GNSS高动态导航终端检定系统设计及实现

丁宇凯,代桃高,刘丽丽,陈娉娉

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081;2.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,河南 洛阳 471000;3.北京卫星导航中心,北京 100094)

0 引言

全球导航定位系统(global navigation satellite system,GNSS)是一种可以在地球附近位置为人们提供空间坐标、运动轨迹等方面信息的空基无线电导航定位系统。四大全球导航定位系统(BDS(中国)、GPS(美国)、GLONASS(俄罗斯)、伽利略(欧洲))的建立以及逐步完善,导航系统将会大大提升导航信息的可靠性、精确性以及实用性[1]。导航系统的终端设备GNSS接收机也在各个领域迅速发展,设备的测试检定也成为必不可少的环节。长期以来,位置精度一直沿用早期光学测量设备比对精度作为GNSS精度检定系统的定位指标,其动态定位精度已达厘米级[2],自此光学跟踪测量校准系统无法满足高精度GNSS动态检定需求。20世纪90年代起,为适应卫星导航定位技术的发展,满足导航定位设备精度检测需求,国内多家导航接收机检定机构建立了GNSS检定场,但其只侧重GNSS接收机的硬件性能和静态定位精度进行检定[3],而不具备对GNSS接收机性能的全面检定测试。

随着我国北斗二号、北斗三号导航系统的建立和投入使用,多家研究机构和检定机构依据北斗导航系统建设要求建设了GNSS导航终端测试系统,具备GNSS导航终端综合性能测试及鉴定能力。而目前国内建设的GNSS测试检定系统只有室内模拟测试和室外实星测试[4],其中室内测试主要在暗室环境下或有线环境下[5],模拟导航卫星信号对GNSS接收机进行测试;而室外测试主要分为定点测试和动态跑车测试,定点测试无法对GNSS接收机的动态性能进行测试,而动态跑车测试只可测试其动态能力,无法测试其动态精度。因此,亟需一种高动态检定系统对高动态、高精度接收机进行性能检定,本文通过构建基于高动态测试转台的GNSS高动态检定系统来实现高动态、高精度的测试。

1 高动态检定原理

室内GNSS终端测试系统通过导航信号模拟器模拟卫星导航信号,构建测试场景,再通过测试评估软件对模拟器及GNSS终端设备数据进行对比分析得到测试结果。

根据室内GNSS终端测试系统测试原理,本文提出通过测试转台构建真实动态场景,利用时频同步设备建立时间基准,通过标校建立位置及真北方位基准,最后测试评估软件完成对导航终端设备的自动化、高精度、真实动态条件下的性能测试检定。测试检定原理及步骤如下。

测试转台安装完成后进行精准定位,测试中通过转台转动方向角α及微倾角β,可得转台旋臂与大地水平方向的夹角为:

θ=arcsin(cosβ×sinα)

(1)

通过转台中心的站心坐标系将转台用户机安装位置变换为地心地固直角坐标系中:

(2)

式中:Δe,Δn,Δu为站心坐标系中的向量;Δx,Δy,Δz为地心地固直角坐标系中的向量;S为坐标变换矩阵。S可由以下公式表示:

(3)

式中:φ为大地坐标系中站心位置坐标经度;λ为大地坐标系中站心位置坐标纬度;h为大地坐标系中站心位置坐标高程。

Δe,Δn,Δu可分别由以下公式表示:

Δe=R×cosθ×sinα

(4)

Δn=R×cosθ×cosα

(5)

Δu=R×sinθ

(6)

式中:R为旋臂长度;θ为转台转动方向角;α为转台转动方向角。

再通过转换公式将转台中心位置坐标转换为地心地固直角坐标系:

x=(N+h)cosφcosλ

(7)

y=(N+h)cosφcosλ

(8)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(9)

式中:N为大地水平面高度;e为椭球偏心率。

根据站心位置坐标(x,y,z)及相对位置坐标(Δx,Δy,Δz)得到被测设备转台位置坐标(x0,y0,z0)=(x+Δx,y+Δy,z+Δz)。通过实际用户机上报的大地坐标转换为地心地固直角坐标(x1,y1,z1)。两位置点坐标做差得到(Δx0,Δy0,Δz0),而后通过坐标转换公式,转换到站心坐标系:

(10)

式中:Δe0,Δn0,Δu0为站心坐标系中的向量;Δx0,Δy0,Δz0为地心地固直角坐标系中的向量。

根据站心坐标系中的(Δe,Δn,Δu)求得水平误差和高程误差,其中,水平误差为:

(11)

高程误差为Eh=Δu。最终得到导航终端设备的测试数据完成一次数据的测试评估,系统上报的数据进行统计计算得到被测设备的评估结果。

2 系统设计及实现

2.1 系统组成

根据高精度动态检定原理,GNSS高动态导航终端检定系统设计由运动模拟系统、控制及驱动系统、数据处理系统及电源系统四个部分组成。运动模拟系统主要为高速转台运动部分,利用转台模拟用户高动态运动状态;控制及驱动系统控制转台转动,通过高精度授时接收机为控制系统提供时标信息,保证测试精度;转台状态显示及测试评估软件用于处理被测设备的定位数据,并通过对比相同时标系统位置得到测试结果;电源系统为整个系统提供动力。系统组成及信息流组成如图1所示。

图1 系统组成及信息流框图

2.2 高精度旋转平台

高精度旋转平台作为运动模拟系统的主要设备,完成对高动态运动的模拟。高动态接收机主要为机载、车载接收机。针对机载设备的使用场景,转台角速度设计为720°/s可满足其角速度测试需求;针对车载设备的使用,在720°/s的角速度下,线速度计算公式:

V=ω×R

(12)

式中:V为线速度;ω为角速度,单位为弧度;R为旋转半径。

确定旋转半径后,可得到线速度的测试范围。在本设计中,设计半径为3 m,可得到线速度时速为135 km/h,可满足绝大部分车辆的使用场景。

基于上述考虑,高精度旋转平台设计采用单轴双臂对称台体结构,机械轴承支承,无刷力矩电机直接驱动。转台由回旋臂、角度编码器、无刷力矩电机、光纤导电滑环、微倾装置、倾角传感器、轴承、安装底座及负载安装盘组成。

回旋臂采用双臂对称结构,为保证转台末端被测设备线速度场景需求,长度设计为3 m;角度编码器为系统提供角度实时角度信息;无刷力矩电机为转台提供动力,根据驱动电流实时调整转速;光纤导电滑环提供电源和及射频信号通路,为被测设备供电并进行数据通信;倾角装置及倾角传感器为测试提供倾角状态下的动态场景;底座、轴承、负载安装盘等结构体为转台整体提供支撑保障。

2.3 控制及驱动系统

控制及驱动系统主要由驱动控制电路、驱动器、高精度授时接收机等组成,负责与数据处理系统进行数据交换,并向下可对高精度旋转平台进行控制。

在转台转动过程中,控制电路根据编码器反馈转台的实时位置,控制驱动器输出电流的大小,以调整转台转速,实现转台稳定转动,因此对驱动器输出电流的控制是转台转速控制的关键。在本设计中,驱动电路的控制算法中每个轴的闭环控制模型采用带前馈控制的双闭环结构,以实现转台角速度、角加速度精准的控制。闭环伺服控制算法如图2所示。

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图2 闭环伺服控制算法框图

算法中,GP(k)是控制规划函数,计算角位置变换最佳运动轨迹。Kf是前馈系数,GC(k)是位置环控制pid算法函数,GM(k)是控制对象轴系的传递函数,d/dt是速度反馈函数,KR是速度反馈系数,θC是控制命令角位置,θP是控制规划输出角位置,θM是轴角位置,θE是控制误差,uC是PID控制运算结果的输出数据,D是等效干扰信号,βM是速度反馈数据。

PID计算公式:

uC(k)=up(k)+ui(k)+ud(k)

(13)

式中:uC为PID控制运算结果的输出数据。其中,比例项为:

up(k)=kp·θE(k)

(14)

积分项为:

ui(k)=ui(k-1)+kiθE(k)ui(0)=0

(15)

微分项为:

ud(k)=cdud(k-1)+kd[θE(k)-θE(k-1)]ud(0)=0

(16)

微分修正系数cd取值范围:

(17)

误差θE按照下式计算:

θEM=θP-θM

(18)

θE=θEM+Kf·[θP(k)-θP(k-1)]-KR·βM

(19)

式中:Kf为前馈控制参数,KR为反馈控制参数,βM为速度反馈数据。

βM由FPGA在指定的读地址提供,在位置稳定状态,测量反馈的βM≈0,而控制规划输出的θP恒定不变,速度反馈和速度前馈均为零。而在速率状态,速度反馈和速度前馈的作用,有利于提高转速稳定性。驱动器在驱动电路的控制下,为电机提供驱动电流,控制电机转动。

高精度授时接收机为检定系统提供时间基准,是系统检定的核心设备。设备接收BDS卫星导航信号,经过数据处理,获得高精度的钟差信息,并对本地高稳频标进行驯服,从而获得准确度高、稳定度好的时间频率信号,提供高精度的1PPS、TOD等时间频率服务。

2.4 数据处理系统

数据处理系统主要由数据处理工作站和转台状态显示及测试评估软件组成。

转台状态显示及测试评估软件是整个系统的控制中心,对旋转平台、高精度授时接收机、被测导航终端等设备进行控制,统一实现自动化测试的协同运行,实现对用户装备的全自动测试与评估分析,并可对各个设备的工作状态信息进行实时监测。

转台状态显示及测试评估软件实现对旋转平台的设备参数进行设置,实时显示旋转平台的状态,并对状态参数进行检查,和设定的阈值进行比较,在超出范围时给出告警并显示。

该软件具备测试设置脚本化编辑功能[6],可对系统参数配置以文本配置文件的形式及测试模板以XML脚本文件的形式进行存储,主要包括对系统参数配置、被测设备设置及测试模板编辑。

用户参数配置及测试模版编辑完成后,开始进行测试,转台状态显示及测试评估软件读取试验模板获取试验项目信息。根据项目列表顺序进行单项测试。每一单项测试结束自动测试控制函数检查指向测试项目列表指针是否为测试项目列表尾,如果不为测试项目列表尾则读取下一测试项目控制指令列表ID开始下一项目的单项测试流程。如果指针指向测试项目列表尾则表示自动测试已经完成用户所选所有测试项目测试。自动测试流程完成,自动测试流程控制函数自动调用测试评估接口函数自动进行所测项目的分析评估和报表生成工作。分析评估和报表生成完毕提示用户自动测试完成,等待用户的下一步操作。自动测试流如图3所示。

图3 试验流程控制流程图

3 系统关键指标测试

GNSS高动态检定系统的震颤幅度、测角精度、时间同步精度决定了整个系统的测试精度,在系统设计完成后,对系统的上述指标进行了测试检定。

3.1 震颤幅度测试

测试时,将震颤检测装置安装在负载安装盘上,高精度转台以720°/s的极限角速度转动,震颤检测装置采集10 min数据,测得震颤幅度均方根为0.184 mm,最大0.667 mm。

3.2 测角精度测试

通过使用光电自准直仪和23面金属棱体进行测试[8],具体测试步骤:首先调整转台位置使1面棱体对准光电自准直仪,记录此时光电自准直仪初始值θ0,然后依次控制转台旋转15.652 174°(360°/23),共旋转23次,回到初始位置,记录每次旋转后的θn(n=1,2…23),|θn-θn-1|为每次测角精度误差值。测试得到测角精度最大偏差14.6″,均值9.2″。

3.3 时间同步精度测试

使用固定光电传感器及时间间隔计数器进行时间精度测试[8],具体测试步骤:将高精度授时接收机输出两路,一路至转台同步授时,一路至时间间隔计数器外部参考时标。在0°,90°,180°和270°四个位置依次架设光电传感器。设置转台以360°/s的角速度旋转,存储光电传感器信号与参考信号的时间间隔T,并从控制计算机数据库中提取,对应角度的时标信息,将时标信息的秒内数据与T作差,为时间同步误差,存储时间为10 min。测试得到4个角度的时间同步误差分别为44 μs、45 μs、55 μs和63 μs,均值为52 μs。

3.4 综合位置偏差测试

综合位置偏差为上述3个精度偏差的矢量和,其中震颤幅度为垂直方向偏差,测角精度和时间同步精度,可反应水平方向偏差,水平方向最大偏差为测角精度和时间同步精度引起的位置偏差算术和。因此,综合位置偏差均值为2.1 mm。

4 结束语

根据检定测试原理,从机械结构构造、控制驱动设备、测试控制与处理设备对GNSS高动态检定系统进行了全面的设计。设计中创新性地利用高速转台模拟高动态运动,利用角度编码器及高精度授时接收机、高精度的角度及时间测量实现系统自身动态精度。对系统进行了关键指标的测试,其系统自身的动态精度在3 mm以内,由于自身安装位置可通过长时间的静态计量设备校准至毫米级,该系统满足高动态高精度导航终端测试检定需求。