CN106353778B - 一种导航终端的精度验证系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种导航终端的精度验证系统及方法，包括控制被测导航终端和控制计算机，其特征在于，还包括平台服务器，视频回放设备，其中平台服务器中存储了大量的场景数据，并通过网络与控制计算机连接，控制计算机可以控制场景库场景数据传送至射频回放设备，射频回放设备将场景数据转化为射频RF信号发出，被测导航终端设备具有射频接口，可接收所述射频信号，进行解算，并将解算结果反馈给控制计算机，由控制计算机对结果进行运算以验证导航终端的精度。

Description

一种导航终端的精度验证系统及方法

技术领域

本发明属于航天测试技术领域，尤其涉及一种基于导航典型场景数据的回放一致性测试评估验证方法，更尤其涉及一种导航终端的精度验证系统及方法。

背景技术

卫星(例如北斗)导航测试数据规范化是卫星导航技术产业化和国际化推广的核心。由于导航终端的实际性能与应用场景环境密切相关，当前国内不同行业、不同研究机构和产品厂商均在开展导航测试数据的收集工作，但是由于缺乏导航卫星信号的采集标准和数据共享机制，致使各单位的数据缺乏整合，难以实现有效积累，重复劳动严重。一方面各导航技术研发机构和生产企业需要大量真实信号数据库来支撑完备的导航终端测试，但另一方面缺乏数据共享交换机制和统一标准使得大量数据收集工作无法形成累积效应，这成为测试领域的一个瓶颈问题。其次各单位开展的真实导航信号的收集工作仅仅覆盖了一些较为典型的真实信号，但总体上复杂场景测试信号的数据还不足，覆盖性和代表性不够，比如极端气候条件下的导航信号，复杂城市环境、河道环境、不同载体平台以及不同载体速度条件下的导航信号均不足，不能支持更广泛的性能测试，而支持复杂场景公共测试数据服务平台是测试领域发展趋势，为此需构建典型场景数据库，对导航测试数据提出了更高的要求。

而在导航终端精度的测试环节，目前根据测试实现方式可分为室内测试和实星测试。室内测试的优点是各类误差影响、信号电平等因素能够精确量化，实现对被测终端量化考核，但室内模拟测试信号与实际使用条件存在较大差异，室内测试结果不能全面反映实际使用效果。实星测试由于外界环境变化不可控，不能给出精确的量化结果。因此，目前对于导航终端的精度并没有有效的验证方法。

发明内容

本发明的提供一种能够低成本、方便且比较准确的验证导航终端精度的系统和方法，具体而言本发明提供一种导航终端的精度验证系统，包括控制被测导航终端和控制计算机，其特征在于，还包括平台服务器，视频回放设备，其中平台服务器中存储了大量的场景数据，并通过网络与控制计算机连接，控制计算机控制场景库场景数据传送至射频回放设备到射频回放设备，射频回放设备将场景数据转化为射频RF信号发出，被测导航终端设备具有射频接口，可接收所述射频信号，进行解算，并将解算结果反馈给控制计算机，由控制计算机对结果进行运算以验证导航终端的精度。

进一步地，其特征在于：所述场景是指导航终端在实际路测中的典型场景，所述场景基于外部特征有多种分类方式，包括城市环境场景、气象环境场景、应用载体场景。

进一步地，其特征在于：所述的回放结果的验证包括重复性和稳定性验证，其中，重复性的计算公式如下：

式中，——第i次回放信号测试结果与实际信号测试结果之差；

其中

x_i——第i次回放信号测试结果

x₀——实际信号测试结果

n——重复回放次数

稳定性的计算公式如下：

式中，——回放测试结果平均值

——实际信号测试结果平均值。

本发明还提供一种导航终端的精度验证方法，包括控制被测导航终端和控制计算机，其特征在于，还包括平台服务器，视频回放设备，其中平台服务器中存储了大量的场景数据，并通过网络与控制计算机连接，控制计算机控制场景库场景数据传送至射频回放设备射频回放设备，射频回放设备将场景数据转化为射频RF信号发出，被测导航终端设备具有射频接口，可接收所述射频信号，进行解算，并将解算结果反馈给控制计算机，由控制计算机对结果进行运算以验证导航终端的精度，

其中，所述验证流程如下：用户在测控计算机登陆后，首先进行设备通电、功能性检查，如果有问题则发出警告，如果顺利，则由用户通过测控计算机2向平台服务器发出信号，要求调取所需场景；平台服务器响应所述需求，通过通信网络向测控计算机发出场景数据，测控计算机2得到场景数据，而后控制计算机将场景数据发送给射频回放设备，射频回放设备输出特定场景信号，射频回放设备将中频典型场景数据回放为射频信号，然后采用导航终端设备接收并多次处理回放信号。

其中，所述处理包括解算步骤，解算完成后得到定位、测速结果，并由被测导航终端设备将结果上传至测控计算机，将该多次结果与数据库基准数据进行对比，得到定位、测速误差，保存数据，处理后对误差进行分析，求取定位、测速均方误差。进而可以测算出导航终端设备的精度。

进一步地，其特征在于：测试系统发送测试指令(SIR、RMO指令等)，被测终端相应指令，上报对应实时定位信息，评估软件对上报定位信息与基准信息进行比较计算，得到定位性能结果。

进一步地，其特征在于：所述场景是指导航终端在实际路测中的典型场景，所述场景基于外部特征有多种分类方式，包括城市环境场景、气象环境场景、应用载体场景。

进一步地，其特征在于：所述的回放结果的验证包括重复性和稳定性验证，其中，重复性的计算公式如下：

式中，——第i次回放信号测试结果与实际信号测试结果之差；

＝x_i-x₀，其中

x_i——第i次回放信号测试结果

x₀——实际信号测试结果

n——重复回放次数

稳定性的计算公式如下：

式中，——回放测试结果平均值

——实际信号测试结果平均值

进一步地，其特征在于：所述解算步骤包括定位解算和速度解算，所述定位解算的步骤如下：

通过采集的各时刻定位数据，剔除定位语句(GGA)中有效标示符为“无效”的数据。剔除后的定位数据参与定位准确度的解算，参与解算的定位数据与标定的已知位置值相比，计算定位准确度，计算方式如下：

将被测模块输出的大地坐标系(BLH)定位数据转换为站心坐标系(NEU，北-东-天坐标系)定位数据。计算各历元输出的定位数据在站心坐标系下各方向(NEU方向，即北-东-天方向)的定位误差：

ΔN_i＝N_i-N_0i

ΔE_i＝E_i-E_0i

ΔU_i＝U_i-U_0i

式中：ΔN_i、ΔE_i、ΔU_i、ΔH_i——第i次实时定位数据的N、E、U方向和水平方向的定位误差(i＝1，2…n)，m(单位是米，下同)；

N_i、E_i、U_i——第i次实时定位数据的N、E、U方向分量，m；

N_0i、E_0i、U_0i——第i次实时定位的基准点坐标N、E、U方向分量，m；

计算站心坐标系下各方向的定位偏差：

式中：——定位偏差的N、E、U方向分量，m；

计算定位误差的标准差(standard deviation)：

式中：σ_N，σ_E，σ_U——定位误差的标准差在N、E、U方向的分量，m

σ_H——定位误差的标准差在水平方向的分量，m

水平方向：

u_H＝σ_H

垂直方向：

u_U＝σ_U

NEU三个方向的定位偏差：

进一步地，其特征在于：所述速度精度解算的方法如下：

通过采集的各时刻定位数据，剔除定位语句(RMC)中有效标示符为“无效”的数据。

剔除后的速度数据参与速度准确度的解算，参与解算的速度数据与标定的已知位置值相比，计算速度准确度。计算方式如下：

计算各历元输出的速度误差：

Δv＝v_i-v₀

式中：v_i——第i次实时速度数据(i＝1,2…n)，m/s

v₀——第i次实时速度的标准值，m/s

计算速度偏差：

式中：——速度偏差，m/s

计算速度误差的标准差(standard deviation)：

式中：——速度误差的标准差，m/s

附图说明

图1是本发明回放测试系统结构图；

图2是本发明回放测试流程图；

具体实施方式

图1示出了本发明回放测试系统、图2示出了该测试系统的测试流程。回放测试系统其包括平台服务器1、用户测试控制计算机2、射频回放设备3和被测导航终端设备4。平台服务器1中存储了大量的场景信息，并通过网络与控制计算机2连接，控制计算机2可以控制场景库场景数据传送至射频回放设备3，射频回放设备3将场景数据转化为射频RF信号发出，被测导航终端设备具有射频接口，可接收所述射频信号，进行解算，并将解算结果反馈给控制计算机。

具体测试流程如图2所示，用户在测控计算机2登陆后，首先进行设备通电、功能性检查，如果有问题则发出警告，如果顺利，则由用户通过测控计算机2向平台服务器1发出信号，要求调取所需场景。平台服务器1响应所述需求，通过通信网络向测控计算机2发出场景数据。测控计算机2得到场景数据后，而后在实验室，对同一场景数据进行回放，通过用户测试控制计算机控制射频回放设备3输出特定场景RF信号，其中回放设备将中频典型场景数据回放为射频信号，采用同一导航终端设备4接收并多次处理回放信号。具体测试中，由控制计算机控制2发送指令，指令发给被测导航终端设备4，被测导航终端设备4接收到指令后，根据指令输出定位信息到控制计算机2(可以只输出位置，或者速度，或者姿态信息，或者三类同时都输出)。例如，发送的RMO指令，就是使被测终端输出特定语句(GGA语句含位置信息，RMC语句含速度信息等)；SIR指令用于设置被测导航终端设备4工作模式，是单北斗或者单GPS或者GPS+北斗。

所述处理包括被测设备4解算，解算完成后得到定位、测速结果，被测导航终端设备4将结果上传至测控计算机2，将该多次结果与数据库基准数据进行对比，得到定位、测速误差，保存数据，处理后对误差进行分析，求取定位、测速均方误差。进而可以测算出导航终端设备的精度。

其中场景是指导航终端在实际路测中的典型场景，基于外部特征有多种分类方式，比如从对应的城市环境，有城市峡谷、高架桥、山区、水库及河道、开阔地等典型类型；从气象环境角度有雷暴、冰雪、风雨、晴天等；从应用载体和使用环境角度有车载、船载、高速飞行器等。对于每个典型场景，进行对应数据采集。

其中的场景数据为利用导航终端设备4进行实际信号接收，并得到位置和速度实测信息，记录并保存在服务器中，采集结束后选取特定场景中一段数据进行评估，得到定位指标，其具体算法如下：

通过采集的各时刻定位数据，剔除定位语句(GGA)中有效标示符为“无效”的数据。剔除后的定位数据参与定位准确度的解算，参与解算的定位数据与标定的已知位置值相比，计算定位准确度。计算方式如下：

将被测模块输出的大地坐标系(BLH)定位数据转换为站心坐标系(NEU，北-东-天坐标系)定位数据。计算各历元输出的定位数据在站心坐标系下各方向(NEU方向，即北-东-天方向)的定位误差：

ΔN_i＝N_i-N_0i

ΔE_i＝E_i-E_0i

ΔU_i＝U_i-U_0i

式中：ΔN_i、ΔE_i、ΔU_i、ΔH_i——第i次实时定位数据的N、E、U方向和水平方向的定位误差(i＝1，2…n)，m(单位是米，下同)；

N_i、E_i、U_i——第i次实时定位数据的N、E、U方向分量，m；

N_0i、E_0i、U_0i——第i次实时定位的基准点坐标N、E、U方向分量，m；

计算站心坐标系下各方向的定位偏差：

式中：——定位偏差的N、E、U方向分量，m；

计算定位误差的标准差(standard deviation)：

式中：σ_N，σ_E，σ_U——定位误差的标准差在N、E、U方向的分量，m

σ_H——定位误差的标准差在水平方向的分量，m

水平方向：

u_H＝σ_H

垂直方向：

u_U＝σ_U

NEU三个方向的定位偏差：

定位可用性＝参与计算的有效历元数/总历元数。

定位可用性低于95％则判定此项测试失败。

速度精度的计算方法如下：

通过采集的各时刻定位数据，剔除定位语句(RMC)中有效标示符为“无效”的数据。

剔除后的速度数据参与速度准确度的解算，参与解算的速度数据与标定的已知位置值相比，计算速度准确度。计算方式如下：

计算各历元输出的速度误差：

Δv＝v_i-v₀

式中：v_i——第i次实时速度数据(i＝1,2…n)，m/s

v₀——第i次实时速度的标准值，m/s

计算速度偏差：

式中：——速度偏差，m/s

计算速度误差的标准差(standard deviation)：

式中：——速度误差的标准差，m/s

导航终端解算的具体步骤为卫星导航信号被终端的天线接收，射频前端经过多级滤波器和放大器将信号频率搬移到中频频段，并对信号幅值进行合适放大，再通过ADC将模拟信号转换为数字信号。然后数字信号通过与本地的频率发生器做相关运算，对信号做捕获、跟踪处理，得到伪随机码的相位和多普勒频移，根据码相位和多普勒频移计算出接收机伪距观测量和伪码变化率。最后根据伪距观测量通过定位算法解算出接收机的位置、速度、时间等信息。

下面结合具体实施方式说明本发明方案的具体验证过程和结果，具体从重复性和稳定性两个维度来进行验证。

重复性：

以下以静态开阔区场景为例进行分析。

(1)采集时间地点：2015年12月14日中午12点，天坛公园。

(2)环境描述：采集地点周围无高楼等建筑物，视野开阔，卫星信号可直达。

(3)测试说明：选取半小时数据，在实验室条件下，无间断连续回放测试六次，分别记录每次回放测试数据。

(4)测试结果：

a)实际信号测试结果：

开阔区静态场景下，u-blox模块(瑞士u-blox公司生产的GPS产品)实际测试结果如表1所示。

表1开阔区静态场景实际信号测试结果

b)回放信号测试结果：

利用回放测试结果的实验标准偏差来衡量重复性，计算公式如下：

式中，——第i次回放信号测试结果与实际信号测试结果之差；

其中

x_i——第i次回放信号测试结果

x₀——实际信号测试结果

n——重复回放次数

六次回放测试结果及重复性分析如表2、表3所示。

表2回放测试结果

表3重复性分析结果

水平精度：

重复性S_r(x)＝0.0050m

结果误差

相对比例

垂直精度：

重复性S_r(x)＝0.0055m

结果误差

相对比例

稳定性：

选择静态及动态的某个特定场景，在不同时间相同段(间隔1-2天)分别采集数据(同一场景至少六次)，然后在相同的实验室环境条件及回放流程下，采用相同的测试方法，进行回放测试。稳定性可用下式计算：

式中，——回放测试结果平均值

——实际信号测试结果平均值

以下对开阔区场景下的静态稳定性进行分析。

开阔场景下，不同时间段采集六次，测试结果如表4、表5所示。

表4开阔场景实际信号测试结果

表5开阔场景回放信号测试结果

水平精度：

稳定性

相对比例

垂直精度：

稳定性

相对比例

从以上对重复性和稳定性的分析中可看出，不管是短时间内还是较长时间内，回放信号测试结果和实际信号测试结果重复性、稳定性相对比例均小于10％，回放测试结果间一致程度较好，系统随时间恒定性能较好；所选时段内大多时刻回放测试与实际测试结果误差均在很小范围内，说明被测识别的重复性精度达到了要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种导航终端的精度验证方法，包括控制被测导航终端和控制计算机，其特征在于，还包括平台服务器，视频回放设备，其中平台服务器中存储了大量的场景数据，并通过网络与控制计算机连接，控制计算机能够控制场景库场景数据传送至视频回放设备，视频回放设备将场景数据转化为射频RF信号发出，被测导航终端设备具有射频接口，可接收所述射频信号，进行解算，并将解算结果反馈给控制计算机，由控制计算机对结果进行运算以验证导航终端的精度，

其中，所述验证流程如下：用户在测控计算机登陆后，首先进行设备通电、功能性检查，如果有问题则发出警告，如果顺利，则由用户通过测控计算机2向平台服务器发出信号，要求调取所需场景；平台服务器响应所述需求，通过通信网络向测控计算机发出场景数据，测控计算机2得到场景数据，而后控制计算机将场景数据发送给视频回放设备，视频回放设备输出特定场景信号，视频回放设备将中频典型场景数据回放为射频信号，然后采用导航终端设备接收并多次处理回放信号；

其中，所述处理包括解算步骤，解算完成后得到定位、测速结果，并由被测导航终端设备将结果上传至测控计算机，将该多次结果与数据库基准数据进行对比，得到定位、测速误差，保存数据，处理后对误差进行分析，求取定位、测速均方误差，进而能够测算出导航终端设备的精度，

所述解算步骤包括定位解算和速度解算，所述定位解算的步骤如下：

通过采集的各时刻定位数据，剔除定位语句中有效标示符为“无效”的数据，剔除后的定位数据参与定位准确度的解算，参与解算的定位数据与标定的已知位置值相比，计算定位准确度，计算方式如下：

将被测模块输出的大地坐标系定位数据转换为站心坐标系定位数据，计算各历元输出的定位数据在站心坐标系下各方向的定位误差：

ΔN_i＝N_i-N_0i

ΔE_i＝E_i-E_0i

ΔU_i＝U_i-U_0i

式中：ΔN_i、ΔE_i、ΔU_i、ΔH_i——第i次实时定位数据的N、E、U方向和水平方向的定位误差，i＝1，2…n，m，单位是米，下同；

N_i、E_i、U_i——第i次实时定位数据的N、E、U方向分量，m；

N_0i、E_0i、U_0i——第i次实时定位的基准点坐标N、E、U方向分量，m；

计算站心坐标系下各方向的定位偏差：

式中：——定位偏差的N、E、U方向分量，m；

计算定位误差的标准差(standard deviation)：

式中：σ_N，σ_E，σ_U——定位误差的标准差在N、E、U方向的分量，m

σ_H——定位误差的标准差在水平方向的分量，m

水平方向：

u_H＝σ_H

垂直方向：

u_U＝σ_U

NEU三个方向的定位偏差：

2.根据权利要求1所述精度验证方法，其特征在于：测试系统发送测试指令，被测终端相应指令，上报对应实时定位信息，评估软件对上报定位信息与基准信息进行比较计算，得到定位性能结果。

3.根据权利要求1所述精度验证方法，其特征在于：所述场景是指导航终端在实际路测中的典型场景，所述场景基于外部特征有多种分类方式，包括城市环境场景、气象环境场景、应用载体场景。

4.根据权利要求1所述的精度验证方法，其特征在于：所述的回放结果的验证包括重复性和稳定性验证，其中，重复性的计算公式如下：

式中，——第i次回放信号测试结果与实际信号测试结果之差；

其中

x_i——第i次回放信号测试结果

x₀——实际信号测试结果

n——重复回放次数

稳定性的计算公式如下：

式中，——回放测试结果平均值

——实际信号测试结果平均值。

5.根据权利要求1所述的精度验证方法，其特征在于：所述速度精度解算的方法如下：

通过采集的各时刻定位数据，剔除定位语句中有效标示符为“无效”的数据；

剔除后的速度数据参与速度准确度的解算，参与解算的速度数据与标定的已知位置值相比，计算速度准确度，计算方式如下：

计算各历元输出的速度误差：

Δv＝v_i-v₀

式中：v_i——第i次实时速度数据i＝1,2…n，m/s

v₀——第i次实时速度的标准值，m/s

计算速度偏差：

式中：——速度偏差，m/s

计算速度误差的标准差(standard deviation)：

式中：——速度误差的标准差，m/s

6.一种执行权利要求1-5任一项所述的精度验证方法的导航终端的精度验证系统，包括控制被测导航终端和控制计算机，其特征在于，还包括平台服务器，视频回放设备，其中平台服务器中存储了大量的场景数据，并通过网络与控制计算机连接，控制计算机能够控制场景库场景数据传送至视频回放设备，视频回放设备将场景数据转化为射频RF信号发出，被测导航终端设备具有射频接口，可接收所述射频信号，进行解算，并将解算结果反馈给控制计算机，由控制计算机对结果进行运算以验证导航终端的精度。

7.根据权利要求6所述的验证系统，其特征在于：所述场景是指导航终端在实际路测中的典型场景，所述场景基于外部特征有多种分类方式，包括城市环境场景、气象环境场景、应用载体场景。

8.根据权利要求6所述的验证系统，其特征在于：所述的回放结果的验证包括重复性和稳定性验证，其中，重复性的计算公式如下：

式中，——第i次回放信号测试结果与实际信号测试结果之差；

其中

x_i——第i次回放信号测试结果

x₀——实际信号测试结果

n——重复回放次数

稳定性的计算公式如下：

式中，——回放测试结果平均值

——实际信号测试结果平均值。