基于信号模拟器的BDS导航定位产品检测中心建设

许江涛,庞尚益,吴学文,董旭明

(1.陕西测绘仪器计量监督检定中心,西安 710054;2.国家测绘地理信息局第一大地测量队,西安 710054)

基于信号模拟器的BDS导航定位产品检测中心建设

许江涛1,庞尚益2,吴学文1,董旭明1

(1.陕西测绘仪器计量监督检定中心,西安 710054;2.国家测绘地理信息局第一大地测量队,西安 710054)

随着BDS导航定位产品的应用日益广泛,随之带来的检定需求越来越迫切。针对此类产品的检定,提出了建立BDS导航定位产品检测中心,开展BDS导航定位产品检定方法研究,对各类BDS导航定位产品的测量精度、定位精度和各项计量性能等做出定量、有效、精确的评估和校正。文章介绍了BDS接收机检测方案,着重介绍了BDS接收机室内检定研究先期取得的一些成果和存在的不足,提出了攻克方向。通过实验验证,利用BDS接收机室内检定系统进行BDS接收机检定,理论和方法可行。

测试计量技术及仪器;BDS接收机;信号模拟器;精度;检测方法

0 引言

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)定位产品所提供的测量数据和定位信息的精度直接影响着我国的测绘地理信息生产应用的精度和质量。目前,BDS正在积极的构建和完善中,随着BDS应用范围不断扩大,BDS导航定位产品的应用将进入一个蓬勃发展的时期[1-2]。基于这样一个广阔的市场前景以及在经济建设中承担的作用,如何对BDS导航定位产品进行高精度的计量检定、校准,是计量检定部门面临的巨大责任。

陕西测绘仪器计量监督检定中心于2012年7月向国家测绘地理信息局申请立项,开展“信息化测绘前沿技术研究——全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)接收机室内计量检定方法的研究”,并于2013年初通过国家测绘地理信息局批准,正式立项开展课题研究,项目开展至今已取得一些科研成果[3]。

2014年6月,我中心通过西安市科技局批准,开展“测绘技术与地理信息应用平台子项目——北斗卫星导航定位产品检测中心”建设项目,在《GNSS接收机室内计量检定方法研究》基础上,专门针对BDS导航定位产品检测方法进行研究。BDS导航定位产品检测中心建设重点在于运用卫星信号模拟器取代BDS卫星信号源,建立室内BDS接收机检定/校准实验室。重点开展BDS接收机检定/校准方法的研究:在实验室建立能发射仿真卫星信号的模拟器系统,以BDS的B1、B2频点为例进行接收机性能的各项检测试验,验证室内静态检定方法的可行性;探索出室内检定卫星导航定位接收机的操作程序,将接收机室内检测结果与传统的室外检定法结果进行比较,得出比对分析报告;通过严密的测试实验,形成研究报告。

1 项目概况和市场分析

2012年,陕西省政府成立省北斗卫星应用示范工作领导小组,领导小组组长由陕西省副省长李金柱担任,包括陕西省测绘地理信息局副局长王晓国在内的30个厅局和各级政府部门有关负责同志为成员。为促进BDS导航系统应用和产业发展,国家测绘地理信息局制定的《测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要》[4]指出,要加强BDS导航定位系统测绘应用,完善配套政策,推进应用项目组织实施。2013年,陕西省发布《陕西省“十二五”卫星应用产业发展专项规划》[5], 5 a期间,陕西省将围绕卫星通信、卫星导航、卫星遥感三大领域,形成六大卫星应用产业链,同时加快实施卫星数字文化传播等三大示范工程。

BDS导航定位产品检测中心旨在构建国内第一家专业的BDS导航定位产品检测中心。BDS导航定位产品检测中心的建设,对于提高我国BDS导航定位产品的质量有着巨大的推动作用,同时对测绘地理信息产业的健康发展,履行国家赋予的职能有着极其重要的社会效益。依托陕西测绘仪器计量监督检定中心已开展20多年卫星导航定位仪器计量检定业务的经验,有完整的技术体系、有西安全球定位系统(global positioning system, GPS)接收机检测场等基础设施,具有独特的技术实力和行业优势。

初步估计,近5 a需要在全国形成西北、东北、华中、华南、西南等5～6个BDS产品质量检测中心,以后会分布到各省,我们将向全国提供相关的技术标准。据国家有关部门估计,BDS完整形成后,到2025年将形成一个每年5000亿元的巨大市场,质量检测市场按0.01%计算,将形成5亿元的巨大市场。

因而,建立BDS导航定位产品检测中心,探索研究高精度的、可靠的BDS导航定位室内计量检定系统,对我国的BDS导航定位产品的检定/校准工作来说,将是一个重大的技术创新和突破,能较大幅度的提高我们的检定手段和能力。

2 建设方案

BDS导航定位产品检测中心检测场由两部分组成:室外高精度GNSS接收机检定场,室内GNSS接收机检定/校准实验室。利用室内BDS接收机检定系统对接收机给出定性结果,有利于准确的评价接收机实际技术参数与性能;利用室外检定场检定接收机,可以对接收机实测精度与性能给出定性定量的评价。

其中我中心室外高精度GNSS接收机检定场已建立20余年,布局合理、点位稳定,只需针对不同精度、不同类型BDS接收机,编写切实可行的检定方案。室内接收机检定/校准实验室则需要从零开始进行搭建,其中室内BDS接收机检定/校准实验室的核心部件为卫星信号模拟器和基于卫星信号模拟器的仿真系统。

2.1 检测依据

检测项目视检测类型的不同,参照JJF1118-2004全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》[6]和测绘行业JJG(测绘)2301—2013《全球导航卫星系统(GNSS)测量型接收机RTK检定规程》[7]的规定,凡没有规定具体检测方法的检测/检查项目可通过目测,询问,图、文、物核对,操作演示或按产品规范中规定的方法进行。被检定位产品技术指标应满足相关检定规程或出厂技术指标要求。

2.2 需要解决的关键技术

1)市场上的BDS接收机大多不单单只能接收BDS卫星信号,往往是同时可以接收多类型卫星信号的GNSS接收机,需要对单独接收BDS卫星信号和同时接收两种或两种以上卫星信号的测量精度进行分类评定,探索检定方法,给出评判标准。

2)调研室内模拟卫星信号源,探索室内检测场的建设方案,使接收机能够接收到稳定的模拟信号。

3)对模拟信号进行绝对基准和动态基准的构建。

4)模拟室外检测条件,探索各种室外条件的影响误差量值。

5)对室内外检测结果进行比对,对室内检测场进行优化。

6)解决接收机接收室内模拟信号的数据后处理问题。

2.3 卫星信号模拟器

GNSS信号模拟器是GNSS系统信号发生器,用于模拟产生特定的GNSS系统信号,卫星信号模拟器为GNSS接收机及相关系统的测试提供了有效并且高效的手段[8]。卫星信号模拟器可对GNSS星座生成的信号加以控制,并通过单台设备即可对全球测试环境实现模拟,这样便可在可控的实验室条件下执行测试。卫星导航信号模拟器能够生成与GNSS卫星相同的发送信号[9],因此, GNSS接收机会以实际处理卫星信号的方式来处理这些模拟卫星信号。

模拟器提供全球导航卫星系统导航信号仿真,卫星星座可包括GPS、伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system,Galileo)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system,GLONASS)、BDS等、可用在GNSS接收机的研发、生产和计量过程的各个环节。国外在该领域起步较早,技术也比较成熟,不仅可以模拟GPSL1、L2频率上的C/A码和P码,还可以产生GPS L2C、L5、M码信号,部分产品还可以模拟Galileo E1、E5,GLONASS信号等,现在甚至可以模拟差分信号、姿态测量信号[10]。

目前,国外做的比较成熟的有英国SPIRENT公司、美国的CAST公司研制生产的多种系列卫星信号模拟器,模拟精度高,但价钱昂贵。国内目前做的比较成熟的有中国航天恒星科技有限公司、深圳市中冀联合通讯技术有限公司、北京北斗星通公司等生产的卫星信号模拟器及仿真系统,模拟精度与国外同类产品相当,可以模拟GPS、GLONASS、Galileo、BDS各频率信号,产品价钱便宜、维护成本低。

2.4 实施步骤

按照实际用途GNSS接收机可分为:测量型、导航型、授时型。作为测绘行业部门,我们在进行检定研究时只针对测量型和导航型接收机,不对授时型接收机进行研究。

对于导航型GNSS接收机,我们已经进行了大量的深入研究,由于现行检定规程单一的检定方法已无法满足对不同用途、不同精度接收机进行检定的需求,提出了根据定位精度对导航型GNSS接收机进行分类,采取不同的检定方法[11]。因此,BDS导航定位产品检测中心建设的重点便在于测量型GNSS接收机室内检定/校准实验室的构建。

项目前期通过调研,结合项目实际需求,选用中国航天恒星科技有限公司生产的卫星信号模拟器[12](图1)及其配套的数字仿真控制软件。

图1 卫星信号模拟器

经过安装调试,待卫星信号模拟器达到工作要求后,研究组首先进行了两个批次模拟实验。

跟进进行了仿真系统设备的引进与实验环境系统的完善与搭建,同时建立了实验室研究用独立坐标系统,构建完成模拟信号实验室场景(图2)。

图2 实验室实景图

2.5 实验方法

以我中心GPS接收机检定场实际布局为例,选用国产最新的可以接收GPS、GLONASS、BDS信号的南方S86-C和中海达H32两款三星GNSS接收机。首先将测试用接收机在室外检定场进行数据采集,给出检定结果;随后在室内模拟将被测接收机架设在中心室外GPS接收机检定场观测墩上进行数据采集,通过两种方法,对实验数据进行比对分析。

室内实验室操作步骤:

第1步,连接并启动卫星信号模拟器;

第2步,启动GNSS数学仿真软件(图3),设置模拟参数:模拟卫星的波段(如:BD1、BD3、GPS L1、GPS L2等),发射频率,置入模拟架设点的坐标,设置模拟起始时间,结束模拟结束时间(图4);

图3 仿真软件主界面

图4 仿真时间配置界面

第3步,被测接收机开机,记录开机时间及接收机的记录状态;

第4步,重复第2、3步,直至完成我中心GNSS接收机检定场相关点位的模拟同步测量;

第5步:结束观测,按时段下载数据,利用随机软件进行数据后处理,对比、分析检定成果。

2.6 阶段性成果

通过两个批次的实验,得出如下结论:

1)静态测量模式下:接收机内符合精度中内部噪声水平与传统室外检定方法结果相当。

2)静态测量模式下:接收机内符合精度中基线重复测量精度与室外检定方法所得检定结论相同。

3)静态测量模式下:接收机基线测量精度与传统室外检定方法所得检定结论不同,检定结果超出实验用接收机标称精度。

2.7 总结

BDS导航定位产品检测中心建设的重点在于室内BDS接收机检定/校准实验室的建立,结合本文对BDS接收机室内检定方法的初步研究,总结如下:

1)通过实验验证,利用信号模拟器模拟BDS卫星信号进行BDS接收机测量精度及内部噪声水平检定,理论和方法可行。

2)搭建完全仿真的实验室平台,方法可行。问题在于:模拟生成的相关数据格式与模型,尚不能完全用目前比较成熟的商用软件进行数据后处理;接收机接收的模拟BD-2信号,无法进行严密的数据分析和科学研判。正积极与武汉大学、长安大学进行合作,解决相关技术问题,编写数据后处理软件。

3)实验室环境下,多路径效应对实验存在影响,将实验室改造为微波暗室,方法可行。

目前由于项目建设资金与设备有限,最近我中心与中国科学院国家授时中心取得联系,准备开展合作,拟利用中国科学院国家授时中心已建立的三个装备有SPIRENT信号模拟器的微波暗室实验室进行模拟实验,对BDS卫星导航定位产品检测中心建设的可行性研究做进一步论证。

3 结束语

根据现有科研成果和存在的问题,下一步研究开展以下工作:

1)查找接收机接收模拟信号后,实际精度中基线测量精度超限的原因,通过技术手段,消除该系统误差。

2)解决发射天线发出的有效模拟信号覆盖范围小的弊端,使卫星信号模拟器发射的卫星信号达到实验需求并与实际状况吻合。

3)基于BDS卫星信号与GLONASS卫星信号系统的后处理软件尚不成熟[13],尽快解决基于BD-2卫星信号与GLONASS信号系统数据后处理软件的问题。

4)增加接收机类型,对目前市场上的不同型号BDS接收机逐个进行检定实验。

5)增加动态接收机仿真实验场景设计,以满足这部分接收机的实验与检定需求。

6)增加惯性导航系统(inertial navigation system,INS)模拟功能,为INS/BDS组合导航方案的验证提供测试条件。

7)目前实验室环境下,多路径效应对实验肯定存在影响,影响究竟有多大,尚不可知。通过实验用设备在中国科学院国家授时中心微波暗室实验室进行模拟实验,对前后数据进一步分析,根据实验数据下一步计划将我中心实验室改造为微波暗室,得出实验室环境下多路径效应对实验结果影响量。

BDS导航定位产品检测中心的建设作为一项前瞻性研究,通过我中心《北斗卫星导航定位产品检测中心》项目的实施,针对BDS接收机室内检定方法展开研究,项目完成后,研制成功的GNSS接收机室内检定系统,将是测绘仪器检定领域一项新的技术突破与创新,可以对各类GNSS接收机的性能做出客观、定量的评估,革新了当前国内对GNSS接收机计量性能的评估方法,使检定结果更加可靠,将取得的成果在国内检定行业予以推广,将会更好的服务于测绘地理信息事业。

[1] 杨军,曹冲.我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析[J].武汉大学学报·信息科学版,2004,29(9):775-778.

[2] 侯柯屹,梁福全,张军.浅谈北斗卫星导航系统及在测绘中的应用[J].科技探索,2010(11):62.

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[4] 国家测绘地理信息局规划财务司.测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要[EB/OL].(2011-6-22)[2015-02-11].http://www.sbsm.gov.cn/article/tzgg/201106/20110600084547.shtml.

[5] 陕西省发展和改革委员会.陕西省“十二五”卫星应用产业发展专项规划[EB/OL].(2012-8-10)[2015-02-11].http:// www.sndrc.gov.cn/view.jsp?ID=17677.

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Establishing Calibration Center for BDS Navigation and Positioning Products Based on Signal Simulator

XU Jiangtao1,PANGShangyi2,WU Xuewen1,Dong Xuming1
(1.The Center of Shaanxi Metrological Supervision and Verification for Surveying and Mapping Instruments, Xi’an 710054,China; 2.The First Geodetic Surveying Brigade of NASG,Xi’an 710054,China)

Along with the application of beidou satellite navigation and positioning products is becoming more and more widely,the verification requirements will become more and more urgent.According to this kind of product verification,we put forward to establish beidou satellite navigation and positioning product calibration center.It can help us to make a quantitative, effective,accurate evaluation and correction for all kinds of beidou products measurement and positioning accuracy,which throw the methed to carry out the calibration research of beidou satellite navigation and positioning products.This paper introduced the beidou receiver calibration scheme,emphatically introduced the achievements and the deficiencies for the system of beidou receiver verification indoor,it also puted forward the direction.By experimental verification:the theory and method is feasible,which using the system of beidou receiver verification indoor to calibrate beidou receiver.

measurement technology and instruments;BDS receiver;signal simulator;precision;calibration method

P228

A

2095-4999(2015)-04-0022-05

2014-10-18

许江涛(1984—),男,陕西西安人,工程硕士,工程师,主要从事测绘仪器计量检定及性能研究。

许江涛,庞尚益,吴学文,等.基于信号模拟器的BDS导航定位产品检测中心建设[J].导航定位学报,2015,3(4):22-26.XU Jiangtao,PANG Shangyi,WU Xuewen,et al.Establishing Calibration Center for BDS Navigation and Positioning Products Based on Signal Simulator [J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):22-26.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150405