王細(xì)欽,戴煒航,駱 建

( 廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 河源 517001)

基于GNSS接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的定位產(chǎn)品檢測理論研究

王細(xì)欽,戴煒航,駱 建

( 廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 河源 517001)

隨著GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展,特別是隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式運(yùn)行及完善,導(dǎo)航定位產(chǎn)品由支持單模GPS向支持雙?；蚨嗄０l(fā)展,但是導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式并未統(tǒng)一,主要是根據(jù)NMEA-0183為主修改。針對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行理論性研究并給出相應(yīng)測試的依據(jù)。

GNSS；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GPS；NMEA-0183

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球及區(qū)域性范圍內(nèi)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，例如美國全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、日本QZSS、印度IRNSS;衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)，例如美國WAAS(廣域增強(qiáng)系統(tǒng))、歐洲EGNOS(歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng))和日本MSAS(多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)),還包含未來新建的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前世界上有多個導(dǎo)航系統(tǒng),但導(dǎo)航定位產(chǎn)品定位數(shù)據(jù)并未統(tǒng)一。北斗系統(tǒng)未啟用服務(wù)之前，市面上多數(shù)導(dǎo)航定位產(chǎn)品是基于GPS的單模定位系統(tǒng),導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式為NMEA-0183。自中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式運(yùn)行以來,越來越多的產(chǎn)品支持雙模或者多模系統(tǒng),但是導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式并未統(tǒng)一,廠商根據(jù)NMEA-0183自定義數(shù)據(jù)輸出格式,所以很多產(chǎn)品輸出的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)相似但有差別。導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)是測試導(dǎo)航定位產(chǎn)品的定位、測速精度這些關(guān)鍵指標(biāo)的重要依據(jù),本文對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行研究并推出相應(yīng)的測試方法。

1 北斗及GPS系統(tǒng)

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

BDS是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶端三部分組成,可以在全球范圍內(nèi)全天候?yàn)楦黝愑脩籼峁└呔?、高可靠定位、?dǎo)航、授時(shí)服務(wù),目前已具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)的能力,定位精度10m,測速精度0.2m/s,授時(shí)精度20ns。

1.2 GPS全球定位系統(tǒng)

美國GPS自19世紀(jì)70年代在子午衛(wèi)星系統(tǒng)基礎(chǔ)上開始研制,并于1995年12月28日起開始提供完整服務(wù)。GPS空間段由位于6個軌道面的24顆衛(wèi)星構(gòu)成,衛(wèi)星軌道面與地球赤道面之間的夾角為55°。GPS控制段由1個主控站、4個注入站和6個監(jiān)測站組成。用戶端為各種GPS接收機(jī)。

2 導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式

現(xiàn)階段,國際上通用的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)都是由各應(yīng)用協(xié)會自行制定的,目前主要的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有由美國海洋電子協(xié)會發(fā)布的接收機(jī)和其他航海電子產(chǎn)品的導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出格式NMEA-0183,目前最新的版本為2012年發(fā)布的NMEA-0183 Version4.10,其升級了不同導(dǎo)航及通信設(shè)備協(xié)議“語句”,并更新了對Galileo系統(tǒng)的兼容,其中并未涉及中國北斗系統(tǒng)的信息。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室批準(zhǔn)并于2015年11月1日實(shí)施BD 410004-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》,其參考NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)。兩種標(biāo)準(zhǔn)的格式數(shù)據(jù)都采用ASCII文本符來表示,由起始定界符“$”或“！”、終止符及它們之間的字符組成。其通用格式如:$AABBB,<1> ,<2> ,…,<12> * hh 。AABBB為地址字段,<1>,…,<12>為數(shù)據(jù)字段,數(shù)據(jù)字段用“,”隔開,hh為校驗(yàn)和字段。

3 導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本次用于采集不同定位產(chǎn)品導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的測試系統(tǒng)框圖如圖1所示,系統(tǒng)可通過轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)際的衛(wèi)星信號進(jìn)行測試,也可由衛(wèi)星信號模擬源發(fā)出模擬衛(wèi)星信號,接收機(jī)接收衛(wèi)星信號并將導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)反饋回控制計(jì)算機(jī)。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

4 定位產(chǎn)品輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)與導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)比較

目前常用的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式有NMEA-0183,NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association，NMEA)定義的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議;而中國結(jié)合BDS也發(fā)布了中國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)BD 410004-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》(下稱北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式),其是由中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),后者是依托前者并根據(jù)中國實(shí)際運(yùn)用而修訂。北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA-0183相比，增加部分字段對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行兼容,選取了NMEA-0183中北斗導(dǎo)航系統(tǒng)需要用到的語句。在實(shí)際導(dǎo)航定位產(chǎn)品中，常用的語句為GGA、RMC、GSA、GSV、VTG、GLL、ZDA和TXT等8條,因此主要以這8條來比較。

4.1 常用定位數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)比較

經(jīng)比較,北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA-0183的GGA、VTG、GLL、ZDA、TXT相同,而北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA-0183的RMC相比多了1個導(dǎo)航狀態(tài)字段,北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA 0183的GSA、GSV相比多了GNSS系統(tǒng)標(biāo)示符字段。本文對市面上較常使用的汽車行駛記錄儀、GNSS接收機(jī)、GNSS定位模塊等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,分別為GNSS接收機(jī)A、汽車行駛記錄儀B、汽車行駛記錄儀C、汽車行駛記錄儀D及GNSS定位模塊板E號測試機(jī)。

4.2 不同定位產(chǎn)品輸出定位數(shù)據(jù)比較

4.2.1 GGA定位數(shù)據(jù)語句

如表1所示,比較產(chǎn)品中,混合定位常使用GGA語句,GGA為定位信息。其中A、B、C輸出定位數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183及北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式相同,汽車行駛記錄儀D、GNSS定位模塊板E則多了1個VDOP字段,VDOP為垂直精度因子,即表1中標(biāo)出下劃線的字段。2份標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定混合定位用GNS語句,單模定位時(shí)使用GGA語句,但在比較產(chǎn)品中GNS語句并沒有實(shí)際使用,而依舊采用GGA語句。

表1 GGA定位數(shù)據(jù)語句

4.2.2 RMC定位數(shù)據(jù)語句

如表2所示,RMC為最小推薦定位信息,由比較產(chǎn)品的RMC語句可以得出,除測地型接收機(jī)A不參與比較和汽車行駛記錄儀C少了模式指示字段以外,其余被測產(chǎn)品與NMEA-0183大致相同。表2中下劃線字段為模式指示,其中模式指示字段中A表示自主定位、D表示差分定位、E表示估算定位、N表示數(shù)據(jù)無效等。

表2 RMC定位數(shù)據(jù)語句

4.2.3 GSA定位數(shù)據(jù)語句

如表3所示,GSA定位數(shù)據(jù)語句是表征GNSS精度因子(DOP)和有效衛(wèi)星的語句,比較產(chǎn)品中的GSA語句。其中除去汽車行駛記錄儀B不輸出該語句外,汽車行駛記錄儀D、GNSS定位模塊板E與測地型接收機(jī)A、汽車行駛記錄儀C相比較,除了正常的位置精度因子、水平精度因子和垂直精度因子以外還多了TDOP字段,即鐘差精度因子,如表3中下劃線字段所示,其他字段與NMEA-0183相同。

表3 GSA定位數(shù)據(jù)語句

4.2.4 GSV定位數(shù)據(jù)語句

GSV語句包含了可視衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星標(biāo)志號、仰角、方位角、載噪比等信息。如表4所示,比較產(chǎn)品中的GSV與NMEA-0183相同,GSV為可見衛(wèi)星信息,但是不同產(chǎn)品北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星標(biāo)識號輸出不同。測地型接收機(jī)A用1XX表示北斗衛(wèi)星,汽車行駛記錄儀C用2XX表示北斗衛(wèi)星,汽車行駛記錄儀D和GNSS定位模塊板E則用XX來表示北斗衛(wèi)星。

表4 GSV定位數(shù)據(jù)語句

Tab.4 GSV location data statement

語句產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容GSV測地型接收機(jī)A＄GPGSV，9，1，28，2，11，143，42，21，37，318，46，20，55，019，51，29，31，231，45?40＄GPGSV，9，2，28，5，25，078，46，18，22，305，43，15，65，352，52，13，36，032，46?4F＄GPGSV，9，3，28，24，46，166，50?49＄GLGSV，9，4，28，67，14，056，38，69，24，303，40，77，16，044，36，68，38，003，48?6B＄GLGSV，9，5，28，78，37，100，43，79，23，152，43，84，24，319，40，82，23，189，44?6E＄GLGSV，9，6，28，83，52，256，52?5A＄GBDGSV，9，7，28，102，43，240，40，103，60，190，45，104，32，112，39，105，23，255，37?2F＄GBDGSV，9，8，28，106，54，002，49，107，34，165，44，108，30，189，42，109，49，322，48?28＄GBDGSV，9，9，28，110，20，184，39，101，49，132，43?2A汽車行駛記錄儀B＄GPGSV，3，1，09，15，60，001，48，20，55，029，47，24，52，162，46，21，41，315，45?71＄GPGSV，3，2，09，13，31，034，45，29，27，225，44，18，24，309，44，05，22，083，43?70＄GPGSV，3，3，09，02，06，144，39?4F汽車行駛記錄儀C＄GPGSV，3，1，09，05，17，095，43，13，22，039，44，14，07，243，35，15，52，015，48?78＄GPGSV，3，2，09，18，31，318，46，20，56，050，48，21，51，308，45，24，64，151，49?7B＄GPGSV，3，3，09，29，20，216，43?4B＄BDGSV，3，1，10，201，49，131，46，202，42，240，43，203，60，190，46，204，32，112，44?6B＄BDGSV，3，2，10，205，23，254，41，206，55，011，47，207，44，166，46，208，21，190，41?6D＄BDGSV，3，3，10，209，48，330，46，210，27，186，42?63

續(xù)表語句產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容GSV汽車行駛記錄儀D＄GPGSV，3，1，11，02，06，144，41，03，66，195，20，05，22，083，44，10，35，322，47?7E＄GPGSV，3，2，11，13，31，034，45，15，60，001，48，18，24，309，44，20，55，029，46?7F＄GPGSV，3，3，11，21，41，315，45，24，52，162，46，29，27，225，44?44＄BDGSV，3，1，10，01，49，131，45，02，42，239，43，03，60，189，46，04，32，112，43?69＄BDGSV，3，2，10，05，22，254，40，06，54，004，46，07，36，164，44，08，28，189，42?6E＄BDGSV，3，3，10，09，48，323，45，10，21，184，40?64GNSS定位模塊板E＄GPGSV，4，1，15，04，55，055，25，05，16，096，41，08，50，018，24，10，43，335，48?7E＄GPGSV，4，2，15，12，04，154，38，13，19，040，42，14，08，244，36，15，50，018，48?71＄GPGSV，4，3，15，16，66，146，24，18，33，319，46，20，55，055，47，21，52，304，45?7B＄GPGSV，4，4，15，24，66，146，47，26，50，018，22，29，17，213，42?48＄BDGSV，3，1，10，01，49，131，45，02，42，239，43，03，60，189，45，04，32，112，44?6D＄BDGSV，3，2，10，05，22，254，40，06，54，011，46，07，45，166，45，08，20，189，40?67＄BDGSV，3，3，10，09，48，331，45，10，28，186，42?6E

5 基于導(dǎo)航導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的定位精度測試方法

本文對定位精度的處理基于以下原理:直接用經(jīng)緯度計(jì)算兩點(diǎn)間距離和測量誤差時(shí),主要考慮2個參數(shù),即經(jīng)、緯度平均每一度的距離(弧長),緯度平均每一度的弧長大概是相等的,約為111000 m。而經(jīng)度平均每一度的弧長是隨著緯度變化而變化的。緯度越小經(jīng)向的弧長越大,反之,緯度越大經(jīng)向的弧長則越短。計(jì)算每一緯度所在經(jīng)向一度的弧長,如下:

其中,B為計(jì)算點(diǎn)所在的緯度(取到度),R為赤道半徑,r為極軸半徑,取R=6378137m,r=6356752m。

5.1 動態(tài)定位精度測試

如圖2所示,測地型接收機(jī)A和被測樣品行車記錄儀B放在標(biāo)準(zhǔn)速度車上繞CORS站運(yùn)行。測地型接收機(jī)A通過無線通信網(wǎng)接收CORS站的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行差分定位以獲得標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)和被測樣品的輸入到檢測計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件,經(jīng)過對導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的研究可知,導(dǎo)航定位產(chǎn)品在GGA和RMC語句上的經(jīng)緯度定位位置的字段是相同的,數(shù)據(jù)處理軟件通過比較同一時(shí)刻的經(jīng)緯度定位位置的數(shù)據(jù)以檢測其動態(tài)定位精度,軟件處理如圖3所示。

圖2 測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Test system block diagram

圖3 動態(tài)定位精度處理結(jié)果Fig.3 Dynamic positioning precision processing results

5.2 靜態(tài)定位精度測試

靜態(tài)定位精度比動態(tài)定位精度簡單,只需要將被測接收機(jī)放置到已知位置的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上采集導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),然后將輸出數(shù)據(jù)的定位位置字段與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的位置進(jìn)行比較即可獲得靜態(tài)定位精度。圖4所示為靜態(tài)定位精度處理結(jié)果。

圖4 靜態(tài)定位精度處理結(jié)果Fig.4 Static positioning precision processing results

6 結(jié)論

通過對目前市場上單模、雙模及多模導(dǎo)航定位終端的定位數(shù)據(jù)的分析及總結(jié),表明現(xiàn)有的民用市場上該類終端的定位數(shù)據(jù)語句多種多樣,未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因此對該類終端的互聯(lián)、數(shù)據(jù)交互和質(zhì)量檢測造成一定的困難,并且該差異還將存在一段時(shí)間。針對以上問題,本文以NMEA定義的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議NMEA-0183和由中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)BD 410004-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》為參照,對市場上常用導(dǎo)航定位終端的定位數(shù)據(jù)輸出語句進(jìn)行了系統(tǒng)性的比較,通過比較得到的結(jié)論是大部分終端的定位數(shù)據(jù)語句的主體是一致的,僅僅在一小部分字段上的定義存在差異,例如對北斗衛(wèi)星的標(biāo)識號不同、擁有授時(shí)功能的終端比無授時(shí)終端多了鐘差精度因子語句等局部差異,根據(jù)統(tǒng)計(jì)以上差異化覆蓋大部分民用終端,因此本文提出的根據(jù)輸出語句的初步判斷后,再通過調(diào)整自動化測試工具的對比字段符,從而達(dá)到快速精準(zhǔn)的測試,該方法也通過與其他實(shí)驗(yàn)室的比對試驗(yàn)驗(yàn)證是可行有效的。

[1] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2012.

[2] 清華大學(xué). BD 410004-2015 北斗_全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式[X].北京:中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室, 2015.

[3] 叢佃偉, 許其鳳. GNSS動態(tài)定位性能評價(jià)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)， 2016，4(2)：1-5.

[4] 張超, 范娟利, 章傳銀, 等.不同格式ASCII數(shù)據(jù)流解析方法研究[J]. 全球定位系統(tǒng)， 2014，39(1)：56-60.

[5] 王爾申, 李銳, 唐陽. GNSS性能測試方法研究與分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)， 2016，4(2)：21-25.

[6] 胡洪. GNSS精密單點(diǎn)定位算法研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[7] National Marine Electronics Association. NMEA 0183 Standard for interfacing marine electronic devices [X].American:National Marine Electronics Association, 2002.

[8] 胡立志, 董蓮, 陸福敏, 等.基于GPS模擬器的接收機(jī)測試方法研究[J]. 電子測量技術(shù), 2009, 32(6)： 127-130.

[9] NMEA 0183 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices V3.01.

[10] 肖遠(yuǎn)亮. NMEA-0183數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在GPS技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 物探裝備, 2003, 13(2)：127-133.

[11] 劉大杰, 施一民.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 1996.

Research on the Theory of Positioning Products Detection Based on GNSS Receiver Navigation and Positioning Data

WANG Xi-qin, DAI Wei-hang, LUO Jian

(Guangdong Telecommunications Terminal Products Quality Supervision and Testing Center,Heyuan, Guangdong 517001,China)

With the development of GNSS global navigation satellite system, especially with the operation and improvement of the BeiDou Navigation Satellite System, the mode the navigation and positioning products support goes from single-mode GPS to dual mode or multimode while the navigation and positioning data formats, whose major modification is based on NMEA-0183, are not unified. Research on the theory of the relevant standards and product data is performed, and the corresponding test methods are introduced.

GNSS；BeiDou Navigation Satellite System；GPS；NMEA-0183

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.012

2016-06-17；

2016-07-01。

王細(xì)欽(1991-)，男，助理工程師，主要從事通信終端產(chǎn)品的測試方法研究。E-mail:wxiqin@126.com

T-60

A

2095-8110(2017)01-0067-05