孫淑光，王天游，馬文利，程 鵬

(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

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異常環(huán)境下GNSS接收機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)開發(fā)

孫淑光，王天游，馬文利，程 鵬

(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

為了驗(yàn)證全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)在電離層異常環(huán)境下的性能是否滿足相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范要求，文章設(shè)計(jì)開發(fā)了GNSS接收機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)；該平臺(tái)主要由信號(hào)仿真器、軌跡發(fā)生器、誤差仿真模塊、待測(cè)接收機(jī)以及性能測(cè)試模塊組成，可以仿真不同電離層環(huán)境下的衛(wèi)星信號(hào)，從而測(cè)定接收機(jī)在不同環(huán)境下的性能；詳細(xì)介紹了誤差仿真模塊與測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)方案，并利用信號(hào)仿真器與接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，證明了該平臺(tái)的有效性。

接收機(jī)性能；電離層誤差；接收機(jī)自主完好性

0 引言

隨著GNSS的發(fā)展，導(dǎo)航用戶定位精度不斷提高，其在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而機(jī)載導(dǎo)航接收機(jī)的性能對(duì)民航安全有著至關(guān)重要的作用。影響定位接收機(jī)性能的因素有很多，包括衛(wèi)星信號(hào)誤差、傳播路徑誤差以及接收機(jī)自身因素造成的誤差等，其中，傳播路徑誤差中以電離層誤差最難預(yù)測(cè)，異常環(huán)境下電離層擾動(dòng)如地震、核爆炸以及強(qiáng)烈的太陽(yáng)、地磁活動(dòng)等都會(huì)對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如何精確地測(cè)定接收機(jī)在這些異常擾動(dòng)下的性能顯得尤為重要。

本文利用軌跡發(fā)生器、信號(hào)發(fā)生器、電離層誤差設(shè)置模塊、待測(cè)接收機(jī)以及性能測(cè)試模塊組成測(cè)試平臺(tái)，為GNSS接收機(jī)的定位精度和接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(RAIM)等性能評(píng)估提供驗(yàn)證平臺(tái)。

1 平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)主要由軌跡發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、誤差環(huán)境設(shè)置模塊、待測(cè)接收機(jī)以及性能測(cè)試模塊組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 GNSS接收機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

首先，信號(hào)發(fā)生器根據(jù)軌跡發(fā)生器的設(shè)置生成標(biāo)準(zhǔn)GPS信號(hào)。

然后，通過(guò)誤差環(huán)境設(shè)置模塊設(shè)置電離層誤差，將誤差延遲加入到標(biāo)準(zhǔn)GPS信號(hào)中生成帶誤差延遲的GPS信號(hào)，設(shè)置不同的電離層誤差可以為接收機(jī)測(cè)試提供不同的電離層環(huán)境，從而測(cè)定接收機(jī)在不同環(huán)境下的性能。

最后，測(cè)試模塊接收待測(cè)接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)，并將輸出結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證接收機(jī)在不同環(huán)境下的定位精度與RAIM。

國(guó)際民航組織在的不同飛行階段對(duì)接收機(jī)的性能要求如表1所示[1]。

2 誤差環(huán)境設(shè)置

2.1 電離層誤差模型

本文從ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps/products/ionex/下載了1998～2015年的IONEX[2]格式的格網(wǎng)電離層數(shù)據(jù)，將其作為數(shù)據(jù)庫(kù)，制作了基于MATLAB-GUI的總電子密度含

表1 民航飛機(jī)對(duì)機(jī)載接收機(jī)的性能要求

量(TEC)數(shù)據(jù)處理軟件。軟件界面如圖2所示，其可以實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：

1)任一位置點(diǎn)、任一時(shí)刻的TEC值

2)任一天的TEC日變化曲線；

3)99～14年之間任一年的TEC變化曲線；

4)任一經(jīng)度處TEC隨緯度變化曲線；

5)任一緯度處TEC隨經(jīng)度變化曲線；

6)TEC在99～14年之間的變化曲線；

通過(guò)該軟件可以觀察TEC隨地方時(shí)、季節(jié)、經(jīng)、緯度和年份的變化曲線，也可以觀察出異常擾動(dòng)期間TEC變化，從而確定異常擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)間。

圖2 TEC數(shù)據(jù)處理軟件

而且，利用這些數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)插算法[3-4]即可求得任意時(shí)刻t任意位置(β,λ)處的天頂方向TEC(VTEC)值。求得VTEC后通過(guò)映射函數(shù)求得傾斜方向TEC(STEC)。計(jì)算公式如下[5]：

(1)

電離層時(shí)延計(jì)算公式為：

(2)

其中：c為光速，f為載波頻率。

2.2 電離層誤差環(huán)境的設(shè)置

測(cè)試中所設(shè)置的異常電離層環(huán)境包括地震、磁暴、放射性污染等[6]。

2.2.1 地震

本文研究了2000年以來(lái)幾個(gè)7.0級(jí)以上的地震，由于篇幅所限不再詳細(xì)列出，僅以2008年5月12日四川汶川(31.0°N,103.4°E)8.0級(jí)地震和2011年3月11日日本9.0級(jí)地震(38.1°N,142.6°E)為例。圖3為其TEC變化曲線圖。

由幾次地震期間VTEC變化情況可以看出：在地震發(fā)生前前的某段時(shí)間內(nèi)VTEC出現(xiàn)迅速降低的情況，如圖3(a)中5月9日的10:00～14:00段以及圖3(b)中3月3日、5日的04:00～10:00段，這極有可能是由于地震引起的，這與利用其它方法分析得出的結(jié)論一致[7-8]，因此可以將該段時(shí)間視為地震引起的電離層異常情況，利用2.1節(jié)中的TEC數(shù)據(jù)處理軟件仿真產(chǎn)生該段時(shí)間的電離層誤差延時(shí)。

2.2.2 磁暴

以2004年11月9日和2006年12月15日發(fā)生的電磁爆為例進(jìn)行研究，其VTEC變化情況分別如圖4(a)和4(b)所示。

由圖(a)可以看出14日14:00至15日08:00時(shí)間段內(nèi)VTEC出現(xiàn)劇烈震蕩，由圖(b)可以看出7日20:00至8日6:00以及9日18:00至10日04:00時(shí)間段內(nèi)VTEC出現(xiàn)震蕩，這與磁暴期間磁暴環(huán)電流指數(shù)(Dst)逐日變化情況一致[9]，因此可以利用2.1節(jié)中的TEC數(shù)據(jù)處理軟件仿真產(chǎn)生該段時(shí)間的電離層時(shí)延誤差。

圖3 地震期間VTEC變化情況

圖4 磁暴期間TEC變化情況

2.2.3 放射性污染

2013年2月12日，朝鮮在北部地下核試驗(yàn)場(chǎng)成功舉行了第三次地下核試驗(yàn)，核爆炸前后11～14日內(nèi)VTEC變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：由于核爆炸的影響12日TEC值峰值后移且在02:00時(shí)刻變化率發(fā)生變化，有可能是因?yàn)楹吮ㄊ沟肰TEC值減小，因此可以選擇01:35:00～02:55:00作為測(cè)試時(shí)間段。

圖5 核爆炸前后11～14日VTEC變化曲線

3 測(cè)試模塊

接收機(jī)性能測(cè)試模塊按數(shù)據(jù)處理時(shí)間先后分為參數(shù)設(shè)置模塊和測(cè)試評(píng)估模塊。參數(shù)設(shè)置模塊包括初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和界面顯示3個(gè)部分；測(cè)試評(píng)估模塊包括數(shù)據(jù)處理、界面顯示、評(píng)估計(jì)算和生成報(bào)表4個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)組成如圖6所示。

圖6 接收機(jī)性能測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)組成

3.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要包括4個(gè)子界面：軌跡設(shè)置界面，接收機(jī)數(shù)據(jù)采集界面，誤差設(shè)置界面以及可見(jiàn)星相關(guān)參數(shù)顯示列表。

軌跡設(shè)置部分可以根據(jù)需要設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)模型：靜止和沿大圓航線飛行。

誤差設(shè)置參數(shù)主要包括根據(jù)真實(shí)信息計(jì)算出的數(shù)據(jù)和接收機(jī)輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以評(píng)估接收機(jī)性能。

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)串口通信對(duì)接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。主要有：接收機(jī)的位置信息包括經(jīng)、緯、高，水平保護(hù)限，告警時(shí)長(zhǎng)，故障檢測(cè)隔離標(biāo)志以及實(shí)測(cè)故障衛(wèi)星號(hào)。

可見(jiàn)星參數(shù)顯示列表用來(lái)直觀地顯示可見(jiàn)星的數(shù)量、PRN號(hào)、高度角、方位角、偽距、穿刺點(diǎn)位置、電離層誤差以及對(duì)流層誤差。

3.2 測(cè)試評(píng)估模塊

測(cè)試評(píng)估模塊主要包括定位精度和RAIM的測(cè)試評(píng)估。

3.2.1 定位精度評(píng)估計(jì)算流程

衛(wèi)星定位中通常用均方根差(root mean square error,RMS)來(lái)表示定位精度[10]。水平定位精度(Horizontal RMS,HRMS)和垂直定位精度(Vertical RMS,VRMS)的定義式如下：

(3)

式中，σE,σN,σU為分別表示東、北、天向定位標(biāo)準(zhǔn)差。

假設(shè)ti時(shí)刻，接收機(jī)測(cè)得坐標(biāo)為(Xi,Yi,Zi)，實(shí)際坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0)，將(Xi,Yi,Zi)轉(zhuǎn)換為以(X0,Y0,Z0)為站心的站心直角坐標(biāo)，設(shè)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)為(Ni,Ei,Ui)，即為東、北、天3個(gè)方向的誤差。根據(jù)中誤差計(jì)算公式，3個(gè)方向的中誤差為[11]:

(4)

將(4)帶入(3)即可求得定位精度。

定位精度的評(píng)估流程圖如圖7所示。

圖7 定位精度評(píng)估流程圖

3.2.2 RAIM評(píng)估計(jì)算流程

RAIM是衡量接收機(jī)性能的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，體現(xiàn)了接收機(jī)故障檢測(cè)與隔離(fault detection and isolation，F(xiàn)DI)和及時(shí)告警的能力。完好性包括告警門限、完好性風(fēng)險(xiǎn)、告警時(shí)間3個(gè)方面的要求。

告警門限：是特定場(chǎng)合下為保證交通運(yùn)輸安全而設(shè)定的定位誤差上限，該數(shù)值由應(yīng)用場(chǎng)景的特性決定；

完好性風(fēng)險(xiǎn)：是指出現(xiàn)危險(xiǎn)誤導(dǎo)信息(PL(保護(hù)限)< AL(告警限)

告警時(shí)間：是指從發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)誤導(dǎo)信息到運(yùn)載體駕駛?cè)藛T獲得告警信息時(shí)的時(shí)間間隔。

控制信號(hào)仿真器產(chǎn)生GPS信號(hào)，并將測(cè)試信號(hào)送入接收機(jī)，然后調(diào)節(jié)信號(hào)仿真器中的電離層誤差生成異常環(huán)境下的GPS信號(hào)，并將接收機(jī)輸出的故障檢測(cè)與隔離標(biāo)志以及告警時(shí)間送到測(cè)試評(píng)估平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估。因?yàn)橥旰眯燥L(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)概率值，所以需要實(shí)施蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次測(cè)量。

RAIM測(cè)試評(píng)估流程如圖8所示。

圖8 RAIM測(cè)試流程圖

4 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

本文將接收機(jī)置于靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真時(shí)間為2008.5.12 9:30:00-14:30:00，采樣間隔為1 s，測(cè)量次數(shù)為1*105。

測(cè)試結(jié)果如表2及圖9所示。圖9(a)為單次測(cè)量中實(shí)際位置與測(cè)量位置之間的偏差(每隔一分鐘計(jì)算一次)，圖9(b)為單次測(cè)量中發(fā)生故障1 min內(nèi)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門限之間的對(duì)比，圖9(c)為1*105次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)中PE、PL、AL關(guān)系，PL設(shè)為45，取前1 000次為例。表2和圖9驗(yàn)證了該測(cè)試平臺(tái)的有效性和可靠性。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9 接收機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

為了保證接收機(jī)在民航領(lǐng)域應(yīng)用的安全性與可靠性，必須建立接收機(jī)的性能測(cè)試平臺(tái)，尤其是異常電離層環(huán)境下的測(cè)試平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)可以測(cè)試地震、磁暴、核爆炸等異常電離層情況下接收機(jī)的性能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的有效性，為接收機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用提供了測(cè)試平臺(tái)。

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Performance Test Platform Development of GNSS Receiver under Abnormal Conditions

Sun Shuguang, Wang Tianyou,Ma Wenli,Cheng Peng

(School of Electronic Information and Automation ,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

In order to verify the receiver performance whether meet the requirements of the corresponding technical specification,especially in the Abnormal ionosphere environment,it developed a GNSS receiver performance test platform.The platform was mainly composed of signal simulator, error simulation module, the receiver under test and performance test module,it could simulate signals under different ionosphere environment to verify the receiver performance.It introduced the error simulation module and the performance test module in detail,and use them to prove the effectiveness of the platform.

receiver performance;ionosphere error; receiver autonomous integrity monitoring

2016-03-11；

2016-04-18。

中國(guó)民航局安全能力建設(shè)項(xiàng)目(AADSA0007)。

孫淑光(1970-),女,山東人,教授，碩士,主要從事民航導(dǎo)航新技術(shù)、機(jī)載電子系統(tǒng)故障診斷方向的研究。

1671-4598(2016)09-0039-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.011

TP212.9

A