高精度北斗终端测试系统构造方法

张 杰，曹 相

(南京市计量监督检测院，江苏 南京 210046)

0 引 言

随着科技与经济的发展，卫星导航定位技术及其产业已扩展到信息服务、时频服务、海洋仪器、测绘/GIS、通信、车辆导航及监控等方面，市场潜力十分巨大，以车载导航为代表的导航产品逐渐走进大众生活。随着北斗导航的发展，基于BDS/GPS的RTK和RTD北斗终端占有相当大的市场。北斗终端产品市场前景广阔，强劲的市场需求，吸引众多商家蜂拥而至，但在高速发展的过程中也存在一些问题。诸多导航终端厂商缺乏理性，盲目推出产品，形成了恶性循环的产业发展环境，导致北斗终端市场出现了比较混乱的局面。GNSS产品的常见问题有定位精度低、灵敏度差、信号经常丢失、无法导航、可靠性差等。研究有效的GNSS终端检测系统，建立合理的市场准入基准对GNSS定位发展具有重要意义[1-3]。

20世纪80年代至20世纪末，针对不同的用户对象和应用领域需求，国内外学者采用解析法对卫星导航定位的精度进行分析[4-8]，不过该方法分析复杂且不易得到解析。随着全球计算机仿真技术的逐步成熟，国内外学者开始采用数理统计的方法对仿真或实验获得的数据进行评估，其优势在于可以依据实验数据得到量化的结果，便于分析和理解，并且可以验证理论评估方法的优劣性和合理性，如RMS法、CEP法、置信区间法等统计方法。北京航空航天大学的夏小静等人分别采用RMS和CEP法给出了单点/区域定位精度的统计评估公式，并对两种方法进行比较，指出RMS法在描述定位精度方面更为准确，但CEP法较RMS法更方便[9]；解放军信息工程大学的宋美娟等人从方差、标准差、中误差等角度对机载GPS的动态相对定位精度进行分析。并取得相对位置20 cm、相对速度10 cm/s的精度[10]；在上述方法的基础上，针对GNSS专业领域特色，有学者提出结合DOP值等对精度进行评估的方法，从精度、连续性、DOP值等方面对单历元定位性能进行分析，并对UERE结合DOP值的精度评估方法进行分析与探讨，但此法仅是从理论意义上对精度进行概略评估，具有一定的参考意义但不适合用作检测标准[11-12]。

本文研究主要目标是建成国内首个GNSS高精度计量检测平台，实现GNSS多系统多频数据融合及定位增强服务，构建INS辅助GNSS的动态定位高精度检定基准，研制面向RTK等高精度GNSS动态定位性能评价的检测装备技术，填补我国对实时高精度动态导航北斗终端在实际运行时检测方法的空白。

1 系统组成

北斗终端动态检测系统主要由下列部分组成。

1.1 操控系统

操控系统包括中央操作台、操作面板、显示器、鼠标键盘、座椅等，操作桌如图1所示。

中央操作台尺寸为700×340 mm，主要包括木质桌面、金属桌体、软包柜子(位于桌面下)、倾斜台面、控制面板、杂物盒等。控制面板分为显示器区、面板操作区、供电区、电量显示区。操作面板可以进行设备电源启动等操作。显示器为19寸显示器。鼠标键盘用来操作软件。

1.2 数据采集系统

(1)设备连接设计

设备连接设计包括工控机与业务设备、业务设备之间以及供电系统与工控机、供电系统与业务设备之间的链接。

(2)系统层设计

系统层包括GNSS/INS组合导航基准(采用诺瓦台SPAN-100C系统)、GNSS信号发射天线(用于将车外卫星信号转发至检测室内)以及GNSS北斗终端(包括一体式北斗终端和分体式北斗终端)，系统以GNSS/INS组合导航为基准，通过对数据进行后处理的方式，可以为GNSS北斗终端提供检测服务。图2为检测系统设备连接图。

(3)数据采集回放仪

针对数据采集回放仪，采用信号同源设计，利用时间、空间同步技术，与GNSS基准设备进行数据分流，实现GNSS数据采集回放仪的数据接收，通过便利的可拆卸设计，在车载测试完毕后，便于数据采集回放仪的拆卸、数据采集等。

1.3 供电系统设计

(1)车载电源。车载电源选择2节100 AH电池、逆变一体机和大功率充电机。

(2)电源分配单元。电源部分采用5个工业级的电源分配单元进行电源控制。

1.4 网络通讯系统

网络通讯系统负责为工控机、笔记本电脑、一体式北斗终端、手机等提供网络通讯环境。网络通讯系统由网络通讯单元、无线数据传输单元、有线数据传输单元组成。系统组成如图3所示。

由图3可以看出，网络通讯单元为无线数据传输单元、有线数据传输单元提供上网源，无线数据传输单元通过无线热点与工业级无线路由器连接，有线数据传输单元通过网线与工控机直连，从而确保工控机、北斗终端、手机等可以访问互联网。

2 测试方法

2.1 系统使用

本系统是将GNSS天线放置于车顶，基准设备、北斗终端放于车内，利用信号转发设备将外部信号同步转发给基准设备、北斗终端，以CORS系统为坐标基准，计算基准设备以及北斗终端的定位信息，并作对比。

2.2 路线规划

为了真实反映北斗终端的性能，本次测试选取的路线为以三宝科技园为起点，途经金马路-石狮路-紫东路-仙林大道-仙隐南路-灵山北路-汇通路。

2.3 基准站数据存储

本次采用的基准站设备为南方S82接收机。

2.4 北斗终端

行车前需要对车载检测系统进行设备安装，主要包括为卫星信号转发天线的安装、手机信号转发天线的安装以及车载导航系统启动等。

2.5 车载导航系统数据采集

天线安装好后，依次启动工控机、GNSS设备、惯导设备，打开Connect软件，对GNSS基准设备、惯导设备进行设置，将数据存储于工控机中，存储的数据包括BDS/GPS/GLONASS三系统观测数据、导航电文以及惯导数据。

2.6 北斗终端安装

本次测试采用的北斗终端为中海达H32，北斗终端的安装主要包括流动站设备的安装、接入CORS系统等。将流动站设备安装于检测箱中，关上检测箱。

2.7 数据记录

操作手簿，选取RTCM32挂载点，将北斗终端接入CORS系统，得到固定解后，则以1 Hz频率记录定位结果，定位结果包括点位坐标、卫星数目、PDOP值、数据龄期以及固定率等。

2.8 动态测试

准备工作完成后，开始进行动态测试，启动车辆，车速控制在20～40 km/h，按照既定路线行驶，行车过程中观察北斗终端是否会出现异常情况，若出现异常情况应当及时停车矫正。为便于动态定位结果的统计，起点处，系统启动后10 min车辆开始行驶，终点处，停车10 min后关闭系统。

3 数据处理

行车过程中，北斗终端以1 Hz频率存储点位坐标于手簿中，行车结束后，关闭设备，从手簿中导出北斗终端的动态定位结果文件。定位结果文件中包括点位的时间、解类型(包括伪距差分解、浮点解以及固定解)、数据龄期以及参与解算的卫星数等。

北斗终端的数据预处理包括北斗终端的数据预处理、坐标转换、基准设备与北斗终端的数据匹配、粗差剔除以及北斗终端的精度计算。

3.1 北斗终端的数据预处理

北斗终端的数据预处理主要包括3方面内容，首先，选取解类型为固定解数据，剔除伪距差分解以及浮点解数据，然后剔除数据龄期超过5 s、PDOP值大于2.5以及卫星数目少于4颗的点位，以“时间，纬度，经度”格式保存成txt文件。

3.2 坐标转换

北斗终端的定位结果为大地坐标(BLH)，为了直观地反映出北斗终端的定位精度，需要将北斗终端的定位结果转换到地心地固坐标系以及东北天坐标系。

3.3 基准设备与北斗终端的数据匹配

提取基准数据和待检数据中的时间信息，保留两组数据中时间匹配后的数据参与统计。将基准数据与待检数据按方向分量按每个时间点作差得到每个时间点下的差值。

3.4 粗差剔除

静止情况下RTK设备的定位精度为一倍中误差，即平面2～3 cm，高程优于5 cm。本次测试，以车载导航系统的点位测量值为真值，以三倍中误差为限，对北斗终端点位测量值进行粗差剔除。

3.5 点位精度计算

本次测试采用外符合精度统计方法，以车载导航系统的点位测量值为真值，计算北斗终端每个点位的误差，统计外符合精度。

4 测试结论

对北斗终端的点位误差进行统计，绘制点位误差与时间的关系如图4所示。

由图4可以看出，绝大多数情况N方向与E方向定位误差在0.02 m以内，U方向定位误差在0.06 m以内。表1为北斗终端定位精度统计。

表1 北斗终端精度统计

由表1可以看出，北斗终端的定位精度为平面0.018 m，高程方向为0.039 m，定位精度较高。

5 结 语

本文构建了一种北斗/INS组合导航动态基准，将GNSS天线放置于车顶，基准设备、北斗终端放于车内，利用信号转发设备将外部信号同步转发给基准设备、北斗终端，以CORS系统为坐标基准，计算基准设备以及北斗终端的定位信息，并做对比。通过实际测试,证明了系统可以检验厘米级导航终端的定位精度，解决了传统测量方法只能检测北斗终端静态定位精度的问题。