一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備動態(tài)定位精度測試方法

摘要：文章提出了一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備具體的動態(tài)定位精度測試方法，針對以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備動態(tài)定位精度測試方法為研究對象，利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器發(fā)出不同場景的模擬信號，來模擬實際環(huán)境中衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備使用到的各種不同動態(tài)場景，而衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器可以產(chǎn)生自身的一個信號軌跡，通過比較衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的軌跡信號和衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備實際輸出的定位信息，可以計算出衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備動態(tài)定位精度。實際測試證明了該動態(tài)定位精度測試方法可行、有效。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；動態(tài)定位精度；測試方法；衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器

中圖分類號：TN927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著帶有我國唯一自主設(shè)計產(chǎn)權(quán)標(biāo)志的中國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)平臺建設(shè)計劃的全面完成，已基本上形成包含了北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品、應(yīng)用設(shè)備終端、系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用等服務(wù)環(huán)節(jié)配套完整產(chǎn)業(yè)體系。國產(chǎn)新一代北斗導(dǎo)航核心芯片、模塊集成等重大關(guān)鍵技術(shù)全面獲突破，相關(guān)型號產(chǎn)品已逐步推廣普及到現(xiàn)代交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文動態(tài)監(jiān)測、氣象預(yù)報、森林安全防火、通信與時統(tǒng)、救災(zāi)和減災(zāi)工作等諸多領(lǐng)域。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差主要來自4個方面^［1］。（1）衛(wèi)星部分：衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差；（2）信號傳播路徑：電離層的信號傳播延遲、對流層的信號傳播延遲、多路徑效應(yīng)；（3）用戶接收機(jī)部分：用戶接收機(jī)噪聲、測量誤差、通道偏差；（4）其他影響：相對論效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)影響。

1.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

1.1.1 星歷誤差

由于地球衛(wèi)星在測定高速天體運(yùn)動的軌跡變化中常常要考慮受多種來自地球攝動力相互作用造成的系統(tǒng)復(fù)雜性質(zhì)和能量影響，如果直接通過衛(wèi)星地面監(jiān)測站測定會比較復(fù)雜且難以快速精確測定地球軌道和這些復(fù)雜的作用力及系統(tǒng)參數(shù)。

1.1.2 衛(wèi)星鐘差

北斗衛(wèi)星定位的觀測量均需嚴(yán)格以北斗衛(wèi)星定位精密測得的時點坐標(biāo)為測量基準(zhǔn)依據(jù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位在實際應(yīng)用工程中，無論碼相位的觀測還是載波相位的觀測，衛(wèi)星鐘頻要能與北斗地面接收機(jī)鐘頻保持較為嚴(yán)格的同步。

1.2 信號傳播路徑

1.2.1 電離層折射影響

電離層折射主要取決于在信號頻率方向和信號傳播的路徑方向上傳輸?shù)碾娮涌偭俊Ｍǔ２扇∫韵碌拇胧海?）利用某種適宜的電離層模型數(shù)據(jù)來觀測、修正。（2）利用電磁波雙頻觀測。（3）利用衛(wèi)星同步觀測值求差。

1.2.2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)也稱多路徑誤差，對多路徑效應(yīng)問題的一些處理原則和方法：（1）改善接收機(jī)的電路設(shè)計。（2）要選擇幾何造型設(shè)計適宜的且屏蔽作用良好的新型天線，如扼流圈天線。

1.3 接收機(jī)部分有關(guān)的誤差

接收機(jī)主要應(yīng)用功能包括測量天線上的天線相位誤差、接收機(jī)鐘差、接收機(jī)內(nèi)部噪聲等。

1.3.1 天線相位中心位置偏差

在北斗定位中，觀測值通常一般以在接收機(jī)天線位置上的相位中心為準(zhǔn)。在相位觀測及其理論上，天線相位中心一般應(yīng)該保證與被測量相位儀器接收機(jī)本身天線的幾何中心保持的位置一致。

1.3.2 接收機(jī)鐘差

接收機(jī)中一般會設(shè)有另外一臺較高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度則通常僅為10^-11。如果衛(wèi)星接收機(jī)時鐘差與衛(wèi)星鐘差之間所產(chǎn)生的同步鐘時差時間為1 μs，則由此可引起衛(wèi)星接收機(jī)間的衛(wèi)星最大同步等效傳輸?shù)木嚯x誤差為300 m。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備動態(tài)定位精度測試

動態(tài)導(dǎo)航定位的精度指標(biāo)是主要用來計算描述衛(wèi)星定位導(dǎo)航的接收地面設(shè)備在具有一定的動態(tài)條件環(huán)境下，能有效達(dá)到什么樣的高精度定位水平。換言之，即是衛(wèi)星導(dǎo)航或接收地面設(shè)備的確定動態(tài)位置的坐標(biāo)和與真實方位的坐標(biāo)之間存在的差異度、離散度。在動態(tài)定位中很難找到一個絕對的“真值”，但是可以利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器發(fā)出不同場景的模擬信號，來模擬實際環(huán)境中衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備使用到的各種不同動態(tài)場景。衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器可以產(chǎn)生自身的一個信號軌跡，通過比較衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的軌跡信號和衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備實際輸出的定位信息，可以計算出衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備動態(tài)定位精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度主要取決于兩個重要因素：觀測量的精度和衛(wèi)星幾何分布^［2］。

用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器（以下簡稱“模擬器”）發(fā)出一個模擬速度場景信息，用衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備去接收相關(guān)的信息，對于開機(jī)一次連續(xù)接收定位結(jié)果的測試方法，內(nèi)符合定位精度的樣本量不少于300個，外符合定位精度測試樣本量不小于200個^［3］。本次測試采用外符合定位精度測試樣本，定位精度測試樣本量不小于200個。

舉例說明勻速定位測試方法，先用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器發(fā)送1條300 m/s的勻速直線運(yùn)動速度信息。開始運(yùn)行模擬器初始界面時間為2018年6月9日00：00：00 s，對應(yīng)的周內(nèi)秒計數(shù)為518 404 s，用戶機(jī)開機(jī)，同時衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備輸出相應(yīng)的定位語句。

3 動態(tài)定位精度數(shù)據(jù)處理

通過進(jìn)行幾個簡單函數(shù)的平面運(yùn)算和三角函數(shù)運(yùn)算后即可快速計算和得出由大地平面坐標(biāo)系（B，L，H）轉(zhuǎn)換到大地空間直角坐標(biāo)系（X，Y，Z）方程中的公式。相同的基準(zhǔn)，大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系。CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系分別是BDS和GPS的參考坐標(biāo)系^［4］，坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)變化和重力變化有一定差異，但在坐標(biāo)系的實現(xiàn)精度范圍內(nèi)，兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)基本一致。轉(zhuǎn)換軟件可以把定位結(jié)果大地坐標(biāo)系的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)系內(nèi)容。

找到模擬器此時段的運(yùn)行軌跡文件，從用戶機(jī)運(yùn)行61 s開始取有效數(shù)據(jù)，對應(yīng)的軌跡文件周內(nèi)秒計數(shù)518 404+61=518 465 s，軌跡文件周內(nèi)秒計數(shù)從518 465 s開始提取有效數(shù)據(jù)，然后把軌跡文件和輸出的相同時間數(shù)據(jù)做對比，如表1和表2所示。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)比對時，將模擬器輸出的軌跡文件原始數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后把實測值和仿真值做對比，取4 min的有效數(shù)據(jù)做均方根誤差，得出空間定位精度結(jié)果為0.857 m（1σ）。具體公式為：

真值坐標(biāo)為（x₀，y₀，z₀），衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備輸出的第1個坐標(biāo)為（x₁，y₁，z₁）。

第1個坐標(biāo)的精度為：

其中，

Δx₁=x₁-x₀

Δy₁=y₁-y₀

Δz₁=z₁-z₀

以此類推，可得到第2個……第N個坐標(biāo)，設(shè)輸出的定位信息個數(shù)為10 000組，可得：

10 000個樣本的定位精度統(tǒng)計如下：

按上述統(tǒng)計方法得到的是1σ的定位精度。

4 測試結(jié)果分析

本研究選取了同一種設(shè)備進(jìn)行了4種不同場景動態(tài)定位精度進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

通過表3本研究可以看出通過設(shè)置模擬器不同場景可以測試出待測北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備自身在不同場景下的動態(tài)定位精度。

5 結(jié)語

通過以上實際測試結(jié)果綜合分析，本文提出這種利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器發(fā)出不同場景的模擬信號，來模擬實際環(huán)境中衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備使用到的各種不同動態(tài)場景。衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器可以產(chǎn)生自身的一個信號軌跡，通過比較衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的軌跡信號和衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備實際輸出的定位信息，可以計算出衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備不同場景動態(tài)定位精度。該方案實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備動態(tài)定位精度的規(guī)范化測試，在導(dǎo)航產(chǎn)品測試中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］楊開偉，黃勁松.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度評估［J］.海洋測繪，2009（4）：26-28.

［2］戰(zhàn)杰，吳胤霖.北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度分析［J］.艦船電子工程，2016（5）：63-65.

［3］薛光輝，韓冬梅.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位精度測試方法探討［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014（23）：53-56.

［4］張豐兆，劉瑞華，倪育德，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位精度測試與分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2018（1）：43-48.

（編輯 王永超）

Method for testing dynamic positioning accuracy of Beidou satellite navigation receiving equipment

Tian Yunting， Liu Jiangxiao

（Shijiazhuang Branch of Shenzhen Far East Huaqiang Navigation amp; Positioning Co.， Ltd.， Shijiazhuang

050299， China）

Abstract： A specific dynamic positioning accuracy test method of Beidou satellite navigation receiving equipment is proposed. Taking the dynamic positioning accuracy test method of Beidou satellite navigation receiving equipment as the research object， the satellite navigation signal simulator is used to send out simulated signals in different scenarios to simulate various dynamic scenarios used by satellite navigation receiving equipment in the actual environment. The satellite navigation signal simulator can generate its own signal track. By comparing the track signal of the satellite navigation signal simulator with the actual positioning information output by the satellite navigation receiving device， the dynamic positioning accuracy of the satellite navigation receiving device can be calculated. The test results show that the method is feasible and effective.

Key words： Beidou satellite navigation; dynamic positioning accuracy; test method; satellite navigation signal simulator