竇汝鵬，孫佳駿，吳飛燕

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

智能網(wǎng)聯(lián)汽車 （Intelligent and Connected Vehicle，ICV）是在安全、舒適的前提下，通過先進(jìn)的傳感器等裝置，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)替代人駕駛的新一代汽車。其技術(shù)包括多變環(huán)境感知、復(fù)雜情況智能決策、車間信息共享協(xié)同處理等［1］。高精度定位作為汽車位置獲取的關(guān)鍵技術(shù)，可以提高車輛實(shí)時(shí)位置信息的準(zhǔn)確度，是智能網(wǎng)聯(lián)汽車正常工作的重要支撐。導(dǎo)航接收機(jī)作為用戶端是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，為使用者提供定位、授時(shí)等服務(wù)，因此導(dǎo)航接收機(jī)的性能測(cè)試顯得尤為重要。本文依據(jù)GB 17691中附錄Q遠(yuǎn)程排放管理車載終端的技術(shù)要求及通信數(shù)據(jù)格式中針對(duì)定位功能的要求，著眼于車載終端導(dǎo)航接收機(jī)，從仿真測(cè)試和道路測(cè)試兩個(gè)方向研究了導(dǎo)航接收機(jī)的性能測(cè)試方法。

1 接收機(jī)誤差分析

導(dǎo)航接收機(jī)定位誤差來(lái)源有很多，大體可分為3個(gè)大類：一是由于衛(wèi)星自身原因產(chǎn)生的誤差，包括衛(wèi)星鐘差、星歷誤差等；二是在信號(hào)傳播時(shí)，由于環(huán)境等因素影響產(chǎn)生的誤差，包括相對(duì)論效應(yīng)誤差、多路徑效應(yīng)誤差、電離層延遲等；三是接收機(jī)本身產(chǎn)生的誤差，包括接收機(jī)鐘差、觀測(cè)噪聲誤差、天線相位中心誤差［2］等。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取差分技術(shù)或二項(xiàng)式模擬衛(wèi)星鐘誤差來(lái)削弱衛(wèi)星鐘差［3］，通過導(dǎo)航電文中的電離層改正模型減少電離層折射誤差［4］，利用天線方向圖的空間特性來(lái)降低多路徑效應(yīng)誤差［5］等。在本試驗(yàn)中，為了減少誤差帶來(lái)的不確定性，通過仿真試驗(yàn)輸出模擬衛(wèi)星信號(hào)，減少衛(wèi)星本身產(chǎn)生的誤差和傳播誤差，獲得接收機(jī)在理論環(huán)境下的性能；在實(shí)車道路測(cè)試中，通過利用工裝精確計(jì)算天線距離、功分器等方式盡量減少誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響。

2 接收機(jī)性能仿真測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

仿真測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室中通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）衛(wèi)星模擬器模擬產(chǎn)生靜態(tài)／動(dòng)態(tài)GNSS衛(wèi)星仿真信號(hào)、動(dòng)態(tài)路徑場(chǎng)景仿真信號(hào)等信號(hào)，直接將信號(hào)輸出至測(cè)試接收機(jī)的測(cè)試過程。仿真測(cè)試可避免傳播誤差、噪聲誤差等誤差影響。筆記本通過串口與測(cè)試機(jī)連接，可直接讀取接收機(jī)定位數(shù)據(jù)，與GNSS衛(wèi)星模擬器發(fā)出的數(shù)據(jù)對(duì)比，直觀地測(cè)試出接收機(jī)在理想環(huán)境下的性能。仿真測(cè)試設(shè)備連接如圖1所示。

目前設(shè)計(jì)的仿真測(cè)試項(xiàng)目有NMEA-0183消息輸出測(cè)試、冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試、重捕獲時(shí)間測(cè)試、捕獲靈敏度測(cè)試、跟蹤靈敏度測(cè)試、靜態(tài)定位精度測(cè)試、動(dòng)態(tài)定位精度 （空曠區(qū)域）、動(dòng)態(tài)定位精度 （陰影區(qū)域）和干擾測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前，通過對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行研究，提出滿足實(shí)際使用情況的合理指標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照，以此判定接收機(jī)性能。

2.2 NMEA-0183消息輸出仿真測(cè)試

2.2.1 NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)

NMEA是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) （American National Standards Institute，ANSI）的成員之一，也是ANSI授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)制定者之一。目前NMEA制定了3項(xiàng)海洋數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，其中NMEA-0183接口標(biāo)準(zhǔn)定義了設(shè)備電信號(hào)要求、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、時(shí)間格式等，在全球各行業(yè)領(lǐng)域均得到了應(yīng)用。2018年11月，NMEA發(fā)布了NMEA 0183-V4.11，對(duì)GNSS的部分進(jìn)行更新，除了全球4大導(dǎo)航定位系統(tǒng)外還包括日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng) （Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）、印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）的接口說明。同時(shí)，它還允許一些特定的設(shè)備制造商對(duì)其設(shè)備 （如Garmin GPS-38、Trimble Ensign XL）通信自行定義協(xié)議，具有較高的靈活性和通用性，因此被廣泛地使用［6］。

在接收機(jī)上，常見的NMEA-0183消息輸出有GGA（GPS定位信息）、GLL（大地坐標(biāo)信息）、GSV（可見的衛(wèi)星信息）、GSA （衛(wèi)星DOP值信息）等。

2.2.2 仿真測(cè)試

本項(xiàng)測(cè)試的目的是驗(yàn)證接收機(jī)能否可以正常輸出相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以方便進(jìn)行后續(xù)的性能評(píng)估。測(cè)試時(shí)將被測(cè)接收機(jī)接入GNSS性能測(cè)試平臺(tái)，設(shè)置GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器位置信息及時(shí)間信息。啟動(dòng)GNSS模擬器場(chǎng)景仿真，設(shè)置所有衛(wèi)星輸出功率為-130dBm。打開車載導(dǎo)航終端定位開關(guān)，等待被測(cè)接收機(jī)定位成功，保持定位狀態(tài)2min。設(shè)備輸出信息如圖2所示，表明被測(cè)設(shè)備消息輸出功能正常。

2.3 冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試

當(dāng)設(shè)備完全清空歷史信息，即概略時(shí)間、概略位置、星歷、歷書未知，開機(jī)需要重新搜索衛(wèi)星并嘗試定位的情況下，從通電后到有效接收到第一個(gè)可用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間稱為冷啟動(dòng)。首次定位時(shí)間用于考量導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)捕捉的快慢程度，從而體現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)信號(hào)搜索過程的效率。

測(cè)試時(shí)將被測(cè)接收機(jī)接入GNSS性能測(cè)試平臺(tái)，設(shè)置GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器位置信息及時(shí)間信息。清除被測(cè)設(shè)備所有已知的星歷信息、日歷信息和位置信息，使設(shè)備設(shè)置為冷啟動(dòng)測(cè)量的狀態(tài)，關(guān)閉被測(cè)接收機(jī)定位開關(guān)。啟動(dòng)GNSS模擬器場(chǎng)景仿真，設(shè)置所有衛(wèi)星輸出功率為-130dBm。打開車載導(dǎo)航終端定位開關(guān)，開始計(jì)時(shí)；等待被測(cè)接收機(jī)定位成功，并且水平定位精度小于100m時(shí)，停止計(jì)時(shí)，記錄定位時(shí)長(zhǎng)；如果定位超時(shí)則記錄定位失敗一次。關(guān)閉定位開關(guān)，停止衛(wèi)星場(chǎng)景仿真。重復(fù)上述過程獲得9組數(shù)據(jù)見表1。

表1 冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試結(jié)果

對(duì)測(cè)量獲得的9組冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間求取算術(shù)平均值：

式中：Ti——第i次測(cè)量獲得的冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間；n——測(cè)量總數(shù)9次。

同時(shí)計(jì)算冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差：

可知冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間的平均值為40.11s，標(biāo)準(zhǔn)差為3.21s，滿足實(shí)驗(yàn)前預(yù)設(shè)冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間≤60s的要求，且定位成功率為100%。

2.4 重捕獲時(shí)間測(cè)試

重捕獲時(shí)間指用戶設(shè)備在接收的導(dǎo)航信號(hào)短時(shí)消失后（如進(jìn)入隧道），從信號(hào)恢復(fù)到重新有效定位所花費(fèi)的時(shí)間。重新捕獲時(shí)間也同樣應(yīng)用于對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)信號(hào)捕獲能力的衡量上，但與首次定位時(shí)間相比，這項(xiàng)指標(biāo)突出接收機(jī)在信號(hào)暫時(shí)失鎖后的恢復(fù)能力。

測(cè)試時(shí)將被測(cè)接收機(jī)接入GNSS性能測(cè)試平臺(tái)，設(shè)置GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器位置信息及時(shí)間信息。啟動(dòng)GNSS場(chǎng)景仿真，設(shè)置所有衛(wèi)星輸出功率為-130dBm，開啟被測(cè)GNSS終端的定位開關(guān)。等待被測(cè)設(shè)備定位成功，保持定位狀態(tài)1min。關(guān)閉被測(cè)設(shè)備的定位開關(guān)，關(guān)閉GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器的輸出信號(hào)，時(shí)長(zhǎng)30s。打開GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器的輸出，打開定位開關(guān)，開始計(jì)時(shí)；當(dāng)定位成功并且定位水平精度小于100m，停止計(jì)時(shí)，記錄定位時(shí)長(zhǎng)；如果定位超時(shí)，記錄定位失敗1次。關(guān)閉定位開關(guān)，停止衛(wèi)星場(chǎng)景仿真。重復(fù)上述過程獲得9組數(shù)據(jù)如表2所示，對(duì)測(cè)量獲得的9組重捕獲時(shí)間根據(jù)公式 （1）和 （2）求取算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差?？芍夭东@時(shí)間的平均值為3.04s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.74s。滿足實(shí)驗(yàn)前預(yù)設(shè)重捕獲時(shí)間≤5s的要求。

表2 重捕獲時(shí)間測(cè)試結(jié)果

2.5 靜態(tài)定位精度測(cè)試

本測(cè)試目的是驗(yàn)證車載GNSS導(dǎo)航設(shè)備在冷啟動(dòng)定位成功后的定位精度。將被測(cè)接收機(jī)接入GNSS性能測(cè)試平臺(tái)，設(shè)置GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器位置信息及時(shí)間信息。清除被測(cè)設(shè)備所有已知的星歷信息、日歷信息和位置信息，使設(shè)備設(shè)置為進(jìn)行冷啟動(dòng)測(cè)量的狀態(tài)，關(guān)閉被測(cè)接收機(jī)定位開關(guān)。啟動(dòng)GNSS模擬器場(chǎng)景仿真，設(shè)置所有衛(wèi)星輸出功率為-130dBm。打開車載導(dǎo)航終端定位開關(guān)，等待定位成功。保持定位成功狀態(tài)1min，記錄1min內(nèi)的定位數(shù)據(jù)，并計(jì)算定位數(shù)據(jù)的平均精度，并與參考位置坐標(biāo)進(jìn)行比較。圖3為GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器設(shè)置樣例，表3展示了被測(cè)接收機(jī)輸出位置坐標(biāo)與參考位置坐標(biāo)的比較，二者吻合，滿足預(yù)設(shè)要求。

圖3 GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器設(shè)置樣例

表3 靜態(tài)定位精度測(cè)試結(jié)果

3 接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位性能道路測(cè)試

由于仿真測(cè)試是通過衛(wèi)星信號(hào)模擬器模擬產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送給接收機(jī)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是理想環(huán)境下接收機(jī)的工作指標(biāo)，從上文中也不難看出靜態(tài)定位精度與設(shè)置值相比幾乎完全相同。為了更好地體現(xiàn)接收機(jī)在實(shí)際工況下的性能指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)道路測(cè)試方案測(cè)量接收機(jī)在實(shí)車動(dòng)態(tài)環(huán)境下的定位精度，為接收機(jī)性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)車測(cè)試采用高精度RTK差分定位接收機(jī)作為基準(zhǔn)，測(cè)試車輛作為載體，將被測(cè)終端所用天線和高精度RTK差分定位接收機(jī)所用天線安裝在運(yùn)動(dòng)載體上，兩天線的相位中心相距不超過0.2m，測(cè)試車輛按照規(guī)劃路線行駛，不少于15min，測(cè)試過程中被測(cè)終端／持衛(wèi)星信號(hào)鎖定，期間包括加速、減速、轉(zhuǎn)彎、掉頭等操作，最高車速不超過80km／h。期間使用高精度RTK差分定位接收機(jī)獲取運(yùn)動(dòng)載體在運(yùn)動(dòng)過程中各時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，并以1Hz更新率采集被測(cè)終端輸出的位置坐標(biāo)。結(jié)束后，與高精度RTK差分定位接收機(jī)提供的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)相比較，求誤差均值，得到被測(cè)終端的定位誤差，驗(yàn)證是否滿足規(guī)定指標(biāo)。路測(cè)原理如圖4所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)要求

道路測(cè)試要求在測(cè)試道路上布置RTK差分基站，供RTK差分定位接收機(jī)使用。RTK差分基站放置點(diǎn)經(jīng)過測(cè)繪局測(cè)繪得到準(zhǔn)確位置信息。在差分基站覆蓋范圍內(nèi)，包含開闊場(chǎng)地及樓房遮擋場(chǎng)地，測(cè)試車輛可做加減速、拐彎等行駛模式。

圖4 路測(cè)原理

同時(shí)要求準(zhǔn)備有足夠空間及供電接口 （或蓄電池）給基準(zhǔn)接收機(jī)、待測(cè)件等設(shè)備供電的測(cè)試車輛。測(cè)試車輛車頂能夠安裝衛(wèi)星天線及與差分基站之間通信的通信天線。

RTK差分定位接收機(jī)見圖5，RTK差分定位天線見圖6。

圖5 RTK差分定位接收機(jī)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境上，要求實(shí)驗(yàn)在水平精度因子 （HorizontalDilution OfPrecision，HDOP）≤3或位置精度因子 （Positioning Dilution Of Precision， PDOP）≤4的條件下測(cè)試，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普適性。

圖6 RTK差分定位天線

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

道路測(cè)試結(jié)束后，可分別獲取到RTK差分定位接收機(jī)和被測(cè)接收機(jī)的時(shí)間、經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)，并在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)。已知兩點(diǎn)經(jīng)緯度可利用公式計(jì)算兩點(diǎn)間距離，本次實(shí)驗(yàn)采用功分器輸出兩路同一天線產(chǎn)生的衛(wèi)星信號(hào)，可認(rèn)為天線相位中心間距為0。

以RTK差分定位接收機(jī)提供的經(jīng)緯度信息為真值，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。依據(jù)公式 （3）通過兩點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算距離：

式中：a——基準(zhǔn)值和測(cè)試值的緯度弧度制差值；b——基準(zhǔn)值和測(cè)試值的經(jīng)度弧度制差值；α——測(cè)試值的緯度弧度制；β——測(cè)試值的緯度弧度制；6378.137——地球半徑，km。

在經(jīng)度弧度制上，被測(cè)接收機(jī)與RTK差分定位接收機(jī)對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在1.50E-07內(nèi)起伏，個(gè)別數(shù)據(jù)誤差達(dá)到2.50E-07。在緯度弧度制上，被測(cè)接收機(jī)與RTK差分定位接收機(jī)對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在2.00E-07內(nèi)起伏，個(gè)別數(shù)據(jù)誤差達(dá)到4.00E-07。在換算后的距離上，被測(cè)接收機(jī)與RTK差分定位接收機(jī)對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在1.5m內(nèi)起伏，個(gè)別數(shù)據(jù)誤差達(dá)到2m，最終平均誤差為1.46m，滿足預(yù)設(shè)定位精度。對(duì)比結(jié)果如圖7~圖9所示。

圖7 測(cè)試值與基準(zhǔn)值經(jīng)度差對(duì)比圖

圖8 測(cè)試值與基準(zhǔn)值緯度差對(duì)比圖

4 總結(jié)與展望

本文首先說明了導(dǎo)航接收機(jī)性能測(cè)試的重要性，之后針對(duì)性能測(cè)試方法進(jìn)行了研究，提出了仿真測(cè)試和道路測(cè)試具體的測(cè)試項(xiàng)目及方法，并列舉了部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。尤其在道路測(cè)試中通過測(cè)試數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較，定量地分析了車載導(dǎo)航終端實(shí)際運(yùn)行中的誤差情況。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中還有很多問題需要進(jìn)行更深的研究。如：通過功分器輸出的兩路衛(wèi)星信號(hào)與兩個(gè)接收機(jī)各自使用原天線相比是否會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。針對(duì)這個(gè)問題考慮使用工裝確定兩天線相位中心距離，精確計(jì)算誤差。隨著“中國(guó)制造2025”等發(fā)展戰(zhàn)略的提出，可以預(yù)見智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)將會(huì)蓬勃發(fā)展，相關(guān)性能測(cè)試工作將會(huì)為產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖9 測(cè)試值與基準(zhǔn)值距離差對(duì)比圖