè)試記錄表的生成，測(cè)試過(guò)程中的監(jiān)控顯示以及測(cè)試數(shù)據(jù)事后分析等功能．測(cè)試控制與評(píng)估子系統(tǒng)主要由串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、工控機(jī)、機(jī)架式與吸頂式兩種液晶顯示器以及測(cè)試評(píng)估軟件組成．

考慮到動(dòng)態(tài)測(cè)試信息反饋的實(shí)時(shí)性以及可視化效果,測(cè)試評(píng)估軟件采用JavaScript進(jìn)行開(kāi)發(fā)[14]．測(cè)試評(píng)估軟件的流程如圖3所示,基本參數(shù)設(shè)置完成后,通過(guò)接口管理模塊接入基準(zhǔn)設(shè)備以及BDS用戶(hù)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流,解析成功后實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)用戶(hù)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能并顯示,同時(shí)標(biāo)繪行車(chē)軌跡,測(cè)試結(jié)束后自動(dòng)生成測(cè)試結(jié)果報(bào)表．對(duì)于文件數(shù)據(jù),也可進(jìn)行處理分析．測(cè)試評(píng)估軟件主界面如圖4所示．

圖3 測(cè)試評(píng)估模塊軟件設(shè)計(jì)

圖4 測(cè)試評(píng)估軟件主界面圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證BDHDS的正確性和穩(wěn)定性,選擇較為開(kāi)闊的南京市江寧區(qū)軟件園某路線進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)和低速跑車(chē)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)(車(chē)速約45 km/h)，如圖5所示．另外選擇寧宣高速某段進(jìn)行了高速跑車(chē)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)(平均車(chē)速大于100 km/h),行駛路線如圖6所示．測(cè)試設(shè)備選用不同廠家生產(chǎn)的兩臺(tái)BDS設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BDS設(shè)備1號(hào)和BDS設(shè)備2號(hào)),該兩款設(shè)備接收BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)播發(fā)的廣域差分產(chǎn)品-軌道、鐘差改正數(shù)以及電離層產(chǎn)品進(jìn)行單頻偽距差分定位[15],設(shè)備的定位性能指標(biāo)均為:水平2.0 m(95%),高程3.0 m(95%)．

圖5 靜態(tài)/低速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)圖

圖6 高速動(dòng)態(tài)跑車(chē)試驗(yàn)路線圖

靜態(tài)試驗(yàn)的時(shí)間設(shè)為2.5 h,低速跑車(chē)試驗(yàn)設(shè)為約1 h,高速的跑車(chē)試驗(yàn)設(shè)為約1.5 h．將測(cè)試設(shè)備和基準(zhǔn)設(shè)備的定位結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì),得到的各測(cè)試場(chǎng)景下的結(jié)果報(bào)表如表1所示,靜態(tài)試驗(yàn)的誤差時(shí)序圖如圖7～8所示,低速跑車(chē)試驗(yàn)的誤差時(shí)序圖如圖9～10所示,高速跑車(chē)的誤差時(shí)序圖如圖11～12所示．

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 m

從圖7～8可以看出,靜態(tài)測(cè)試場(chǎng)景下,兩臺(tái)設(shè)備的定位精度相當(dāng),北向的定位精度優(yōu)于1.0 m,東向的定位精度優(yōu)于0.5 m,高程的定位精度優(yōu)于1.3 m,且誤差曲線較為平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)跳變點(diǎn)．經(jīng)分析是由于靜態(tài)測(cè)試期間,測(cè)試周邊環(huán)境良好．

圖7 BDS設(shè)備1號(hào)靜態(tài)試驗(yàn)誤差時(shí)序圖

圖8 BDS設(shè)備2號(hào)靜態(tài)試驗(yàn)誤差時(shí)序圖

從圖9～10可以看出,低速行駛狀態(tài)下,兩臺(tái)設(shè)備北向的定位精度優(yōu)于0.5 m,東向的定位精度優(yōu)于1.2 m,高程的定位精度優(yōu)于3.0 m,誤差曲線偶有跳變．經(jīng)分析是因?yàn)樗x路段周邊時(shí)有樹(shù)木遮擋導(dǎo)致．

圖9 BDS設(shè)備1號(hào)低速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)誤差時(shí)序圖

圖10 BDS設(shè)備2號(hào)低速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)誤差時(shí)序圖

從圖11～12可以看出,高速行駛狀態(tài)下,兩臺(tái)設(shè)備北向的定位精度優(yōu)于0.7 m,東向的定位精度優(yōu)于1.2 m,BDS 1號(hào)設(shè)備的天向高程精度為3.01 m,BDS 2號(hào)設(shè)備的天向高程精度為2.15 m.此外在誤差時(shí)序圖，可以看出跳變點(diǎn)較多．事后結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備圖像進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)了幾個(gè)高架橋,且有幾輛大型卡車(chē)經(jīng)過(guò),路況相對(duì)復(fù)雜,導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)多次出現(xiàn)短暫失鎖現(xiàn)象，如圖13所示．

圖11 BDS設(shè)備1號(hào)高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)誤差時(shí)序圖

圖12 BDS設(shè)備2號(hào)高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)誤差時(shí)序圖

圖13 某時(shí)刻高速動(dòng)態(tài)跑車(chē)試驗(yàn)周邊環(huán)境圖

綜上,除了高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)BDS 1號(hào)設(shè)備高程略有超差外,無(wú)論是靜態(tài)、低速動(dòng)態(tài)還是高速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景,BDS 1號(hào)設(shè)備和2號(hào)設(shè)備的定位精度均符合廠家指標(biāo)．此外BDHDS能真實(shí)地記錄并還原測(cè)試場(chǎng)景,能自動(dòng)生成測(cè)試結(jié)果報(bào)表．可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以直觀準(zhǔn)確高效地檢測(cè)評(píng)估BDS設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能．

4 結(jié) 論

本文針對(duì)BDS用戶(hù)設(shè)備動(dòng)態(tài)性能的檢測(cè)需求,設(shè)計(jì)了一種高精度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng).詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能、組成、工作原理以及具體實(shí)現(xiàn)途徑,并進(jìn)行了靜態(tài)、低速動(dòng)態(tài)和高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證．試驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)BDS用戶(hù)設(shè)備的高效、自動(dòng)化的測(cè)試,具有一定的先進(jìn)性．由于本系統(tǒng)基準(zhǔn)精度較高,未來(lái)也可滿(mǎn)足更高精度的BDS-3用戶(hù)設(shè)備(包括BDS組合導(dǎo)航設(shè)備)的動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試．

目前該系統(tǒng)已推廣應(yīng)用于“國(guó)家BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)”項(xiàng)目驗(yàn)收工作中,并發(fā)揮了重要的作用．