智能通用卫星导航数据分析工具

裴 峰，吕锡银，高秀云

智能通用卫星导航数据分析工具

裴 峰1,2，吕锡银1,2，高秀云1,2

（1.北京航天恒星科技有限公司, 北京 100086；2.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津 330452）

位置精度是星载全球卫星导航系统（GNSS）接收机重要的性能指标。在精度分析过程中，传统分析工具无法同时处理多种坐标系下的定位、定轨数据，且存在非整秒历元数据无法与理论文件匹配等问题。针对这些问题，提出拉格朗日滑动式插值方法，设计出一种智能通用的卫星导航数据分析工具。有效地解决了非整秒历元时刻无法匹配理论数据的缺陷问题。利用该工具，可将分析过程中多个环节高度整合，自动完成多种坐标系下的坐标转换，实现全过程的自动分析。经验证，该工具可以准确、高效地完成不同类型数据的精度分析工作，较传统分析方法效率提高两倍以上。

全球卫星导航系统；卫星导航数据；分析工具；精度分析

0 引言

随着我国卫星产业的蓬勃发展，卫星应用场景也日益丰富。星载全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）接收机作为卫星的重要组成部分，为卫星提供实时的位置信息。其输出位置的准确性直接影响卫星在轨工作状态，因此对其位置和精度的数据分析工作就显得非常重要。通常星载GNSS接收机工作在高动态轨道环境下，因此除基本的定位精度外，还涉及定轨精度。目前星载GNSS接收机在轨定位、定轨精度主要依靠地面站接收机获取的原始观测数据，结合卫星所受到摄动力的力学模型进行定轨解算，用多组星历参数拟合出卫星的轨道表达式，最终计算出卫星的坐标，得到高精度的实时定轨结果[1-4]。而在地面验证方面，当前国内外主要依靠导航仿真信号源，模拟用户在轨工作情况。同时信号源生成对应的理论文件，与GNSS接收机实际解算位置信息进行比对，作为评估其定位、定轨精度的指标。

星载GNSS接收机位置精度主要依靠地面环节开展验证工作。接收机向卫星平台中不同分系统及载荷，提供多种坐标系下的位置信息，在产品的地面验证过程中，需对此进行全面覆盖，多种坐标系下的位置信息必须通过相应的坐标转换才能得到统一[5]。此外，分析过程中还存在协议类型不一致，工具通用化程度不高，分析过程步骤繁琐等问题，使得星载GNSS接收机在数据分析过程占据了大量测试时间。为解决这些问题，亟需研究出一种通用的数据自动分析工具，能够快速、高效地完成数据分析工作，便于星载GNSS接收机产品的地面性能验证。

1 分析流程

一般数据分析过程主要涵盖数据提取、坐标系转换、拉格朗日插值、误差统计、可视化绘图5个步骤，具体流程见图1所示。

图1 数据分析流程

1）数据提取。根据不同接口协议，从数据包中提取出所需要的历元时刻，及对应时刻的位置、速度及时间（position velocity and time,PVT）数据。

2）坐标系转换。通常在地面测试时，是使用导航仿真信号源开展验证工作，其中理论位置、速度通常为1984世界大地坐标系（world geodetic coordinate system 1984,WGS84）下的数据。而星载GNSS接收机输出的数据，则有可能是在惯性系下的数据,例如开普勒六根数等形式。对位置、速度进行精度分析时，需将惯性系下的坐标数据转到WGS84坐标系下，在相同坐标系下才可与理论文件进行差值比较。

3）拉格朗日插值。转换后的位置、速度在相同坐标系下，与理论位置、速度进行匹配并求差。由于输出历元时刻存在非整秒时刻，如1.859999等，而理论数据通常为整秒时刻，此时就需通过插值算法将对应的非整秒时刻的理论数据计算出来。

4）误差统计。对求完差值的数据进行误差统计分析。当前误差统计主要使用均方根误差（root mean squared error,RMSE）统计方法，RMSE能够有效、准确的计算出统计数据的误差。

5）可视化绘图。对分析完的数据图形化显示，并自动保存。

以上5个步骤可以完成数据分析。当前分析手段通常还是采用手动方式，即使有一些可利用的工具，也是相互独立的，需要依靠人为操作才能够逐步完成，存在耗时、效率低下的问题。因此需设计新的软件工具，将以上步骤全部集成，自动完成提取、拉格朗日插值、坐标系转换等分析过程。

2 软件设计

根据图1所示的数据分析流程，设计出一种智能通用卫星导航数据分析工具，可以自动执行所有分析过程。整个工具软件数据流如图2所示。

图2 软件数据流

数据从前端经过总线板卡转换后，将1553总线、CAN总线、232总线、422总线等总线数据转换为用户数据报协议（user datagram protocol, UDP）数据，并按照协议解析后形成文本文件。以文本文件为导航数据分析软件的输入，经过软件匹配提取模块、坐标系转换模块、拉格朗日插值模块、RMSE统计分析模块、可视化绘图模块数据处理后，最终形成精度分析图，完成数据的分析过程。

2.1 匹配提取模块

本模块针对不同类型的测试数据，实现智能匹配及提取工作。根据任务要求，通过界面输入需要提取的特征参数，主要为PVT数据，包括历元整秒、历元小数秒、位置坐标（）及不同方向的速度（V、V、V）。通过分析提取数据的规律，将多组数据整合，提取共同特征参数，使得原本8个匹配特征参数整合为两个，减少了匹配搜索次数，提高了搜索效率。该模块通过改进后的顺序查找法，对输入文本进行搜索查找，最多可同时搜索4组参数，搜索流程如图3所示。

输入界面如图4所示。可以按照型号需求，输入对应的匹配参数，最多可输入4组对应的匹配值。

图3 匹配模块流程图

图4 匹配参数输入界面

通过界面输入所需提取的PVT匹配参数的名称，如图5所示，利用自定义输入方式，有效地解决了不同类型、协议数据提取方法不统一的问题，提高了软件的通用性。输入特征参数后，软件使用修改后的匹配搜索算法，自动按照历元时刻进行PVT数据提取。提取出有效参数后，将历元时刻、位置、速度信息存入对应数据文件中，为后续分析工作提供基础数据。需注意，此次提取出的数据可为任意坐标系下的任意形式。后续通过坐标系转换模块，将其转到与导航仿真信号源生成理论文件相同的坐标系下。

图5 输入匹配参数

2.2 坐标系转换模块

在卫星定位系统中，通常有两类坐标系，即天球坐标系与地球坐标系，它们分别用来描述地球卫星及地面观测站的空间位置[6]。航天器的位置信息中，常常输出国际天球参考坐标系（The International Celestial Reference System,ICRS）下的坐标，目前国际上以儒略日期地球动力学时（terrestrial dynamical time, TDT）2000年1月1日12时刻（Julian 2000,J2000）的天赤道与二分点用来定义天球参考坐标系，又称为J2000惯性系。导航仿真信号源生成的位置信息通常为地球坐标系WGS84下的坐标。因此在做精度分析时，需要将J2000惯性系下的数据转换到WGS84坐标系下[7]。

坐标系转换模块的主要功能是将星载GNSS接收机输出的J2000坐标系下的数据（如开普勒六根数等）转换到坐标系WSG84下，再与理论数据做差值分析。具体流程如图6所示。

图6 坐标系转换流程

模块实现过程中，按照图6所示流程，每个步骤通过相应的转换矩阵转换到下一坐标系，全过程利用4个转换矩阵，将J2000坐标系依次转换到瞬时平天球坐标系、瞬时真天球坐标系、瞬时极地心坐标系、协议地球坐标系，最终实现J2000坐标系向WGS84坐标系下的位置及速度转换，与导航仿真信号源中生成的理论文件一致，为后续精度分析做铺垫。

坐标系转换模块配置参数界面如图7所示。

图7 坐标转换配置界

通过界面输入所需要的轨道及对应为运动学模型参数，即可完成坐标转换的配置工作。随后，对匹配提取模块中提取的数据，自动完成相应坐标系的转换。

2.3 拉格朗日插值模块

拉格朗日插值模块主要是解决GNSS接收机输出导航定位数据中，存在非整秒时刻数据的题。使用拉格朗日多项式拟合方法，对非整秒数据进行插值，得到插值后对应的理论数据。

通常导航数据具有连续性，软件采用连续滑动式插值算法，避免了非滑动式插值算法带来的震荡，消除了“龙格”现象[9]。通过对软件的反复调试，最终确定采取8阶拉格朗日插值算法，形成对应滑动窗口，保持待插值的历元始终位于窗口中央[10]，能够同时满足插值精度与运算消耗的要求。对非整秒时刻理论数据进行插值，得到WGS84坐标系下的、V、V、V的拉格朗日插值理论数据，与同一时刻接收机输出的导航数据进行差值计算，最后得到每个历元时刻的三轴误差值。

2.4 RMSE统计分析模块

当前星载GNSS接收机精度分析基本都采用均方根误差（root mean square error, RMSE）。RMSE与标准差（standard deviation, STD）相比，RMSE不仅包含了偶然误差，而且还包含了系统误差，能够更加准确地体现统计数据的误差精度。RMSE的计算公式[11]为

2.5 可视化绘图模块

误差统计完成后，需对误差精度进行绘图显示，生成相应的精度示意图。矩阵实验室（matrix laboratory, MATLAB）在数值矩阵运算中有很大的优势，并且提供了强大的工具箱，在C/C++开发中，可以在可视工作室（visual studio, VS）下调用MATLAB函数而实现混合编程[12]。可视化绘图模块主要是通过VS调用MATLAB程序，利用MATLAB混编功能，将对应RMSE统计及绘图的M文件转化为动态链接库（dynamic link library, DLL）库文件。通过VS直接调用DLL，执行相应的绘图程序。图8为、及Z方向的位置精度图；图9为、及Z方向的速度精度图。

图8 X、Y及Z方向的位置精度

图9 X、Y及Z方向的速度精度

表1为使用该软件的应用情况。

表1 使用工具前后时间比对表

3 结束语

针对传统定位、定轨精度分析方法过程繁琐，自动化程度不高，且无法覆盖多种坐标系及非整秒历元时刻的问题，采用VS+MATLAB架构，设计出一种智能通用卫星导航数据分析工具。通过简单设置参数后，即可一键式自动完成数据提取，坐标转换，拉格朗日插值，误差统计，最终生成误差精度统计图。极大地提高了数据分析效率，使得数据分析过程更加智能化，自动化。经过多个工程比对，使用工具后效率提高两倍以上。

[1]胡正红, 张小波. 星载GPS低轨卫星简化动力学定轨及分析[C]//中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心. 第九届中国卫星导航学术年会论文集. 哈尔滨：中国卫星导航系统管理办公室, 2018: 1-4[2020-04-10]

[2]刘成, 王勇勇, 朱淑, 等. 卫星轨道外推算法实现[J]. 电子设计工程, 2016, 24(17): 132-134.

[3]常志巧, 郝金明, 张成军. GPS精密星历的外推精度分析[J]. 测绘工程, 2006, 15(2): 27-39．

[4]RANKIN D, KEKEZ D D, ZEE R E, et a1. The Canx-2 nanosatellite: expanding the science abilities of nanosatellites[J]. Acta Astronautica, 2005, 57(2-8): 167-174．

[5]袁景山, 高彦涛, 李平超, 等. 基于. NET 平台坐标转换软件的研发与实现[J]. 测绘与空间地理信息, 2013, 36(9): 178-180.

[6]庞秀梅. GPS定位系统及异系坐标转换系统的设计与实现[D]. 武汉: 华中科技大学, 2016: 11.

[7]余明生. GPS定位数据在载人航天器上的应用[C]//中国空间科学学会. 中国空间科学学会空间探测专业委员会第十一次学术会议论文集. 三亚：中国空间科学学会, 1998：156-161[2020-04-20].

[8]张守健, 李建成, 邢乐林. 两种IGS精密星历插值方法的比较分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2007, 27(2): 80-83.

[9]李振昌, 李仲勤, 寇瑞雄. 非滑动式与滑动式拉格朗日插值法在BDS 精密星历内插中的比较分析[J]. 天文研究与技术, 2019, 16(1): 54-59.

[10]王青平, 关玉梅, 王紫燕, 等. GPS卫星轨道三维坐标插值算法比较[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2): 573-579.

[11]罗璠, 李建文, 黄海, 等. BDS广播星历的轨道误差分析[J]. 测绘通报, 2015(2): 70-72.

[12]陈旭宁, 徐雯, 杨济民. 利用VS 2010和MATLAB混合编程实现卡尔曼滤波的方法[J]. 山东师范大学学报(自然科学版), 2017, 32(2): 11-17.

An intelligent general analysis tool for satellite navigation data

PEI Feng1,2, LYU Xiyin1,2, GAO Xiuyun1,2

(1. Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100086, China;2.Tianjin Aerospace Zhongwei Data System Technology Co., Ltd.,Tianjin 330452,China)

As an important component of satellites, spaceborne Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers are responsible for providing satellites with position information under high dynamics, so position accuracy is always an important performance index for GNSS receivers. In the process of precision analysis, traditional analysis tools cannot process positioning and orbit determination data in multiple coordinate systems at the same time, and there is a problem that the non-integer second metadata cannot match the theoretical file. In view of the above problems, a Lagrangian sliding interpolation method is adopted to design an intelligent and universal satellite navigation data analysis tool. It effectively solves the defect that the non-integer second epoch cannot match the theoretical data. The tool can be used to highly integrate multiple links in the analysis process, automatically complete coordinate conversion in a variety of coordinate systems, and realize automatic analysis of the entire process. It has been verified that this tool can accurately and efficiently complete the precision analysis of different types of data, which is more than twice as efficient as traditional analysis methods.

global navigation satellite system;navigation satellite data;analysis tool; precision analysis

P228

A

2095-4999(2021)02-0062-05

裴峰，吕锡银，高秀云. 智能通用卫星导航数据分析工具[J]. 导航定位学报, 2021, 9(2): 62-66.（PEI Feng, LYU Xiyin, GAO Xiuyun. An intelligent general analysis tool for satellite navigation data[J].Journal of Navigation and Positioning,2021,9(2): 62-66.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210210.

2020-05-11

裴峰（1986—），男，山西平遥人，硕士，工程师，研究方向为卫星导航和软件测试。