謝璐璐，徐華偉，李家斌，黃林軼

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370）

引言

隨著北斗三號系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，北斗接收機(jī)由電力、交通運(yùn)輸、公共安全、通信、水利等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域向大眾消費(fèi)領(lǐng)域深層次擴(kuò)展，且開始與GNSS兼容互操作、融合通信系統(tǒng)（5G）以及與聲光電磁和機(jī)械慣性等時(shí)空信息結(jié)合，形成新時(shí)空下的高可靠性乏在位置服務(wù)。北斗接收機(jī)按功能可劃分為北斗RNSS接收機(jī)和北斗RDSS接收機(jī)，其中RNSS是指衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，如GPS、伽利略、格洛納斯等全球系統(tǒng)是典型的RNSS系統(tǒng)。北斗RNSS接收機(jī)按功能又可細(xì)分為定位型、導(dǎo)航型、測量型和定時(shí)型。導(dǎo)航、定位是北斗接收機(jī)產(chǎn)品最重要的功能，而定位精度、靈敏度以及時(shí)間特性是衡量北斗RNSS接收機(jī)性能的三個(gè)最主要的指標(biāo)。目前，北斗RNSS接收機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)繁多[1]，有國家標(biāo)準(zhǔn)、北斗系列專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范測試方法不統(tǒng)一，因此有必要對北斗RNSS接收機(jī)主要性能指標(biāo)以及存在的測試問題進(jìn)行梳理及分析，為北斗終端企業(yè)研發(fā)人員或檢測機(jī)構(gòu)領(lǐng)域測試人員提供參考。

1 定位精度

定位精度是指接收機(jī)輸出的觀測位置值與真實(shí)位置值之差的統(tǒng)計(jì)值，其反映的是北斗RNSS接收機(jī)定位結(jié)果與真值間的一致程度。通常所說的定位精度，嚴(yán)格來說應(yīng)該稱為“定位準(zhǔn)確度”，“精度”只是在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域約定俗稱的叫法。定位精度一般由隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差組成，這兩者反映的是定位的精密度和正確度即偏差。正確度是指測量值和真實(shí)值的接近程度，用于表明測量值的正確性。而精密度是指多次測量的測量值彼此之間的符合程度，用于表明測量值之間的重現(xiàn)性。

1.1 統(tǒng)計(jì)方法

定位精度的評估最常見的統(tǒng)計(jì)方法有三個(gè)：標(biāo)準(zhǔn)偏差、均方根誤差（RMS）、圓概率誤差（CEP）。圓概率誤差是指以真實(shí)值為圓心、偏離圓心概率為50 %的二維點(diǎn)位的散布半徑，有些標(biāo)準(zhǔn)也用排序法[2]，二者意義相近。目前標(biāo)準(zhǔn)里應(yīng)用最多的主要是基于標(biāo)準(zhǔn)偏差和基于均方根誤差兩種定位精度統(tǒng)計(jì)方法。

1）基于標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差又稱均方差，為方差的平方根，描述隨機(jī)變量與其數(shù)學(xué)期望的離散程度，通常用來反映定位測試結(jié)果的精密度，統(tǒng)計(jì)公式如式（1）：

式中：

ms—定位精度，單位為m；

N1—獲得的定位坐標(biāo)個(gè)數(shù)；

Xi、Yi、Zi—獲得的第個(gè)定位測試坐標(biāo)；

2）基于均方根誤差（RMS）

均方根誤差為觀測值與其真值（或其他外部觀測）偏差的平方和均值的平方根，通常用來反映定位測試結(jié)果的正確度，統(tǒng)計(jì)公式如式（2）：

式中：

mr—定位精度，單位為m；

N2—獲得的定位坐標(biāo)個(gè)數(shù)；

Xi、Yi、Zi—獲得的第個(gè)定位測試坐標(biāo)；

Xi0、Yi0、Zi0—對應(yīng)測試坐標(biāo)的第個(gè)參考真值定位坐標(biāo)。

1.2 評估指標(biāo)

定位精度按使用場景主要分為靜態(tài)定位精度（單點(diǎn)定位精度）、動(dòng)態(tài)定位精度、RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）測量精度，依據(jù)不同的測試對象，側(cè)重點(diǎn)也不同，如表1所示。

表1 北斗RNSS接收機(jī)定位精度評估指標(biāo)

1）靜態(tài)定位精度

靜態(tài)定位精度也叫單點(diǎn)定位精度，一般使用真實(shí)衛(wèi)星信號進(jìn)行測試，有標(biāo)準(zhǔn)[3]也允許使用模擬信號進(jìn)行測試。測試時(shí)將被測設(shè)備的天線按使用狀態(tài)固定在一個(gè)位置已知的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上，待設(shè)備能夠正常定位后，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試時(shí)間或有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行采集，記錄顯示或者輸出的坐標(biāo)，最后將獲取的定位數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，通常只統(tǒng)計(jì)PDOP≤6的數(shù)據(jù)。

一般靜態(tài)定位精度是基于均方根誤差（RMS）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室批準(zhǔn)發(fā)布的北斗系列專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)則是基于均方根和標(biāo)準(zhǔn)差相結(jié)合的方式求得定位精度的偏差和精密度（置信概率為95 %），進(jìn)而得到靜態(tài)定位精度，如標(biāo)準(zhǔn)[4]附錄B。值得注意的是，該方法處理過程需要假設(shè)各軸向隨機(jī)誤差接近正態(tài)分布、且誤差橢圓軸比約為1。

2）動(dòng)態(tài)定位精度

動(dòng)態(tài)定位精度可使用GNSS模擬器仿真技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載體運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測試，也可根據(jù)實(shí)際的衛(wèi)星導(dǎo)航場景信號測試動(dòng)態(tài)定位精度。模擬器產(chǎn)生的信號必須具有與衛(wèi)星信號相同的特性，并在正常動(dòng)態(tài)星座下產(chǎn)生幾何位置良好（HDOP≤4 或PDOP≤6）的衛(wèi)星信號。模擬器模擬的軌跡一般包括直線運(yùn)動(dòng)和相對直線的偏移運(yùn)動(dòng)，具體根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范來，如果要測速度精度，還應(yīng)當(dāng)在規(guī)定最大速度和最大加速度值的場景上模擬測試。若使用實(shí)際導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行測試，則要有一個(gè)組合慣導(dǎo)接收機(jī)或者RTK接收機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)比對數(shù)據(jù)，且參考接收機(jī)和被測接收機(jī)同時(shí)采集相同或者兩天線相位中心相距不超過0.2 m的衛(wèi)星信號。

由于采用實(shí)際衛(wèi)信號進(jìn)行測試的可重復(fù)性差，因此在產(chǎn)品檢測時(shí)間長或者批次較多的比對或鑒定試驗(yàn)時(shí)，通常采用模擬信號進(jìn)行試驗(yàn)。如果接收機(jī)注重實(shí)際環(huán)境下的使用效果，則可選擇組合慣導(dǎo)接收機(jī)作為參考接收機(jī)，并選定相應(yīng)的室外場景進(jìn)行實(shí)際路面測試，測試場景可以選擇城市峽谷、隧道、立交橋、十字路口等。一般動(dòng)態(tài)定位精度是基于均方根誤差（RMS）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但也可在測試時(shí)間足夠長、能夠獲得大樣本量定位數(shù)據(jù)（例如：以1 Hz 更新率采集24 h的定位數(shù)據(jù)）的情況下，用排序方法處理。

3）RTK測量精度

RTK測量精度[5,6]為測量型接收機(jī)在RTK工作模式下的定位精度指標(biāo)，一般使用真實(shí)衛(wèi)星信號進(jìn)行測試。測試中通常首先按產(chǎn)品檢定規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置接收機(jī)參數(shù)配置，并將流動(dòng)站接收機(jī)放在已知坐標(biāo)的點(diǎn)位上進(jìn)行觀測，輸入正確的天線高，并按照要求的次數(shù)進(jìn)行多組觀測，每組測量須重新開機(jī)進(jìn)行初始化且采集數(shù)目應(yīng)當(dāng)滿足技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)要求，或在多個(gè)已知坐標(biāo)的點(diǎn)上進(jìn)行多組采集，然后進(jìn)行RTK測量精度的統(tǒng)計(jì)。對于規(guī)程[7]，測量型接收機(jī)的RTK測量精度指標(biāo)需要轉(zhuǎn)換為基線長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

RTK測量精度的統(tǒng)計(jì)分為外符合精度和內(nèi)符合精度，這兩者分別是基于均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到結(jié)果。由于內(nèi)符合精度的測試并不需要已知坐標(biāo)點(diǎn)也可以求解，因此上述的測試方法主要設(shè)定為針對外符合精度進(jìn)行測試。RTK測量精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足檢定規(guī)程的標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)差或者測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求值。

式中：

σ—接收機(jī)標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)差，單位為毫米（mm）；

a—固定誤差，單位為毫米（mm）；

b—比例誤差，單位為毫米每千米（mm/km）；

D—基線長度，單位為千米（km）。

通常情況下，產(chǎn)品要求RTK測量精度的外符合精度和內(nèi)符合精度均滿足相同要求，但實(shí)際測試過程中發(fā)現(xiàn)，由于受測試環(huán)境、已知點(diǎn)坐標(biāo)系和接收機(jī)輸出坐標(biāo)系不同、接收機(jī)本身的固有噪聲等影響，外符合精度實(shí)際要比內(nèi)符合精度差。

2 靈敏度及時(shí)間特性

2.1 靈敏度

北斗RNSS接收機(jī)靈敏度指標(biāo)包括捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、重捕獲靈敏度，其定義描述見表2。

表2中的冷啟動(dòng)是指設(shè)備在概略位置、概略時(shí)間、星歷和歷書未知的狀態(tài)下開機(jī)啟動(dòng)。導(dǎo)航信號短時(shí)失鎖指設(shè)備正常定位狀態(tài)下，GNSS衛(wèi)星信號短時(shí)中斷30 s后恢復(fù)。根據(jù)北斗專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[8]，北斗RNSS接收機(jī)定時(shí)功能的靈敏度指標(biāo)要求明顯低于定位型和導(dǎo)航型設(shè)備，而測量型接收機(jī)則針對不同的頻點(diǎn)提出了各靈敏度項(xiàng)目不同的要求，且總體要求也比定位及導(dǎo)航型設(shè)備低，同時(shí)對重捕獲靈敏度指標(biāo)不作要求。

表2 靈敏度指標(biāo)

2.2 時(shí)間特性

北斗RNSS接收機(jī)的時(shí)間特性指標(biāo)包括首次定位（定時(shí)）時(shí)間和重捕獲時(shí)間。重捕獲時(shí)間是指北斗RNSS接收機(jī)在接收的導(dǎo)航信號短時(shí)失鎖后，從信號恢復(fù)到重新捕獲導(dǎo)航信號所需的時(shí)間。通常情況下，時(shí)間特性指標(biāo)需要模擬源信號才能實(shí)現(xiàn)測試。表3為首次定位（定時(shí)）時(shí)間指標(biāo)各個(gè)項(xiàng)目的具體闡述。一般來說定位、導(dǎo)航、定時(shí)類設(shè)備無溫啟動(dòng)時(shí)間要求，測量型接收機(jī)無重捕獲時(shí)間要求，且定位、導(dǎo)航設(shè)備的冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)指標(biāo)要求高于測量型接收機(jī)。

表3 首次定位(定時(shí))時(shí)間指標(biāo)

其他時(shí)間特性指標(biāo)還包括導(dǎo)航型接收機(jī)的路徑計(jì)算時(shí)間、目標(biāo)檢索時(shí)間以及測量型接收機(jī)的RTK初始化時(shí)間等。RTK初始化是指流動(dòng)站正常開機(jī)啟動(dòng)后，利用載波相位差分技術(shù)及基于動(dòng)態(tài)或靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，從搜索到完成初始整周模糊度解算并得到RTK結(jié)果的整個(gè)過程。通常指在不大于8 km的基線上或通過模擬器仿真一個(gè)靜態(tài)位置，在接收機(jī)成功單點(diǎn)定位后，接收基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)，記錄從獲得浮動(dòng)解到獲得固定解的時(shí)間。

3 測試問題

3.1 數(shù)據(jù)接口問題

部分導(dǎo)航型產(chǎn)品在成型的時(shí)候，并未留有實(shí)時(shí)輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的接口，如無導(dǎo)出NMEA0183語句的串口，或無法輸出數(shù)據(jù)格式符合標(biāo)準(zhǔn)[9]要求的定位數(shù)據(jù)等。這種產(chǎn)品在測試時(shí)，無法與檢測機(jī)構(gòu)的測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或不能實(shí)時(shí)提供有效的定位數(shù)據(jù)給到測試人員。測試系統(tǒng)在無法有效獲取足夠原始導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的情況下，基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法是很難對產(chǎn)品的定位精度、靈敏度、時(shí)間特性等指標(biāo)進(jìn)行量化考核的。因此，對于這種產(chǎn)品的測試，企業(yè)技術(shù)人員和檢測機(jī)構(gòu)人員需要提前溝通確認(rèn)好測試系統(tǒng)需要的配件及數(shù)據(jù)接口，并按實(shí)際需求配合產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的正常測試。同時(shí)，也建議制造商設(shè)計(jì)北斗RNSS接收機(jī)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮后續(xù)常規(guī)導(dǎo)航指標(biāo)的測試需求，并留有相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出接口，保障產(chǎn)品具備可測試性，促進(jìn)產(chǎn)品性能的提升。

3.2 交互指令問題

不同企業(yè)生產(chǎn)的北斗RNSS接收機(jī)輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的激活指令不同，會導(dǎo)致測試過程中北斗RNSS接收機(jī)每次重新上電后，都需要重新發(fā)送企業(yè)特有的激活指令以使接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)。部分接收機(jī)在測試完一個(gè)指標(biāo)后（如定位精度），產(chǎn)品仍然可能處于正常定位的狀態(tài)，如果測試系統(tǒng)繼續(xù)測試下一個(gè)指標(biāo)（如捕獲靈敏度），此時(shí)信號模擬源會重啟測試場景，需要配置測試系統(tǒng)重新發(fā)送企業(yè)特有的指令去激活接收機(jī)輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。出現(xiàn)這種情況，則需要反復(fù)匹配測試過程，有效把控好激活指令的輸入操作和測試系統(tǒng)其他運(yùn)行步驟之間的時(shí)間順序，才能實(shí)現(xiàn)各個(gè)指標(biāo)的測試。因此，為避免反復(fù)的調(diào)試以及浪費(fèi)測試資源和測試時(shí)間，建議北斗RNSS接收機(jī)生產(chǎn)企業(yè)采用的芯片應(yīng)當(dāng)能夠在上電后或者配置一次激活指令后即可保持輸出格式符合要求的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。

3.3 定位問題

在測試過程中如果仿真場景的時(shí)間回退，將會造成導(dǎo)航接收機(jī)定位困難或者定位錯(cuò)誤。這是因?yàn)楫a(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)部邏輯將時(shí)間認(rèn)定為持續(xù)往前推進(jìn)的，未考慮到在測試過程中，尤其是冷啟動(dòng)時(shí)間等指標(biāo)測試過程中需要切換測試場景（系統(tǒng)時(shí)間不同）的導(dǎo)致的定位問題。送檢時(shí)，企業(yè)應(yīng)先判定是否存在這種情況，否則應(yīng)及時(shí)反饋給檢測機(jī)構(gòu)的檢測人員，以便在測試特定項(xiàng)目時(shí)對被測設(shè)備進(jìn)行適時(shí)斷電重啟的操作。另外，部分產(chǎn)品在沒有衛(wèi)星信號的情況下，仍然會輸出最近一次定位的坐標(biāo)信息，在測試啟動(dòng)時(shí)間、失鎖、重捕時(shí)間、跟蹤靈敏度等指標(biāo)時(shí)造成一定的困擾。不同產(chǎn)品處理信號失鎖的方式方法不同，北斗RNSS接收機(jī)生產(chǎn)企業(yè)須提前確認(rèn)是否存在類似情況，避免造成誤判。

3.4 內(nèi)部存儲問題

目前北斗系列專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要是針對能夠即時(shí)儲存星歷、歷書、概略時(shí)間和概略位置的北斗RNSS接收機(jī)，描述的冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)時(shí)間測試方法都是通過斷電開機(jī)實(shí)現(xiàn)的，但若產(chǎn)品無內(nèi)部電池（即斷電即失去星歷、歷書等信息），則每次斷電開機(jī)測試的都是冷啟動(dòng)時(shí)間指標(biāo)。對于無內(nèi)部電池的北斗RNSS接收機(jī)，建議企業(yè)改進(jìn)產(chǎn)品斷電存儲能力、適配北斗標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)目前動(dòng)態(tài)的外場場景使用需求，同時(shí)配備必須要的冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)指令以便核實(shí)產(chǎn)品性能。

3.5 其他問題

有些北斗RNSS接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)的UTC時(shí)間與模擬信號源無法對齊，就算反復(fù)調(diào)整測試系統(tǒng)的閏秒數(shù)也無法改善。該問題會導(dǎo)致被測設(shè)備輸出數(shù)據(jù)無法與測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對，無法得到定位結(jié)果或者定位誤差非常大。此種情況需要生產(chǎn)企業(yè)仔細(xì)分析接收機(jī)本身的內(nèi)部定位算法和原理，尤其注意定位時(shí)間輸出的準(zhǔn)確性，避免產(chǎn)生定位精度、靈敏度、時(shí)間特性等指標(biāo)的誤判。其次，部分本身帶操作系統(tǒng)的北斗RNSS接收機(jī)，斷電開機(jī)后首先要啟動(dòng)操作系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)方法測出來的時(shí)間特性指標(biāo)會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)的要求，此時(shí)則只能通過企業(yè)配備的冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)指令激活產(chǎn)品進(jìn)行評測。另外，通常標(biāo)準(zhǔn)要求的RTK測量精度為水平和垂直指標(biāo)，而部分產(chǎn)品聲稱的固定誤差和比例誤差為三維指標(biāo)，出現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)稱誤差因子和標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)要求不匹配的情況，從而無法測試評價(jià)。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，北斗/GPS兼容型RNSS接收機(jī)將會成為主流，導(dǎo)航終端與5G通信系統(tǒng)的深入融合，也將促進(jìn)北斗RNSS接收機(jī)在各行業(yè)以及大眾消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用。未來“+北斗”產(chǎn)品或系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用，將對新型北斗RNSS接收機(jī)在精度、可用性、連續(xù)性、完好性、可靠性和安全性上有新的要求，北斗RNSS接收機(jī)研發(fā)或生產(chǎn)企業(yè)須注重提升產(chǎn)品本身性能，加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的研究，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，以此促進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量改進(jìn)、提升產(chǎn)品的適應(yīng)能力，進(jìn)而擴(kuò)大自身品牌的影響力。