結合電子地圖的衛星導航動態定位軌跡測試方法研究

梁煒，黃艷，吳曉昱，許原，謝立冬

（北京市計量檢測科學研究院，北京 100049）

0 引言

隨著北斗三代衛星導航的全球組網成功，以GPS、北斗為代表的衛星導航能全天候提供覆蓋全球的定位服務，且成本越來越低，被廣泛應用在智慧交通、智慧城市、消費電子等領域。這些應用中，車載導航產品、無人機、可穿戴衛星導航定位產品所占比重最大，一般結合電子地圖來顯示其動態定位軌跡，所以，對其進行動態定位性能測試，需要結合具體的位置［1-3］。

目前涉及衛星導航動態定位的計量技術規范有JJF 1403-2013《全球導航衛星系統（GNSS）接收機（時間測量型）校準規范》、JJF 1921-2021《GNSS 行駛記錄儀校準規范》。對導航終端的定位偏差要求比較寬泛，通常狀況下小于15 m，測試場景一般只對可見星、運動類型有總體要求，具體場景根據實際測試需要配置，多采用仿真勻速直線動或者勻加速運動的動態場景對終端進行測試［4-12］。具體方法：衛星導航模擬器仿真從任意坐標點出發，軌跡設定為符合直線、圓周曲線等運動方程的勻速、勻加速測試場景，輸出仿真導航信號使終端解算定位，計算帶有時間戳的終端定位結果與模擬器標準定位結果偏差，統計多個偏差得到整體動態定位精度。

此方法存在兩個問題：一是測試場景缺乏隨機性、不規則性，與實際情況存在偏差。導航終端實際應用中的軌跡并不是簡單的直線和圓周運動的組合，車輛直線行駛過程中有隨機性變道、加減速，佩戴可穿戴產品運動過程中有隨機性方向、速度的變化，這些實際動態軌跡很難用運動方程來描述；二是定位結果為偏差統計值，沒有在電子地圖中匹配道路顯示過程的結果。原場景軌跡直接在大地坐標系或者地心地固直角坐標系中建立，沒有參考電子地圖中的實際位置、道路，所以定位軌跡與電子地圖不匹配。

本文提出結合電子地圖位置、道路規劃軌跡，按路線隨機選取坐標點并連接成軌跡線，導出軌跡坐標點后，在坐標點之間配置不同的運動速度、加速度、高程等參數，生成模擬仿真測試場景。用此場景測試導航終端，可以計算終端動態定位偏差，定位軌跡可導入電子地圖中匹配道路顯示。通過不規則取點和多變運動狀態解決復雜動態軌跡測試場景問題，使模擬仿真測試更接近真實的動態應用。

1 動態仿真測試方法

動態仿真測試的總體方案如圖1所示，在電子地圖上規劃軌跡的起始點和運動路徑，依據規劃的路徑在地圖上隨機選取坐標點連接成軌跡，導出軌跡坐標點數據。按導航模擬器場景格式要求整理出經度、緯度、高度的數據，在部分坐標點之間配置速度、加速度、高程等動態參數，其配置參數可參考實際導航終端動態應用的典型情況。把場景文件導入到模擬器并配置測試場景，仿真場景測試導航終端，模擬器和導航終端分別記錄定位軌跡數據。用軟件評估終端的動態定位性能，定量分析不同參數結果，定位軌跡導入電子地圖，顯示與道路相匹配的兩條軌跡實時偏差，分析動態運動過程中變化的定位偏差。

圖1 總體測試方案流程圖Fig.1 Overall test scheme flow chart

1.1 結合電子地圖規劃軌跡

在電子地圖上選擇規劃路徑的大致區域，設計路線的起始點、終止點和運動路線，從起始點開始按一定間隔隨機選取坐標點連接成軌跡路線。選取坐標點時的間隔可根據需要調整，如果軌跡較短且對軌跡變化細節要求高，可適當減小取點間距，如果軌跡較長且過程變化不明顯，可擴大取點間距。例如：直線路段運動方向性不變，坐標點可以選擇較大間隔；轉彎路段運動方向實時變化，選取坐標點較小間隔，可使路線軌跡相對平滑。生成軌跡路線后導出坐標點和軌跡文件。

1.2 利用軌跡坐標制作動態測試場景

利用坐標點制作軌跡有兩種模式：時空狀態模式和空間狀態模式。時空狀態模式在連續時間軸上描述不同時刻的載體位置、姿態信息，每條語句按固定格式包括載體時間、位置、姿態、加速度、加加速度等信息，連續語句載體狀態滿足運動方程關系，最終形成滿足時間、空間的動態軌跡；空間狀態模式沒有時間標簽，位置語句描述載體坐標點位置，狀態語句描述坐標點之間的載體運動動態特性，一般為加速、減速、爬坡等，通過一系列位置語句和狀態語句形成動態軌跡。

1.2.1 時空狀態模式

時空狀態模式主要用語句描述載體的時間、位置、狀態，用一系列語句構成完整的運動軌跡，一般語句配置內容為相對時間、三軸位置、三軸速度、三軸加速度、三軸加加速度。

“時間”為從仿真開始時間算起的相對時間，可以非等間隔配置，其最小識別時間分辨力與模擬器更新率有關，如更新率為1000 Hz，理論上最小識別時間為1 ms。

“位置”為三軸位置坐標，可以用地心地固直角坐標系（x，y，z）表示，也可以用大地坐標系緯度、經度、高程（B，L，H）表示，二者轉換關系［13］為

式中：N為基準橢球體的卯酉圈曲率半徑；e為橢球偏心率，與基準橢球體長半徑a和短半徑b的關系滿足

其它配置參數還有三軸速度、三軸加速度和三軸加加速度，配置方法與三軸位置坐標相同，參數值不配置可為空。

此模式根據時間空間狀態描述載體運動軌跡，按時間順序語句描述的狀態必須符合運動方程規律，否則會出現錯誤。如：在前一位置上，通過速度、加速度和持續時間，推算出的位置要與下一條語句位置坐標對應，若兩者存在較大偏差則會出現位置不重疊錯誤。在只保留時間、位置參數，不考慮運動方程的情況下，其狀態為隨時間變換的坐標點，無速度、加速度等運動狀態，可滿足一定的測試需求，但由于軌跡只有時間和位置坐標點，若終端解算需要除位置以外的其它運動參數，則此類模式不適用。

1.2.2 空間狀態模式

空間狀態模式主要用語句描述載體的位置和位置變化過程中的狀態，連續的位置和狀態語句構成完整的運動軌跡。其中，位置語句只描述載體位置，運動狀態語句描述經多長時間后速度達到終值。

“位置語句”中，三軸位置坐標一般用大地坐標系緯度、經度、高程表示，即（B，L，H），也可以用地心地固直角坐標系（x，y，z）表示，若需要坐標轉換同式（1）～式（3）。模擬器對大地坐標系中經度、緯度、高程表示形式的定義，可用度或弧度［14-15］表示，二者轉換關系為

“狀態語句”包括速度變化語句、高度變化語句等。速度變化語句參數包括持續時間和最終速度。持續時間表示由前一個速度變化到新的速度持續多長時間；達到最終速度后速度保持恒定。通過時間與速度變化關系可計算加速度。高度變化參數與速度類似。

場景文件包括一系列的位置語句和狀態語句，且狀態語句插入在位置語句中。狀態語句的多少和改變速度大小可根據需要進行配置，形成的運動軌跡包含位置和速度參數。在某些被測終端需要計算軌跡里程的場合，里程采取速度和時間積分計算得到，此空間狀態模式場景滿足需求；但若采用簡易時間空間位置模式，只有坐標點沒有速度，終端得不到里程值。

1.3 模擬器利用制作場景對終端測試評估

把制作的測試場景文件導入模擬器，并設置測試時間和測試信號頻點及功率。模擬器信號輸出端連接終端信號輸入端，仿真測試場景對終端測試。若終端為接收機、天線一體機，可采用在暗室/暗箱內通過發射天線空間輻射的方式對終端測試。通過軟件記錄終端解算導航數據，同時記錄模擬器仿真軌跡導航數據，用軟件分析二者導航數據計算定位偏差（包括三軸分別定位偏差，總定位偏差，標準差等），從而得到終端動態定位精度的統計結果。同時，把定位軌跡導航數據轉換成KML 格式文件，導入到電子地圖中，可以得到與電子地圖道路匹配的兩條軌跡的實時偏差結果。

2 仿真測試實驗及結果

實驗選用Spirent 公司9000 高精度衛星導航模擬器和Septentro 公司高精度接收機作為實驗設備，仿真測試系統如圖2所示。模擬器支持外軌跡場景制作功能，接收機有定位數據記錄軟件，也可通過串口記錄NMEA0183 格式導航數據，電子地圖和定位偏差評估軟件使用第三方公開軟件。

圖2 仿真測試系統Fig.2 Simulation test system

動態測試軌跡路線規劃為：以北京北苑路街道作為起點，沿北苑路經安遠路到奧體中心東南角，沿奧體中路、北辰路、北四環輔路，經安定路后返回奧體中心東南角。打開電子地圖，找到軌跡所在區域，沿規劃軌跡隨機點擊選取位置坐標點，坐標點之間直線連接，最后形成軌跡，直線路段坐標點間隔約為15 m，轉彎路段為3～5 m。軌跡生成后導出GPX格式和KML格式數據。

根據模擬器對不同模式文件格式的定義，制作動態仿真場景文件，對時空狀態模式MOTB語句定 義 為：timestamp，MOTB，lat，long，height，vel_n， vel_e， vel_d， acc_n， acc_e， acc_d，jerk_n，jerk_e，jerk_d。代碼依次表示：時間戳，s；語句符號；緯度，rad；經度，rad；高程，m；速度北，m/s；速度東，m/s；速度下，m/s；加速度北，m/s2；加速度東，m/s2；加速度下，m/s2；加加速度北，m/s3；加加速度東，m/s3；加加速度下，m/s3。使用時間戳和從軌跡導出的GPX 格式坐標點數據制作場景，部分數據見表1。第一列為時間/s，第二列為緯度/rad，第三列為經度/rad，其它參數設為無，時間間隔設為5 s，導出的GPX 坐標數據為度，用式（6）轉換為弧度，平原高度變化很小，統一設為50 m，最終場景文件有258 條語句，持續時間1365 s。

表1 時空模式部分場景數據Tab.1 Spatio-temporal mode partial scene data

空間狀態模式位置語句被定義為CAR_WAYPOINT：（B，L，H），緯度，rad；經度，rad；高 程， m。 狀 態 語 句TERR_ACC 定 義 為t，FINAL_SPEED，持續時間，ms；最終速度，m/s。用導出的GPX 弧度緯、經度坐標和高度50 m 設為連續位置語句，其中第一個位置點設為起始點，在位置語句中間插入狀態語句，第2位置點后加速2 s，速度由0 m/s 變為2 m/s，第8 位置點后加速2 s，速度由2 m/s 變為4 m/s，依次做加減速變化，最后持續減速1 s，速度降為0 m/s，最終場景文件有264條語句，部分數據見表2。

表2 空間狀態模式部分場景數據Tab.2 Spatial state mode partial scenario data

終端測試實驗使用空間狀態模式測試場景，在模擬器仿真軟件建立新測試項目，把制作的場景導入到模擬器仿真軟件相應車輛場景文件中，設置測試場景日期，選擇GPS 的L1 頻點和BDS的B1I 頻點，每個頻點配置12 顆星，信號功率為-120 dBm。仿真輸出導航信號對高精度接收機進行測試，同時記錄場景的NMEA0183 格式中的GGA 語句，接收機連接軟件，待定位后開始記錄定位數據，數據包含NMEA0183 格式中的GGA 語句，仿真場景如圖3 所示。

圖3 模擬仿真測試場景Fig.3 Simulation test scenario

用后處理軟件導入模擬器和接收機GGA 數據文件，分析定位偏差，整個軌跡內有效定位1986個結果，計算相同時間戳下x，y，z軸單獨定位偏差和和三軸總定位偏差，縱坐標為定位偏差，橫坐標為時間，如圖4所示。

圖4 接收機定位偏差曲線Fig.4 Receiver positioning deviation curve

定位偏差中前300 s 為靜態定位偏差，其后為動態定位偏差，靜態定位偏差波動較小，收斂后趨于穩定，穩定后波動小于0.1 m，動態定位偏差均值較平滑，隨機波動，波動小于0.5 m。x，y，z三個軸向定位精度方均根約0.1 m，三軸總定位精度0.17 m，單軸與總方差均小于0.01，見表3。

表3 模擬器空間狀態模式測試接收機定位精度Tab.3 Receiver positioning accuracy tested in simulator spatial state mode

仿真場景的衛星導航信號質量可通過分析接收機可見星的精度因子（DOP）和信號載噪比來評估，如圖5、圖6 所示，PDOP 均值1.6，HDOP 均值0.9，VDOP 均值1.3，各衛星信號載噪比在37～40 dBc之間，場景衛星導航信號處于較好狀態。

圖5 可見星分布精度因子（DOP）曲線Fig.5 Visible star distribution factor of precision(DOP)curve

圖6 不同衛星信號載噪比Fig.6 Carrier to noise ratio of different satellite signal

傳統評估定位點軌跡如圖7所示，只有經緯度數據，沒有在電子地圖中顯示，也沒有與標準軌跡的比較。

圖7 接收機定位坐標點軌跡Fig.7 Receiver positioning coordinate point track

把接收機導航數據轉換為KML 格式文件，與標準軌跡文件一起導入電子地圖中，可直觀顯示匹配地圖道路軌跡偏差，綠色軌跡為在地圖上規劃的標準軌跡，紅色軌跡為通過仿真測試后接收機導出軌跡，如圖8所示，兩條軌跡偏離很小，驗證了之前定位精度統計數據結果，同時又直觀顯示了軌跡偏差的變化情況。

圖8 電子地圖下接收機動態定位軌跡偏差Fig.8 Receiver dynamic positioning track deviation under electronic map

地圖放大后可顯示局部軌跡偏差，如圖9與圖10 所示，在直線路段軌跡偏差較小，接收機軌跡圍繞標準軌跡上下波動，但在轉彎路段偏差較大，說明動態仿真測試中，運動方向變化較大會對定位精度造成影響。

圖9 局部軌跡放大圖Fig.9 Partial enlarged view of track

圖10 局部轉彎軌跡放大圖Fig.10 Partial enlarged view of turning track

3 結論

提出結合電子地圖規劃接近實際運動的軌跡，提取軌跡坐標點并依據模擬器定義的模式制作成動態測試場景，仿真測試評估導航終端定位精度的同時，還可以在電子地圖上顯示匹配道路的軌跡偏差變化。該方法可以根據需要任意規劃動態軌跡路線，解決一般模擬器利用運動方程制作的動態測試軌跡單一、缺少隨機性的問題。此外，終端測試結果除可以評估動態定位精度外，定位軌跡偏差可在電子地圖上匹配道路顯示，對于車載導航儀、運動手表等導航定位與電子地圖密切關聯的導航終端，其測試結果更直觀，更接近實際。