基于GNSS信号模拟器的卫星定位设备精度检定方法研究

姚飞娟,张聚铭

(中国洛阳电子装备试验中心,洛阳 471000)



基于GNSS信号模拟器的卫星定位设备精度检定方法研究

姚飞娟,张聚铭

(中国洛阳电子装备试验中心,洛阳 471000)

随着北斗兼容定位设备的推广应用,传统利用检定场测试方法受气候环境变化、多路径、成本高、重复性和可控性差等影响,给性能和精度评估带来诸多不便,基于此,本文提出了利用GNSS信号模拟器仿真混合信号检定卫星定位设备精度的方法。通过研究该方法的可行性,验证其正确性,为室内GNSS接收设备的动态精度检定与评估开辟新的途径。实验表明:该方法结果可靠,应用方便,可作为检定卫星定位设备精度测试方法,具有一定的现实指导意义。

GNSS信号模拟器;动态精度;检定

0　引　言

随着卫星导航系统的快速发展,卫星导航定位产品的生产与应用进入蓬勃发展期,各类型的卫星定位设备涌入市场,如何对新购置或者维修后的卫星定位设备的性能和精度进行全面评估,为使用中设备定期检定给出实际性能和精度指标,动态把握设备的实际测量范围,一直备受卫星导航产品用户的关注。目前,我国开展检定的传统方法就是依据JJF 1118-2004《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》[1]和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》以及2015年新发布并实施的中国第二代卫星导航系统重大专项标准 BD 420009-2015《北斗/全球卫星导航系统(GNSS)测量型接收机通用规范》,借助野外检定场,基于零基线和超短基线测试方法来测试卫星定位设备的系统内部噪声水平,旋转天线法测试其天线相位中心的稳定性,依据不同测程精度分别利用短基线比较法、中边长基线比较和互差比较法来检验卫星定位设备的精度指标是否符合要求[2]。 但是各检测设备数据格式、后处理软件均不统一,检定得出结论受多方因素影响,导致此类方法具有很大的局限性:

1) 检定方法和实际测量为同一信号源,检定结果不独立;

2) 在轨卫星动态变化,测量精度受信号源误差、电离层误差和对流层误差影响较大;

3) 信号源播发数据无法复现,检定结果具有偶然性，不能客观标定各类卫星定位设备的性能和精度指标;

4) 检定场容易受多路径效应影响。

针对上述弊端,全面分析与研究卫星导航设备通性,发现卫星定位设备各型号均可通过命令设置输出通用格式NMEA0183格式数据的共有特性,在此基础上开展基于GNSS信号模拟器的室内鉴定方法研究[3],为卫星定位设备动态稳定性、精度检定方面探索出一种新方法,该方法消除了接收天线的误差影响,测量精度结果更能反应卫星定位模块的实际定位水平,为卫星定位设备提供了新的动态检定手段,具有一定的实际指导意义。

1　方法介绍

1.1NMEA 0183协议介绍

随着导航定位技术的发展,各生产厂家出于行业技术封锁与商业竞争考虑,各自接收机记录与输出数据格式不尽相同,各自有自己的数据处理软件完成其事后差分处理工作,使得GNSS相关服务受到阻扰,为不同类型的卫星定位设备的性能评估造成了不便。目前,使用最广泛是NEMA 0183标准格式数据,即“National Marine Electronics Association”国家海洋电子协会定制的NMEA 0183数据格式协议,也是GNSS定位数据标准通信格式,它是一种将二进制定位格式转化为统一标准定位格式的与卫星类型无关的数据格式,数据流长度一般为30～100字符不等,以每秒间隔选择输出,最常用的格式“GGA”,包括定位时间、纬度、经度、高度、定位所用的卫星数、DOP值、差分状态和校正时段等,卫星定位设备可通过USB、COM口等通用数据接口实现与PC机或者PDA数据传输,该方式兼容性高、数据传输稳定、丢点少等特点而被广为使用。

1.2基于GNSS信号模拟器的检定方法设计

高动态GNSS卫星信号模拟器是一种能够在室内产生高动态情况下接收机接收到的卫星信号标准信号源的电子设备。借助该设备,用户可以在室内实时模拟飞机、火箭、导弹、卫星等高动态载体在飞行中接收到的GNSS卫星信号,是研制和开发各种军用接收机的关键设备;同时对北斗导航系统验证具有重要意义[4]。

经验表明在实验室经过充分测试考验的卫星导航产品,再投入批量生产进行工业应用,才能在工程应用中发挥其最大效能,然而,卫星导航相关的科研、应用等过程仅依靠全球导航卫星系统(GNSS)接收机(以下简称“接收机”)来接收导航卫星信号的方式展开,该方式会受到如可视卫星数、天气、电磁环境等诸多不可控因素影响,导致科研、验证工作的进度和效率受阻,无法得到多样化的导航卫星状态场景来满足研发需求。随着全球卫星导航系统技术迅速发展和广泛应用,促使卫星信号模拟器研发技术备受关注,自2014年11月,JJF 1471-2014《全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器校准规范》出版发行后,弥补了国内无模拟器校准规范的空白,为卫星导航产品的标尺制订了统一规范,为国内模拟器的校准提供了科学、合理的规范和参考标准,为进行更加科学、准确、合理的校准发挥了积极的推动作用。

GNSS信号模拟器(以下简称“模拟器”)是GNSS系统信号发生器,它能够根据运动载体的动态特性等各种因素对卫星信号的影响,模拟仿真全球导航卫星系统信号,精确模拟产生卫星导航设备能够收到的GNSS卫星信号,可产生高动态包括GPS、GALILEO、GLONASS、BDS等混合星座导航信号,来检验接收机的捕获性能和动态精度,被广泛应用于GNSS接收设备的研发、生产和计量等各个环节,对卫星导航接收设备的捕获、跟踪和测量准确度进行测量鉴定,是目前高动态精度测量的首选计量器具[5-6]。

据此原理,合理设计静态、动态场景,配合程控电源以及评估软件,硬件连接示意图如图1所示。

图1　基于卫星信号模拟器精度评估硬件连接示意图

为了精确客观的分析比对卫星导航设备的定位结果,同时分析天线对定位结果的影响,以卫星信号模拟器的定位结果为真值,统计其水平定位误差项、高程定位误差项以及空间误差项,得出各项指标的的最大值、最小值以及平均值,标准差及2倍西格玛[7]。

定位测速精度分析采用的方法是分别对空间直角坐标系下的误差及速度进行统计计算。具体数据处理比对方法如下:

1) 计算空间直角坐标系下各分量定位偏差ΔXi、ΔYi和ΔZi:

(1)

式中:ΔXi为i时刻空间直角坐标系下X方向定位偏差,单位为m;ΔYi为i时刻空间直角坐标系下Y方向定位偏差,单位为m;ΔZi为i时刻空间直角坐标系下Z方向定位偏差,单位为m; (Xci,Yci,Zci为i时刻定位的空间直角坐标系下位置坐标,单位为m; (Xie0,Yi0,Zi0)为i时刻空间直角坐标系下模拟器真值位置坐标值,单位为m;

(2)

其中,N为总共测试时间段内的定位结果个数。

3)计算该时段内定位的水平定位误差ΔP(水平)、高程定位误差ΔH(高程),标准差δ和2倍的西格玛为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2　算例数据分析

为了验证该方法的正确性,选用华力创通7500GNSS信号模拟器,选某型号的卫星导航设备——卫星定位模块为TD3020C(双模定位模块)[8],采样率为1 Hz,波特率为115 200,采用直连的方式将其与卫星信号模拟器连接,静态固定点测试,场景时长为2.0 h,动态测试是场景时长为2.0 h,动态速度在0～150 km/h,通过测试得到该型号卫星定位装置的水平定位误差、高程定位误差等测试项结果如表1、表2和图2、图3所示。

表1　静态定位结果统计

表2　动态定位结果统计

图2　静态定位误差

图3　动态定位误差

根据卫星信号模拟器测试数据评估TD3020C双模卫星定位模块的实际测量精度为:水平静态单点定位精度在测试时段内可达3 m以内,动态单点定位精度达到5 m以内,高程上达到10 m以内,静态单点定位精度明显优于动态单点定位精度,可满足交通导航用户的使用要求。

3　结束语

经测试数据分析验证表明:基于GNSS信号模拟器的卫星定位检定方法可靠,易行,能有效反映卫星定位设备的实际测量精度,随着卫星信号模拟器检校溯源问题和一系列相关标准的出台,该方法将成为未来接收机校准的标准测试手段。随着北斗系统的健全与完善,该方法还可应用于多模多频点卫星定位设备的事后载波差分精度评估,为动态载波相位差分定位精度分析提供了新手段,随着北斗导航系统的完善,双频测量型兼容定位设备以及事后载波相位软件的成熟,下一步笔者将开展双频载波相位差分测试精度方面的研究。

[1] 陈兵,申俊飞,何海波,等.北斗卫星导航系统定位精度分析评估[J]. 导航定位学报,2015,(1): 35-38.

[2] 陈波,孙付平,韩雪峰,等.北斗卫星导航系统定位精度分析[J].海洋测绘,2013,33(5): 34-37.

[3] 贾超广,肖海霞.基于卫星信号模拟器的北斗接收机性能测试与分析[J].导航定位学报,2013,35(4):6-9.

[4] 孙友礼.北斗卫星信号模拟器及其闭环测试系统的设计与实现[D].桂林:桂林电子科技大学,2014.

[5] 寇艳红,常青,张其善.高动态GPS模拟器闭环测试系统结构与软件设计[J].北京航空航天大学学报,2004,30(6):534-538.

[6] 刘旻,吴嗣亮.实时高动态GNSS信号模拟器高精度伪距生成方法[J].北京理工大学学报,2011,31(9): 1053-1057.

[7] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].湖南:武汉大学出版社,2008.

[8] 崔猛,陈新毅,尹勇.差分GPS模拟器中模拟船位的误差模型[J].航海教育研究,2007(增刊):59-61.

Research on the Method of the Satellite Positioning Equipment Precision Verifying Using GNSS Signal Simulator

YAO Feijuan,ZHANG Juming

(ElectronicEquipmentTestCenterofLuoyangChina,Luoyang471000，China)

With the popularization and application of Beidou compatible positioning equipment, using the traditional test by verification network method is not easy due to climate change, multi-path, high cost, poor repeatability, controllability and so on, This is inconvenient to evaluate the accuracy and performance. So, This paper proposes the method of GNSS signal simulator testing satellite positioning module accuracy. By studying the feasibility of this method and verifying its correctness, we open up a new avenues for dynamic precision verification and evaluation of GNSS receiving equipment experiment indoor. The result shows that the method is reliable, and convenient, It can be used as satellite positioning equipment precision test method with practical significance.

GNSS signal simulator; dynamic accuracy; verify

2016-01-27

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0025-04

姚飞娟(1981-),女,陕西周至人,工程师,现主要从事GPS数据处理工作。

张聚铭(1985-),男,河南南乐人,工程师,主要从事卫星导航定位研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.006

联系人： 姚飞娟 E-mail: yfj311@163.com