王細(xì)欽,戴煒航,駱 建
( 廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 河源 517001)
基于GNSS接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的定位產(chǎn)品檢測(cè)理論研究
王細(xì)欽,戴煒航,駱 建
( 廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 河源 517001)
隨著GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展,特別是隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式運(yùn)行及完善,導(dǎo)航定位產(chǎn)品由支持單模GPS向支持雙?;蚨嗄0l(fā)展,但是導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式并未統(tǒng)一,主要是根據(jù)NMEA-0183為主修改。針對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行理論性研究并給出相應(yīng)測(cè)試的依據(jù)。
GNSS;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);GPS;NMEA-0183
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),包括全球及區(qū)域性范圍內(nèi)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),例如美國(guó)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、日本QZSS、印度IRNSS;衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng),例如美國(guó)WAAS(廣域增強(qiáng)系統(tǒng))、歐洲EGNOS(歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng))和日本MSAS(多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)),還包含未來(lái)新建的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
目前世界上有多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng),但導(dǎo)航定位產(chǎn)品定位數(shù)據(jù)并未統(tǒng)一。北斗系統(tǒng)未啟用服務(wù)之前,市面上多數(shù)導(dǎo)航定位產(chǎn)品是基于GPS的單模定位系統(tǒng),導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式為NMEA-0183。自中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式運(yùn)行以來(lái),越來(lái)越多的產(chǎn)品支持雙模或者多模系統(tǒng),但是導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式并未統(tǒng)一,廠商根據(jù)NMEA-0183自定義數(shù)據(jù)輸出格式,所以很多產(chǎn)品輸出的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)相似但有差別。導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)是測(cè)試導(dǎo)航定位產(chǎn)品的定位、測(cè)速精度這些關(guān)鍵指標(biāo)的重要依據(jù),本文對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行研究并推出相應(yīng)的測(cè)試方法。
1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
BDS是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶端三部分組成,可以在全球范圍內(nèi)全天候?yàn)楦黝?lèi)用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù),目前已具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)的能力,定位精度10m,測(cè)速精度0.2m/s,授時(shí)精度20ns。
1.2 GPS全球定位系統(tǒng)
美國(guó)GPS自19世紀(jì)70年代在子午衛(wèi)星系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)始研制,并于1995年12月28日起開(kāi)始提供完整服務(wù)。GPS空間段由位于6個(gè)軌道面的24顆衛(wèi)星構(gòu)成,衛(wèi)星軌道面與地球赤道面之間的夾角為55°。GPS控制段由1個(gè)主控站、4個(gè)注入站和6個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。用戶端為各種GPS接收機(jī)。
現(xiàn)階段,國(guó)際上通用的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)都是由各應(yīng)用協(xié)會(huì)自行制定的,目前主要的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有由美國(guó)海洋電子協(xié)會(huì)發(fā)布的接收機(jī)和其他航海電子產(chǎn)品的導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出格式NMEA-0183,目前最新的版本為2012年發(fā)布的NMEA-0183 Version4.10,其升級(jí)了不同導(dǎo)航及通信設(shè)備協(xié)議“語(yǔ)句”,并更新了對(duì)Galileo系統(tǒng)的兼容,其中并未涉及中國(guó)北斗系統(tǒng)的信息。中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室批準(zhǔn)并于2015年11月1日實(shí)施BD 410004-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》,其參考NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)。兩種標(biāo)準(zhǔn)的格式數(shù)據(jù)都采用ASCII文本符來(lái)表示,由起始定界符“$”或“!”、終止符
本次用于采集不同定位產(chǎn)品導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示,系統(tǒng)可通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,也可由衛(wèi)星信號(hào)模擬源發(fā)出模擬衛(wèi)星信號(hào),接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)并將導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)反饋回控制計(jì)算機(jī)。
圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram
目前常用的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式有NMEA-0183,NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association,NMEA)定義的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議;而中國(guó)結(jié)合BDS也發(fā)布了中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)BD 410004-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》(下稱(chēng)北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式),其是由中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),后者是依托前者并根據(jù)中國(guó)實(shí)際運(yùn)用而修訂。北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA-0183相比,增加部分字段對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行兼容,選取了NMEA-0183中北斗導(dǎo)航系統(tǒng)需要用到的語(yǔ)句。在實(shí)際導(dǎo)航定位產(chǎn)品中,常用的語(yǔ)句為GGA、RMC、GSA、GSV、VTG、GLL、ZDA和TXT等8條,因此主要以這8條來(lái)比較。
4.1 常用定位數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)比較
經(jīng)比較,北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA-0183的GGA、VTG、GLL、ZDA、TXT相同,而北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA-0183的RMC相比多了1個(gè)導(dǎo)航狀態(tài)字段,北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式與NMEA 0183的GSA、GSV相比多了GNSS系統(tǒng)標(biāo)示符字段。本文對(duì)市面上較常使用的汽車(chē)行駛記錄儀、GNSS接收機(jī)、GNSS定位模塊等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,分別為GNSS接收機(jī)A、汽車(chē)行駛記錄儀B、汽車(chē)行駛記錄儀C、汽車(chē)行駛記錄儀D及GNSS定位模塊板E號(hào)測(cè)試機(jī)。
4.2 不同定位產(chǎn)品輸出定位數(shù)據(jù)比較
4.2.1 GGA定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
如表1所示,比較產(chǎn)品中,混合定位常使用GGA語(yǔ)句,GGA為定位信息。其中A、B、C輸出定位數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183及北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式相同,汽車(chē)行駛記錄儀D、GNSS定位模塊板E則多了1個(gè)VDOP字段,VDOP為垂直精度因子,即表1中標(biāo)出下劃線的字段。2份標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定混合定位用GNS語(yǔ)句,單模定位時(shí)使用GGA語(yǔ)句,但在比較產(chǎn)品中GNS語(yǔ)句并沒(méi)有實(shí)際使用,而依舊采用GGA語(yǔ)句。
表1 GGA定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
4.2.2 RMC定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
如表2所示,RMC為最小推薦定位信息,由比較產(chǎn)品的RMC語(yǔ)句可以得出,除測(cè)地型接收機(jī)A不參與比較和汽車(chē)行駛記錄儀C少了模式指示字段以外,其余被測(cè)產(chǎn)品與NMEA-0183大致相同。表2中下劃線字段為模式指示,其中模式指示字段中A表示自主定位、D表示差分定位、E表示估算定位、N表示數(shù)據(jù)無(wú)效等。
表2 RMC定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
4.2.3 GSA定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
如表3所示,GSA定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句是表征GNSS精度因子(DOP)和有效衛(wèi)星的語(yǔ)句,比較產(chǎn)品中的GSA語(yǔ)句。其中除去汽車(chē)行駛記錄儀B不輸出該語(yǔ)句外,汽車(chē)行駛記錄儀D、GNSS定位模塊板E與測(cè)地型接收機(jī)A、汽車(chē)行駛記錄儀C相比較,除了正常的位置精度因子、水平精度因子和垂直精度因子以外還多了TDOP字段,即鐘差精度因子,如表3中下劃線字段所示,其他字段與NMEA-0183相同。
表3 GSA定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
4.2.4 GSV定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
GSV語(yǔ)句包含了可視衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星標(biāo)志號(hào)、仰角、方位角、載噪比等信息。如表4所示,比較產(chǎn)品中的GSV與NMEA-0183相同,GSV為可見(jiàn)衛(wèi)星信息,但是不同產(chǎn)品北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星標(biāo)識(shí)號(hào)輸出不同。測(cè)地型接收機(jī)A用1XX表示北斗衛(wèi)星,汽車(chē)行駛記錄儀C用2XX表示北斗衛(wèi)星,汽車(chē)行駛記錄儀D和GNSS定位模塊板E則用XX來(lái)表示北斗衛(wèi)星。
表4 GSV定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句
Tab.4 GSV location data statement
語(yǔ)句產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容GSV測(cè)地型接收機(jī)A$GPGSV,9,1,28,2,11,143,42,21,37,318,46,20,55,019,51,29,31,231,45?40$GPGSV,9,2,28,5,25,078,46,18,22,305,43,15,65,352,52,13,36,032,46?4F$GPGSV,9,3,28,24,46,166,50?49$GLGSV,9,4,28,67,14,056,38,69,24,303,40,77,16,044,36,68,38,003,48?6B$GLGSV,9,5,28,78,37,100,43,79,23,152,43,84,24,319,40,82,23,189,44?6E$GLGSV,9,6,28,83,52,256,52?5A$GBDGSV,9,7,28,102,43,240,40,103,60,190,45,104,32,112,39,105,23,255,37?2F$GBDGSV,9,8,28,106,54,002,49,107,34,165,44,108,30,189,42,109,49,322,48?28$GBDGSV,9,9,28,110,20,184,39,101,49,132,43?2A汽車(chē)行駛記錄儀B$GPGSV,3,1,09,15,60,001,48,20,55,029,47,24,52,162,46,21,41,315,45?71$GPGSV,3,2,09,13,31,034,45,29,27,225,44,18,24,309,44,05,22,083,43?70$GPGSV,3,3,09,02,06,144,39?4F汽車(chē)行駛記錄儀C$GPGSV,3,1,09,05,17,095,43,13,22,039,44,14,07,243,35,15,52,015,48?78$GPGSV,3,2,09,18,31,318,46,20,56,050,48,21,51,308,45,24,64,151,49?7B$GPGSV,3,3,09,29,20,216,43?4B$BDGSV,3,1,10,201,49,131,46,202,42,240,43,203,60,190,46,204,32,112,44?6B$BDGSV,3,2,10,205,23,254,41,206,55,011,47,207,44,166,46,208,21,190,41?6D$BDGSV,3,3,10,209,48,330,46,210,27,186,42?63
續(xù)表語(yǔ)句產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容GSV汽車(chē)行駛記錄儀D$GPGSV,3,1,11,02,06,144,41,03,66,195,20,05,22,083,44,10,35,322,47?7E$GPGSV,3,2,11,13,31,034,45,15,60,001,48,18,24,309,44,20,55,029,46?7F$GPGSV,3,3,11,21,41,315,45,24,52,162,46,29,27,225,44?44$BDGSV,3,1,10,01,49,131,45,02,42,239,43,03,60,189,46,04,32,112,43?69$BDGSV,3,2,10,05,22,254,40,06,54,004,46,07,36,164,44,08,28,189,42?6E$BDGSV,3,3,10,09,48,323,45,10,21,184,40?64GNSS定位模塊板E$GPGSV,4,1,15,04,55,055,25,05,16,096,41,08,50,018,24,10,43,335,48?7E$GPGSV,4,2,15,12,04,154,38,13,19,040,42,14,08,244,36,15,50,018,48?71$GPGSV,4,3,15,16,66,146,24,18,33,319,46,20,55,055,47,21,52,304,45?7B$GPGSV,4,4,15,24,66,146,47,26,50,018,22,29,17,213,42?48$BDGSV,3,1,10,01,49,131,45,02,42,239,43,03,60,189,45,04,32,112,44?6D$BDGSV,3,2,10,05,22,254,40,06,54,011,46,07,45,166,45,08,20,189,40?67$BDGSV,3,3,10,09,48,331,45,10,28,186,42?6E
本文對(duì)定位精度的處理基于以下原理:直接用經(jīng)緯度計(jì)算兩點(diǎn)間距離和測(cè)量誤差時(shí),主要考慮2個(gè)參數(shù),即經(jīng)、緯度平均每一度的距離(弧長(zhǎng)),緯度平均每一度的弧長(zhǎng)大概是相等的,約為111000 m。而經(jīng)度平均每一度的弧長(zhǎng)是隨著緯度變化而變化的。緯度越小經(jīng)向的弧長(zhǎng)越大,反之,緯度越大經(jīng)向的弧長(zhǎng)則越短。計(jì)算每一緯度所在經(jīng)向一度的弧長(zhǎng),如下:
其中,B為計(jì)算點(diǎn)所在的緯度(取到度),R為赤道半徑,r為極軸半徑,取R=6378137m,r=6356752m。
5.1 動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試
如圖2所示,測(cè)地型接收機(jī)A和被測(cè)樣品行車(chē)記錄儀B放在標(biāo)準(zhǔn)速度車(chē)上繞CORS站運(yùn)行。測(cè)地型接收機(jī)A通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)接收CORS站的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行差分定位以獲得標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)和被測(cè)樣品的輸入到檢測(cè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件,經(jīng)過(guò)對(duì)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的研究可知,導(dǎo)航定位產(chǎn)品在GGA和RMC語(yǔ)句上的經(jīng)緯度定位位置的字段是相同的,數(shù)據(jù)處理軟件通過(guò)比較同一時(shí)刻的經(jīng)緯度定位位置的數(shù)據(jù)以檢測(cè)其動(dòng)態(tài)定位精度,軟件處理如圖3所示。
圖2 測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.2 Test system block diagram
圖3 動(dòng)態(tài)定位精度處理結(jié)果Fig.3 Dynamic positioning precision processing results
5.2 靜態(tài)定位精度測(cè)試
靜態(tài)定位精度比動(dòng)態(tài)定位精度簡(jiǎn)單,只需要將被測(cè)接收機(jī)放置到已知位置的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上采集導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),然后將輸出數(shù)據(jù)的定位位置字段與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的位置進(jìn)行比較即可獲得靜態(tài)定位精度。圖4所示為靜態(tài)定位精度處理結(jié)果。
圖4 靜態(tài)定位精度處理結(jié)果Fig.4 Static positioning precision processing results
通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上單模、雙模及多模導(dǎo)航定位終端的定位數(shù)據(jù)的分析及總結(jié),表明現(xiàn)有的民用市場(chǎng)上該類(lèi)終端的定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句多種多樣,未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)該類(lèi)終端的互聯(lián)、數(shù)據(jù)交互和質(zhì)量檢測(cè)造成一定的困難,并且該差異還將存在一段時(shí)間。針對(duì)以上問(wèn)題,本文以NMEA定義的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議NMEA-0183和由中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)BD 410004-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》為參照,對(duì)市場(chǎng)上常用導(dǎo)航定位終端的定位數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句進(jìn)行了系統(tǒng)性的比較,通過(guò)比較得到的結(jié)論是大部分終端的定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句的主體是一致的,僅僅在一小部分字段上的定義存在差異,例如對(duì)北斗衛(wèi)星的標(biāo)識(shí)號(hào)不同、擁有授時(shí)功能的終端比無(wú)授時(shí)終端多了鐘差精度因子語(yǔ)句等局部差異,根據(jù)統(tǒng)計(jì)以上差異化覆蓋大部分民用終端,因此本文提出的根據(jù)輸出語(yǔ)句的初步判斷后,再通過(guò)調(diào)整自動(dòng)化測(cè)試工具的對(duì)比字段符,從而達(dá)到快速精準(zhǔn)的測(cè)試,該方法也通過(guò)與其他實(shí)驗(yàn)室的比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證是可行有效的。
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Research on the Theory of Positioning Products Detection Based on GNSS Receiver Navigation and Positioning Data
WANG Xi-qin, DAI Wei-hang, LUO Jian
(Guangdong Telecommunications Terminal Products Quality Supervision and Testing Center,Heyuan, Guangdong 517001,China)
With the development of GNSS global navigation satellite system, especially with the operation and improvement of the BeiDou Navigation Satellite System, the mode the navigation and positioning products support goes from single-mode GPS to dual mode or multimode while the navigation and positioning data formats, whose major modification is based on NMEA-0183, are not unified. Research on the theory of the relevant standards and product data is performed, and the corresponding test methods are introduced.
GNSS;BeiDou Navigation Satellite System;GPS;NMEA-0183
10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.012
2016-06-17;
2016-07-01。
王細(xì)欽(1991-),男,助理工程師,主要從事通信終端產(chǎn)品的測(cè)試方法研究。E-mail:wxiqin@126.com
T-60
A
2095-8110(2017)01-0067-05