彭 明 王 田 薛仁魁 楊文彬 武新波 黃子濤

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086)

1 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和在生產(chǎn)生活領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，用戶對(duì)導(dǎo)航終端的應(yīng)用體驗(yàn)要求越來(lái)越高，不僅要求在開闊的應(yīng)用場(chǎng)景下定位快速準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)城區(qū)高樓林立、高架橋、林蔭路及室內(nèi)弱導(dǎo)航信號(hào)應(yīng)用場(chǎng)景下的快速定位提出了強(qiáng)烈需求。因此，為了提高導(dǎo)航終端對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的捕獲概率，縮短首次定位時(shí)間，提高靈敏度，產(chǎn)生了輔助導(dǎo)航技術(shù)(A-GNSS)。

一般意義上的輔助導(dǎo)航技術(shù)是利用公共網(wǎng)絡(luò)的GPRS/GSM/CDMA等通信技術(shù)，通過在導(dǎo)航終端中添加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊來(lái)傳輸定位所需的星歷歷書以及控制信號(hào)等輔助參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為開展此類驗(yàn)證需搭建基于網(wǎng)絡(luò)基站服務(wù)器的測(cè)試系統(tǒng)，成本高。本文基于導(dǎo)航信號(hào)模擬器，利用基準(zhǔn)站接收機(jī)傳送輔助數(shù)據(jù)(星歷信息及時(shí)間信息)的方式，構(gòu)建輔助導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)，提出了一種新的輔助導(dǎo)航測(cè)試方法，對(duì)接收機(jī)利用輔助數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速定位進(jìn)行了驗(yàn)證。

首次定位時(shí)間(TTFF)是指接收機(jī)啟動(dòng)后至給出第一個(gè)滿足定位精度要求結(jié)果所需的時(shí)間，影響它的主要兩個(gè)因素是對(duì)多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)捕獲的快慢和獲取有效星歷的時(shí)間長(zhǎng)短。利用輔助導(dǎo)航技術(shù)，提前將輔助信息傳輸?shù)浇邮諜C(jī)上，幫助接收機(jī)實(shí)現(xiàn)快速信號(hào)捕獲和定位[1]。本文著重介紹了一套室內(nèi)輔助導(dǎo)航模擬測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)接收機(jī)輔助導(dǎo)航快速捕獲性能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證[2]。

2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器，利用高精度接收機(jī)構(gòu)建輔助導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)接收機(jī)輔助導(dǎo)航快速定位性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

選用湖南矩陣電子生產(chǎn)的雙通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器，該模擬器具備兩個(gè)射頻輸出口，可仿真同一時(shí)間不同地點(diǎn)的場(chǎng)景類型，可進(jìn)行RTK等模擬信號(hào)測(cè)試；此外選用商用高精度接收機(jī)作為基準(zhǔn)站接收機(jī)，接收模擬器播發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，定位后生成包括星歷和時(shí)間信息的輔助數(shù)據(jù)，被測(cè)接收機(jī)同時(shí)接收模擬器導(dǎo)航信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行快速捕獲定位，提高啟動(dòng)時(shí)間[3]。測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 輔助導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition diagram of assisted navigation test system

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器

如圖2所示，選用湖南矩陣電子生產(chǎn)的GNS 8450雙通道模擬器，能接收仿真機(jī)傳輸?shù)奈恢?、速度、加速度等信息，模擬在軌的位置分布和運(yùn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文等，根據(jù)姿態(tài)、接收機(jī)天線布置、天線方向圖等因素，模擬接收機(jī)接收到的不同信號(hào)的到達(dá)入射角、強(qiáng)弱和延時(shí)，具備對(duì)接收機(jī)性能的全面測(cè)試和評(píng)估功能。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器Fig.2 Satellite navigation signal simulator

2.2 基準(zhǔn)站接收機(jī)

如圖3所示，選用和芯星通UR380高精度接收機(jī)，該接收機(jī)使用基于Nebulas TM 多系統(tǒng)多頻率高性能SoC 芯片，支持三系統(tǒng)八頻點(diǎn)，提供藍(lán)牙、WIFI、WCDMA 3G 數(shù)據(jù)模塊，能夠輕松實(shí)現(xiàn)PC或是智能手機(jī)、PDA 對(duì)接收機(jī)的訪問操作，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，支持RTCM 3.2協(xié)議。

圖3 高精度接收機(jī)Fig.3 High precise receiver

高精度接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)定位后，通過RS232串口輸出輔助數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)格式為RTCM 3.2協(xié)議里規(guī)定的多信號(hào)信息類型MSM 4(63和1124信息類型)，輔助數(shù)據(jù)包含當(dāng)前仿真場(chǎng)景位置下的星歷和時(shí)間信息。

2.3 被測(cè)接收機(jī)

如圖4所示，被測(cè)接收機(jī)選用北斗全球信號(hào)射頻基帶一體化集成芯片，該芯片是針對(duì)手機(jī)、可穿戴式設(shè)備、車載導(dǎo)航和車載監(jiān)控、授時(shí)等千萬(wàn)級(jí)規(guī)模的消費(fèi)類或行業(yè)類應(yīng)用市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)化需求而設(shè)計(jì)，兼容北斗全球體制信號(hào)，支持輔助導(dǎo)航及差分增強(qiáng)。

圖4 被測(cè)接收機(jī)Fig.4 Tested receiver

3 測(cè)試流程

為驗(yàn)證被測(cè)接收機(jī)利用輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行快速定位，測(cè)試場(chǎng)景選用兩個(gè)場(chǎng)景，場(chǎng)景信息如下：

(1)衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層時(shí)延、對(duì)流層時(shí)延等誤差參數(shù)設(shè)置為無(wú)時(shí)變誤差模式；

(2)衛(wèi)星星座設(shè)置：5顆可見BDS衛(wèi)星(2GEO+3非GEO)，滿足PDOP≤5[4]；

(3)用戶軌跡模型：最大動(dòng)態(tài)(2m/s，0.05g)；

(4)RF輸出設(shè)置：?jiǎn)蜝DS模式，設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)輸出B1I頻點(diǎn)信號(hào)；

(5)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)至被測(cè)設(shè)備射頻輸入口信號(hào)功率為-133dBm。

兩個(gè)場(chǎng)景差異在于兩個(gè)場(chǎng)景距離相距1000km以上，時(shí)間相差7天以上。

圖5 輔助導(dǎo)航測(cè)試流程圖Fig.5 Flow chart of assisted navigation test

測(cè)試流程如圖5所示。測(cè)試流程中，首先發(fā)送指令，模擬器啟動(dòng)場(chǎng)景仿真播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，基準(zhǔn)站接收機(jī)接收信號(hào)進(jìn)行定位，3min內(nèi)完成高精度定位，同時(shí)往外播發(fā)輔助數(shù)據(jù)；3min后控制測(cè)試系統(tǒng)給被測(cè)接收機(jī)加電，接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)，2min內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位；隨后被測(cè)接收機(jī)斷電500s，期間改變4顆可見星，使接收機(jī)星歷失效，這一步的作用是根據(jù)接收機(jī)所用內(nèi)部晶振守時(shí)精度，經(jīng)過500s后接收機(jī)內(nèi)部晶振時(shí)間偏差將達(dá)到10ms左右，相當(dāng)于星歷和時(shí)間輔助精度10ms；然后被測(cè)接收機(jī)重新加電，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，被測(cè)接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)(星歷和時(shí)間輔助精度10ms)，測(cè)量被測(cè)接收機(jī)從計(jì)時(shí)開始到第一個(gè)滿足定位精度要求的時(shí)間間隔，即為啟動(dòng)時(shí)間。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)北斗專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)BD 420005-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)導(dǎo)航單元性能要求及測(cè)試方法》，對(duì)接收機(jī)輔助定位啟動(dòng)時(shí)間和無(wú)輔助冷啟動(dòng)時(shí)間分別進(jìn)行了十次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

圖6 測(cè)試結(jié)果對(duì)比示意圖Fig.6 Composition contrast diagram of test results

從以上輔助定位和無(wú)輔助定位下啟動(dòng)時(shí)間對(duì)比可以看出，利用基準(zhǔn)站接收機(jī)播發(fā)的符合RTCM 3.2協(xié)議的輔助星歷和時(shí)間數(shù)據(jù)，被測(cè)接收機(jī)能得到多普勒頻移的預(yù)測(cè)值，實(shí)現(xiàn)了精確輔助定位，縮短了信號(hào)捕獲的時(shí)間，進(jìn)而極大縮短了接收機(jī)的首次定位時(shí)間，證明了基于模擬器的這種輔助導(dǎo)航測(cè)試方法的合理性和可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于模擬器輔助導(dǎo)航測(cè)試，介紹了輔助導(dǎo)航下導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲原理，詳細(xì)描述了基于模擬器的輔助導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試流程，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了此種輔助導(dǎo)航測(cè)試方法的可行性。

基于模擬器的輔助導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)成本低且易于構(gòu)建，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，在2018年中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室組織的北斗全球信號(hào)射頻基帶一體化集成芯片測(cè)評(píng)中成功得到了應(yīng)用，可作為后續(xù)輔助導(dǎo)航研發(fā)測(cè)試的評(píng)估手段。