CN108490461A - 一种卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法。所述方法以接收机作为测试终端，使用直接测试和回放测试时接收机所记录的定位信息为依据，避免了在时频域中分析信号前后一致性时，噪声淹没导航信号的情况。本发明提出两评估指标：指标一计算直接测试和回放测试定位结果95％概率圆的重合百分比；指标二计算直接测试和回放测试定位结果距离偏差的统计特性；即本发明从相对误差和绝对误差两种形式来衡量原始和回放信号的一致性，进而评估采集回放仪的性能。本发明对目前市面上无完善的采集回放仪测试方法做了补充，为该仪器测试方法的标准化建立提供参考。

Description

一种卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法

技术领域

本发明属于卫星导航无线电测试领域，尤其是涉及一种卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法。

背景技术

目前，以我国的北斗、美国的GPS(Global Position System，全球定位系统)为代表的卫星导航定位技术迅速发展，接收机技术也随之发展。在对接收机进行测试的过程中，根据测试信号源的不同，卫星导航终端测试技术主要可分为三种：信号模拟器测试、道路测试、真实信号采集回放仪测试。然而，因模拟器的现有技术还无法提供精确有效的导航信号真实复杂场景仿真模型，路测无法控制测试变量的统一且成本昂贵，故现阶段逐渐推广基于卫星导航信号采集回放仪的终端测试。

因卫星导航信号采集回放仪的发展处于初始阶段，设备自身的性能指标不统一，无固定数据输出格式，且无统一完善的测试方法评估设备性能。若从卫星导航信号出发分析原始信号与回放信号前后两者的一致性，因卫星导航信号从太空传输至地表，信号功率较低，有用信号淹没在噪声当中，难以建立数学模型估计原始信号和回放信号在时频域中偏差与回放前后一致性的关系。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种评估卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法，该方法以接收机作为测试终端，以直接测试和回放测试定位结果的重合百分比和距离偏差为指标来评估卫星导航信号采集回放仪的性能。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

一种卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法，包括以下步骤：

步骤A，卫星信号模拟器输出端通过低噪声放大器接入功率分配器的输入端，功率分配器的输出端一路连接卫星导航信号采集回放仪，卫星导航信号采集回放仪采集卫星信号模拟器产生的信号并记录成数据文件，另一路连接接收机，接收机记录定位信息，此次测试结果为直接测试；

其中，卫星信号模拟器设置场景符合相应标准规定，测试时长大于30分钟。

步骤B，卫星导航信号采集回放仪选定此前记录的数据文件进行回放，输出端连接之前同一接收机，接收机记录定位信息，此次测试记为回放测试；

其中，接收机可选择不同品牌的接收机或者模块，且每次测试时都进行冷启动，并设置为相同的定位模式。

步骤C，以卫星信号模拟器产生的定位信息作为标定数据，分别计算直接测试和回放测试的定位信息与标定数据的偏差，并计算两次测试结果95％概率圆的重合百分比，以该指标来判定卫星导航信号采集回放仪的性能，其过程如下：

步骤C-1，卫星信号模拟器的输出结果和两次测试结果在WGS-84坐标系下的(φ,λ,h)坐标转化为ECEF坐标系下的(x,y,z)坐标；

步骤C-2，以每时刻点的标定数据作为坐标原点，计算该时刻下测试结果相对于坐标原点在水平方向上的偏差；

步骤C-3，以测试时间段内水平方向上定位偏差的统计均值为圆心，画一个最小半径圆，使其包括95％的样本点，记该圆为95％概率圆，直接测试结果的半径为r₁，回放测试结果的半径为r₂；

步骤C-4，直接测试和回放测试得出的两个95％概率圆的重合面积为S，计算重合百分比，其结果为：

步骤D，计算回放测试的定位信息相对于直接测试的定位信息的偏差，以两次测试结果在水平平面内距离偏差的统计特性做指标，评估卫星导航信号采集回放仪的性能，具体步骤如下：

步骤D-1，以每时刻点的直接测试的定位信息为坐标原点，计算该时刻下回放测试结果相对于坐标原点在水平平面内的距离偏差；

步骤D-2，计算测试时间段内距离偏差的均值和标准差，并取95％的概率置信区间计算误差结果。

步骤E，对于同一段数据，取10次回放结果，分别计算重合百分比和距离偏差的统计均值作为最终结果输出。

本发明的有益效果是：提出了一种评估卫星导航信号采集回放仪定位精度性能的测试方法，该方法以接收机终端输出作为评判依据，避免了在时频域中分析原始和回放信号前后一致性时，噪声淹没导航信号，难以建立数学评估模型的缺陷；以直接测试和回放测试在水平方向上的95％概率圆的重合百分比和距离偏差为指标，从相对误差和绝对误差的形式衡量原始和回放信号的一致性，进而评估采集回放仪的性能；该方法对目前市面上无完善的采集回放仪测试方法做了补充，为该设备测试方法的标准化提供参考。

附图说明

图1为本发明一实施例的直接测试结构框图；

图2为本发明一实施例的回放测试结构框图；

图3为本发明一实施例的直接测试和回放测试得出的两个95％概率圆的重合百分比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

本发明实施一种评估卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法，该方法在测试步骤上分直接测试和回放测试两部分，评估指标则以相对误差形式的重合百分比和绝对误差形式的距离偏差呈现。直接测试时，以卫星信号模拟器作为信号输入源，同时记录信号模拟器的定位信息作为标定数据。其直接测试的结构框图如图1所示，具体流程如下：

步骤A，卫星信号模拟器输出端通过低噪声放大器接入功率分配器的输入端，功率分配器的输出端一路连接卫星导航信号采集回放仪，卫星导航信号采集回放仪采集卫星信号模拟器产生的信号并记录成数据文件，另一路连接接收机，接收机记录定位信息，此次测试结果为直接测试；

其中，卫星信号模拟器可设置场景输出为宽阔地，无多径效应，静态，测试时长大于30分钟。在测试时，接收机终端进行冷启动，且设置为单点定位模式，被测终端可选择不同品牌的接收机整机或者模块。在回放测试时，设备此前记录的数据文件进行回放，其结构框图如图2所示，具体流程如下：

步骤B，卫星导航信号采集回放仪选定此前记录的数据文件进行回放，输出端连接之前同一接收机，接收机记录定位信息，此次测试记为回放测试；

在进行直接测试和回放测试时，设置接收机的数据更新频率与卫星信号模拟器产生的标定数据更新频率一致，且更新时刻统一。

对比测试时间段内所有时刻卫星信号模拟器记录的标定数据和两次测试结果记录的定位信息，经坐标转换，计算该时间段内所有样本数据的误差。根据误差的统计特性，设定重合百分比这一相对误差形式的指标评判直接测试和回放测试结果的前后一致性，其中重合百分比的定义如图3所示，具体流程如下：

步骤C，以卫星信号模拟器产生的定位信息作为标定数据，分别计算直接测试和回放测试的定位信息与标定数据的偏差，以样本空间内误差的统计均值为圆心，其中包含了大于等于95％样本点的最小半径画圆，记该圆为95％概率圆。并计算两次测试结果95％概率圆的重合百分比，以该指标来判定卫星导航信号采集回放仪的性能，其过程如下：

步骤C-1，卫星信号模拟器的输出结果和两次测试结果在WGS-84坐标系(1984世界大地坐标系)下的(φ,λ,h)坐标转化为ECEF坐标系(地心固定直角坐标系)下的(x,y,z)坐标：

其中，N是基准椭球体的卯酉圈曲率半径，e为椭球偏心率，取值以WGS-84的基本大地参数为准，它们与基准椭球体的长半径a和短半径b存在如下关系：

步骤C-2，以每时刻点的标定数据作为坐标原点，计算该时刻下测试结果相对于坐标原点在水平方向上的偏差：

其中，(x₀,y₀,z₀)为卫星信号模拟器输出的标定位置，(x,y,z)为接收机终端输出的定位信息。观测向量[ΔxΔyΔz]^T经坐标转换可等效地表达为以标定点为圆心的站心坐标系中的向量[ΔeΔnΔu]^T，其变换关系为：

接收机输出的原始定位信息(φ,λ,h)与标定位置的偏差经坐标转换后，可直观的变换为在以标定点为圆心的站心坐标系当中，[ΔeΔnΔu]^T为东北天三个方向上的误差。

步骤C-3，对测试时间段内所有误差的样本点做水平方向上的投影，舍去垂直方向上的误差，以定位偏差的统计均值为圆心，画一个最小半径圆，使其包括95％的样本点，记该圆为95％概率圆，直接测试结果的95％概率圆半径为r₁，回放测试结果的95％概率圆半径为r₂。

步骤C-4，利用几何关系计算直接测试和回放测试得出的两个95％概率圆的重合面积S，以回放测试的95％概率圆的面积做分母，计算直接测试和回放测试的重合百分比，其结果为：

对比测试时间段内所有时刻两次测试结果记录的定位信息，经步骤C-1及步骤C-2的坐标转换，计算该时间段内所有样本数据的误差，设定距离偏差这一绝对误差形式的指标评判直接测试和回放测试结果的前后一致性，具体流程如下：

步骤D，计算回放测试的定位信息相对于直接测试的定位信息的偏差，以两次测试结果在水平平面内距离偏差的统计特性做指标，评估卫星导航信号采集回放仪的性能，具体步骤如下：

步骤D-1，以每时刻点的直接测试的定位信息为坐标原点，计算该时刻下回放测试结果相对于坐标原点在水平平面内的距离偏差：

步骤D-2，计算测试时间段内距离偏差的均值和标准差：

取95％的概率置信区间，则距离偏差的统计特性为：

步骤E，对于同一段数据，取10次回放结果，分别计算重合百分比和距离偏差的统计均值作为最终结果输出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种卫星导航信号采集回放仪定位精度一致性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，卫星信号模拟器输出端通过低噪声放大器接入功率分配器的输入端，功率分配器的输出端一路连接卫星导航信号采集回放仪，卫星导航信号采集回放仪采集卫星信号模拟器产生的信号并记录成数据文件，另一路连接接收机，接收机记录定位信息，此次测试结果为直接测试；

步骤B，卫星导航信号采集回放仪选定此前记录的数据文件进行回放，输出端连接之前同一接收机，接收机记录定位信息，此次测试记为回放测试；

步骤C，以卫星信号模拟器产生的定位信息作为标定数据，分别计算直接测试和回放测试的定位信息与标定数据的偏差，并计算两次测试结果95％概率圆的重合百分比，以该指标来判定卫星导航信号采集回放仪的性能；

步骤D，计算回放测试的定位信息相对于直接测试的定位信息的偏差，以两次测试结果在水平平面内距离偏差的统计特性做指标，评估卫星导航信号采集回放仪的性能；

步骤E，对于同一段数据，取10次回放测试结果，分别计算重合百分比和距离偏差的统计均值作为最终结果输出。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤C包括以下步骤：

步骤C-1，卫星信号模拟器的标定数据和两次测试结果在WGS-84坐标系下的(φ,λ,h)坐标转化为ECEF坐标系下的(x,y,z)坐标；

步骤C-2，以每时刻点的标定数据作为坐标原点，计算该时刻下测试结果相对于坐标原点在水平方向上的偏差；

步骤C-3，以测试时间段内水平方向上定位偏差的统计均值为圆心，画一个最小半径圆，使其包括95％的样本点，记该圆为95％概率圆，直接测试结果的半径为r₁，回放测试结果的半径为r₂；

步骤C-4，直接测试和回放测试得出的两个95％概率圆的重合面积为S，计算重合百分比，其结果为：

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤D包括以下步骤：

步骤D-1，以每时刻点的直接测试的定位信息为坐标原点，计算该时刻下回放测试结果相对于坐标原点在水平平面内的距离偏差；

步骤D-2，计算测试时间段内距离偏差的均值和标准差，并取95％的概率置信区间计算误差结果。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在步骤A中，卫星信号模拟器设置场景符合相应标准规定，测试时长大于30分钟。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在步骤A和步骤B中，接收机可选择不同品牌的接收机或者模块，且每次测试时都进行冷启动，并设置为相同的定位模式。