趙成志，許朋，陳奐昊

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

2012年10月25日，隨著第16顆北斗衛(wèi)星的成功發(fā)射，中國北斗導(dǎo)航工程區(qū)域組網(wǎng)的順利完成，標(biāo)志著國內(nèi)的北斗定位系統(tǒng)日漸成熟與穩(wěn)定。國家在 “十二五”規(guī)劃中，正式將北斗定位系統(tǒng)向民用開放，鼓勵國內(nèi)各大廠商研發(fā)北斗定位芯片及模塊[1]，同時由各部門積極推廣使用北斗定位系統(tǒng)，因而，未來北斗定位系統(tǒng)的使用將會進(jìn)入快速增長的階段，屆時也將會出現(xiàn)由各個廠商所制造的各種北斗定位模塊/產(chǎn)品。如何鑒別定位模塊的定位能力，將是接下來幾年內(nèi)的研究重點。由于國家政策的支持，政府部門將采購大批量的北斗定位模塊/產(chǎn)品，用于漁業(yè)船舶管理、運輸車輛管理、公務(wù)用車管理和森林防火等，這些應(yīng)用對定位模塊的需求量估計會達(dá)到上千萬[2]，如此大的市場必將會是各大北斗定位模塊/產(chǎn)品供應(yīng)商爭奪的焦點。但是，從國家管理部門的角度出發(fā)，如何獲得合適的產(chǎn)品，如何甄選出最優(yōu)的產(chǎn)品才是關(guān)鍵，這將會影響到市場的導(dǎo)向，所以，對北斗定位模塊/產(chǎn)品的定位能力進(jìn)行測試，將具有重大的意義。基于此，本文研究了定位模塊的測試指標(biāo)及測試方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了多款定位模塊同時進(jìn)行比選測試的測試模型。

1 定位模塊測試模型分析

1.1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理是：定位模塊/芯片通過搜索衛(wèi)星，計算模塊與衛(wèi)星之間的距離和方向，即有向距離，可以用向量來表示；當(dāng)定位模塊接收到多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時，就可以計算出當(dāng)前的位置，即數(shù)學(xué)向量學(xué)中的兩條直線相交時，其交點是確定的，當(dāng)然不能簡單地使用兩顆衛(wèi)星，一般需要4顆及以上的衛(wèi)星才能完成定位[3]。如圖1所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)，可以測定北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號到達(dá)接收機(jī)的時間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)就可以確定以下4個方程式。

圖1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位

在上述4個方程式中，待測點坐標(biāo)x、 y、 z和Vto為未知參數(shù)。其中，di=c△ti（i=1、2、3、4）；di（i=1、2、3、4）分別為衛(wèi)星1-4與接收機(jī)之間的距離；△ti（i=1、2、3、4）分別為衛(wèi)星1-4的信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時間；c為GPS信號的傳播速度 （即光速）。另外，各個參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)；xi、yi、zi（i=1、2、3、4） 分別為衛(wèi)星1-4在t時刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得；Vti（i=1、2、3、4） 分別為衛(wèi)星1-4的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供；Vto為接收機(jī)的鐘差。由以上4個方程即可解算出待測點的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vto。

1.2 定位模塊的實際道路測試模型分析

根據(jù)以上的定位原理，我們來設(shè)計實際道路的測試模型。首先，定位模塊至少有兩個：一個定位模塊作為被測模塊，一個定位模塊作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，我們稱為標(biāo)準(zhǔn)模塊；兩個定位模塊在同一地點、同一時刻接收相同的衛(wèi)星定位信號。然后，根據(jù)定位模塊自己的定位算法，計算出定位信息，即經(jīng)度、緯度和高度。通過比較兩個定位信息的差來鑒定被測模塊的定位能力。因此，作為標(biāo)準(zhǔn)的定位模塊的定位能力必須要比其他定位模塊的定位能力強(qiáng)，不然不足以作為標(biāo)準(zhǔn)模塊[4]。在我們的測試模型中，選擇高精度的RTK慣導(dǎo)組合，這里不再贅述慣導(dǎo)和RTK的原理，一般要根據(jù)實際的需要來確定選用何種組合作為標(biāo)準(zhǔn)模塊，高精度RTK慣導(dǎo)組合是目前業(yè)界定位精度最高的設(shè)備，是在GPS定位信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合RTK差分信號和慣導(dǎo)信息，對定位信息進(jìn)行修正，得到一個更高精度的組合定位信息，因而能使定位模塊的定位精度得到很大的提高。

由于在整個定位過程中需要比較計算很多組數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)比較端我們需要通過軟件來進(jìn)行計算。但是，計算過程卻比較簡單，就是先計算出被測模塊的單點定位信息與標(biāo)準(zhǔn)信息的差值，即誤差，然后再計算出多組誤差的算術(shù)平均值即可。

因此，本次實際道路測試的模型如圖2所示，該模型的具體的工作過程如下所述。

圖2 定位模塊的實際道路測試模型

首先，通過衛(wèi)星天線，將導(dǎo)航信號傳輸?shù)焦Ψ制?；功分器將?dǎo)航信號復(fù)制成兩份相同的導(dǎo)航信號分別給被測模塊和標(biāo)準(zhǔn)模塊，被測模塊根據(jù)導(dǎo)航信號計算出定位信息，并將該信息發(fā)給評估軟件；標(biāo)準(zhǔn)模塊則使用GPS模塊進(jìn)行定位計算。然后，再結(jié)合RTK的差分信號和慣導(dǎo)的定位信息進(jìn)行組合定位。最后，將組合定位信息發(fā)給評估軟件，由于實際道路的測試過程是一個連續(xù)的動態(tài)過程，一般一個場景的測試將持續(xù)20 min，將會有1000多組定位數(shù)據(jù)，所以在測試過程中需要設(shè)定同步信號，它由評估軟件統(tǒng)一發(fā)出，即在開始進(jìn)行定位時，由評估軟件統(tǒng)一 “開始”接收定位數(shù)據(jù)，并在開始的同時插入一個同步信號標(biāo)識。

1.3 實際道路測試環(huán)境的搭建

車載測試環(huán)境分為兩部分：一部分為被測件組，另一部分為對照組；被測件組與對照組同用一個導(dǎo)航信號源，即來自車頂架設(shè)的多模衛(wèi)星接收天線所接收的北斗衛(wèi)星信號。輔助設(shè)備有：可支持4 h以上的移動交流電源，可提供穩(wěn)定的交直流變壓直流電源、車載錄像機(jī)和車載設(shè)備機(jī)架。實際道路測試環(huán)境的連接方式如圖3所示，具體的操作步驟如下所述。

a）第1步，準(zhǔn)備測試用車，測試車輛的車廂空間應(yīng)足夠大，以便放置測試設(shè)備。

b）第2步，安裝對照組設(shè)備。

1）安裝計速器，使用精確的里程計，將計速磁條安裝到汽車其中一個后輪的內(nèi)鼓中，并安裝感應(yīng)頭，將感應(yīng)數(shù)據(jù)傳至慣導(dǎo)儀；

2）安裝衛(wèi)星接收天線，在測試車頂部的中軸線附近分別安裝兩個衛(wèi)星接收天線，一前一后，與車輛前進(jìn)方向同向，分別為前衛(wèi)星天線和后衛(wèi)星天線，前衛(wèi)星天線為GPS接收天線，后衛(wèi)星天線為多模接收天線；

3）安裝慣導(dǎo)儀，將慣導(dǎo)儀安裝于車廂內(nèi)部，位置介于前衛(wèi)星天線和后衛(wèi)星天線投影連線的中間，并置于車廂地板固定，接入前衛(wèi)星導(dǎo)航信號 （GPS）；

4） 安裝導(dǎo)航計算機(jī) （PCS），將PCS固定于車廂地板上，并接入里程計、前衛(wèi)星天線和慣導(dǎo)儀等設(shè)備的數(shù)據(jù)信號；

5）安裝電臺接收器，將接收天線置于車廂外頂部，將信號線接入車廂內(nèi)的電臺接收器，電臺接收器將接收到的基站差分信號放大和解調(diào)后再輸入PCS中；

6）接入后衛(wèi)星天線的導(dǎo)航信號，多模衛(wèi)星天線用于接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，在經(jīng)過功分器后，與被測件組共用同一種導(dǎo)航信號；

7）安裝PCS控制端，PCS控制端為一個便攜式計算機(jī)，安裝有導(dǎo)航信息綜合顯示軟件，控制端與PCS間由網(wǎng)線連接。

c）第3步，安裝被測件組設(shè)備，被測件組分為3個部分：前置信號收集設(shè)備、被測芯片信息處理系統(tǒng)和測試評估系統(tǒng)。

圖3 實際道路測試環(huán)境連接圖

1）安裝前置信號收集設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航信號源從后衛(wèi)星天線引入，經(jīng)過偏置盒 （又稱為加電盒或北斗低噪聲放大器）后經(jīng)低噪放大器和衰減器，將二級放大濾波后的信號傳至功分器；

2）安裝被測芯片，將被測芯片的輸入端從功分器的其中一個輸出端接入，輸出端為串口，連接至串口服務(wù)器上；

3）安裝測試評估系統(tǒng)，測試評估系統(tǒng)軟件安裝在公開的便攜式筆記本上，通過網(wǎng)線將串口服務(wù)器與筆記本電腦相連接，可收集被測件的輸出導(dǎo)航信息，在收集完成所有的測試任務(wù)后，由測試評估軟件將所收集到的被測件的導(dǎo)航信息與對照組的導(dǎo)航信息進(jìn)行比較后獲得評估結(jié)果。

d）第4步，測試執(zhí)行，所有的設(shè)備安裝完成之后，進(jìn)入測試階段，測試階段分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩個階段。

1）測試小組組成，車載測試人員由一名司機(jī)、兩名測試工程師和一名行駛路線導(dǎo)航員組成；

2）靜態(tài)測試，測試及評估方法見測試規(guī)范；

3）動態(tài)測試，測試及評估方法見測試規(guī)范，測試工程師分別負(fù)責(zé)采集GPS對照組的導(dǎo)航信息和采集被測件信息，每個場采集點不低于1000點，為了保證采集點的數(shù)量，以被測件所采集的信息點為標(biāo)準(zhǔn)，GPS對照組的信息點采集的時間和數(shù)量 （以時間戳間隔計算）均要大于被測件的信息點采集數(shù)量；

4）測試數(shù)據(jù)的匯總和處理。

2 測試方法及測試場景分析

2.1 靜態(tài)定位精度測試

2.1.1 靜態(tài)測試概述

靜態(tài)測試要求被測件處于固定的靜止位置，采用一個不具備多徑抑制功能的兼容性天線做為公共信號源，被測件要求在1 PPS信號上升沿秒邊界輸出NMEA數(shù)據(jù)，被測件的定位結(jié)果輸出頻度為1 Hz（1次/s），定位時刻截斷毫秒，即僅取hhmmss，不進(jìn)行毫秒的舍和入，采集的定位信息點的數(shù)量不少于9000個。

在采集定位信息點時，應(yīng)以被測件所采集的定位信息點為準(zhǔn)，所參考的GPS高精度差分接收機(jī)的采樣定位信息點所標(biāo)識的場景標(biāo)記須大于被測件的定位信息點，即GPS高精度差分接收機(jī)采樣場景標(biāo)記所標(biāo)識的測試時間段包含被測件定位信息的采集時間段。

2.1.2 測試目的

測試模塊BD2在靜止?fàn)顟B(tài)下的實際功能和性能表現(xiàn)。

2.1.3 測試方法

將多個待測模塊同時放置在開闊地點，從冷啟動一定時間后開始，進(jìn)行靜態(tài)實測。主要是為了使系統(tǒng)定位穩(wěn)定后再開始測試，以免影響測試結(jié)果。實測過程中要獲取足夠多的數(shù)據(jù)，一般在靜態(tài)下的定位精度需要獲取1000個點以上的定位數(shù)據(jù)[5]。具體的操作方法可以根據(jù)實際的情況來定，將模塊輸出的NMEA語句通過串口保存到路測測試平臺上，相關(guān)事項如下所述。

a）測試參考來源

將已知的天線中心所在點的定位信息 （由測繪局的測試所得）作為標(biāo)準(zhǔn)參考值。

b）天線安裝

采用一個不具備多徑抑制功能的兼容性天線，用功率分配器將信號接入各個待測模塊中。

c）NMEA數(shù)據(jù)輸出

將所有的待測模塊通過串口擴(kuò)展器，與測試平臺連接，確保各個模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的同步性。各個模塊要求在1 PPS信號上升沿秒邊界輸出NMEA數(shù)據(jù)。設(shè)置模塊定位結(jié)果的輸出頻度為1 Hz。定位時刻截斷毫秒，即僅取hhmmss[6]，不進(jìn)行毫秒的舍和入。

2.1.3 評估方法

a）水平定位誤差

將待測模塊測試的經(jīng)緯度與已知的天線中心所在點的經(jīng)緯度進(jìn)行比較，得到水平定位誤差。

b）高程定位誤差

高程定位誤差主要是為了測試模塊高程的定位偏移距離，并將待測模塊測試的高度與已知的天線中心所在點的高度進(jìn)行比較，得到高程定位誤差。

2.2 動態(tài)定位測試

2.2.1 動態(tài)測試概述

動態(tài)測試要求被測件依次進(jìn)入7種場景中進(jìn)行測試，每次測試須采集不低于1000個定位信息點。

在采集定位信息點時，應(yīng)以被測件所采集的定位信息點為準(zhǔn)，所參考的GPS高精度差分接收機(jī)的采樣定位信息點所標(biāo)識的場景標(biāo)記須大于被測件的定位信息點，即GPS高精度差分接收機(jī)采樣場景標(biāo)記所標(biāo)識的測試時間段包含被測件定位信息的采集時間段。

2.2.1 測試目的

為了測試模塊BD2在真實的應(yīng)用場景下的功能和性能表現(xiàn)，擬選定幾種場景綜合測試模塊的水平定位誤差、高程定位誤差、成功定位概率和測速誤差。

2.2.2 測試方法

將多個待測模塊同時安裝在同一輛路測車上，在相同的環(huán)境下進(jìn)行長時間的道路實測，將模塊輸出的NMEA語句通過串口保存到路測測試平臺上，相關(guān)事項如下所述。

a）測試結(jié)果參考來源

將RTK+INS組合導(dǎo)航接收機(jī)的輸出結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)參考值。

b）天線安裝

采用一個不具備多徑抑制功能的兼容性天線，用功率分配器將信號接入各個待測模塊中。

c）NMEA數(shù)據(jù)輸出

將所有的待測模塊通過串口擴(kuò)展器，與測試平臺連接，確保各個模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的同步性。各個模塊要求在1 PPS信號上升沿秒邊界輸出NMEA數(shù)據(jù)，設(shè)置模塊的定位結(jié)果輸出頻度為1 Hz。定位時刻截斷毫秒，即僅取hhmmss，不進(jìn)行毫秒的舍和入。

d）路況記錄

路測車上安裝有1個攝像頭，攝像頭朝向車前進(jìn)正前方，錄制實時路況信息。

e）測試場景

整個跑車線路結(jié)合實際測試執(zhí)行的可行性，覆蓋以下場景，如表1所示。

表1 測試場景

2.2.3 評估方法

a）水平定位誤差

將待測模塊測試的經(jīng)緯度與RTK組合接收機(jī)的參考經(jīng)緯度進(jìn)行比較。

b）高程定位誤差

將待測模塊測試的經(jīng)緯度高程與RTK組合接收機(jī)的參考經(jīng)緯度高程進(jìn)行比較。

c）成功定位概率

成功定位的概率是指測試模塊在各種路況下能夠成功定位的概率。成功定位概率是成功定位概率=成功定位次數(shù)/總運行時間。其中，成功定位次數(shù)即RMC語句輸出標(biāo)記為 “A”，而且定位誤差在100 m（包括100 m）范圍內(nèi)的定位，總運行時間即從平臺下發(fā)指令開始到平臺停止接收定位結(jié)果為止的這段時間。

d）測速誤差

主要是為了考核模塊在各種路況下的測速誤差，將待測模塊輸出的速度與RTK參考速度進(jìn)行比較。

2.4 測試場景分析

本次實際道路測試的測試場景選取了開闊地、隧道、轉(zhuǎn)彎、橋梁地形、城市峽谷、高速公路和濃密樹蔭等7種特殊地形。

在進(jìn)行實際道路測試時，每個場景都要獲取1000個定位數(shù)據(jù)，每獲取一個定位數(shù)據(jù)的時間為1 s左右，獲取1000個定位數(shù)據(jù)則需要1000 s，大約為20 min。進(jìn)行隧道場景的測試時，要求隧道足夠長，至少為500 m，以方便掉頭；轉(zhuǎn)彎場景的彎道要足夠大，直徑至少為50 m，否則容易造成疲勞駕駛，而且彎道上是沒有紅綠燈的；橋梁地形一般選擇高架橋；城市峽谷則要求道路比較窄，一般一邊兩車道，兩邊均是高樓大廈，這樣從視覺上就會形成一種峽谷的感覺；高速公路則選擇封閉的路段，注意選擇時要考慮是否掉頭這一問題；濃密樹蔭場景測試則要選取兩旁有遮天蔽日的樹蔭的道路，樹蔭連成一片為最佳。

在每個場景均要行駛20 min，一般路段沒有這么長，所以要充分考慮路段的調(diào)頭功能，以及高峰時期的堵車情況。每個場景的測試時間為20 min，則7個場景的總測試時間為140 min，再加上場景轉(zhuǎn)換過程中的時間，一次測試下來所需要的時間大概為180 min，即3 h，所以在進(jìn)行場景路段的選擇時必須要仔細(xì)分析路段的各種情況，以及場景路段之間的銜接問題。

3 比對測試方法的改進(jìn)

與以往的測試環(huán)境相比，本次設(shè)計的測試環(huán)境引入了比對測試功能，可以支持多個被測件同時進(jìn)行測試，很好地解決了被測對象同時享有同等的測試輸入和測試環(huán)境這一問題，就不需要進(jìn)行多次測試，畢竟一次測試需要的時間很長，而且多次測試容易造成疲勞駕駛，使測試的危險系數(shù)增大。

為保證多個被測對象同時進(jìn)行測試，首先，必須解決信號問題 （這里的衛(wèi)星定位信號是模擬信號，不是數(shù)字信號，不能單純地復(fù)制信號，所以需要使用放大器將定位信號放大至適合的倍數(shù)）；然后，再分解成多個同等的信號供給被測件 （信號放大后容易受到干擾，所以這里需要使用偏置盒對信號進(jìn)行微調(diào)和過濾）。

4 結(jié)束語

首先，本文介紹了衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理和實際道路測試模型；其次，介紹了測試模型的實現(xiàn)方法和方式；最后，分析了實際測試的部分場景的測試結(jié)果。通過對雙模定位模塊的實際道路測試模型的研究，成功地研究出了雙模模塊的道路測試方法和測試環(huán)境；同時引入了多個模塊比對測試的概念，使該測試模型的效率得到很大的提高，并且在一定程度上提高了比對測試過程中的公平性。

[1]冉承其.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展計劃的實施 [J].數(shù)字通信世界， 2011 （6）： 15-17.

[2]陳新保.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用市場建設(shè)的思考 [J].中國航天， 2010 （1）： 17-21.

[3]李俊鋒.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)之比較分析 [J].北京測繪，2007（1）：51-53.

[4]馮陽萍.論北斗導(dǎo)航在道路運輸業(yè)的應(yīng)用 [J].電子測試， 2014 （1）： 134-136.

[5]魏子卿.我國大地坐標(biāo)系的換代問題 [J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版）， 2003， 28 （2）： 138-143.

[6]范龍，柴洪洲.北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度分析方法研究 [J].海洋測繪，2009，29（1）：25-27.