CN108646275A - 基于光电传感器的gnss接收机动态精度检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于GNSS终端测试技术领域，公开的一种基于光电传感器的GNSS接收机动态测量精度检定方法，是采用高精度的触发时间记录电路，通过记录待测GNNS接收机在一定区域空间内运动时天线触碰光电对射传感器光线时产生的脉冲沿的精密时间，由该精密时间和基准点坐标计算出天线经过某测量位置时的瞬时“真值”，GNSS接收机经过空间某点位的测量值与该点位的“真值”进行比较，即可得到该接收机的动态测量精度；本发明避免了采用卫星定位时难以消除的共同误差及争议。确保了接收机天线到达触碰位置时的精密时间记录，为计算接收机测量时刻的坐标真值奠定了基础。并且可扩展性强，可根据不同动态要求进行相应升级。

Description

基于光电传感器的GNSS接收机动态精度检定方法

技术领域

本发明属于GNSS终端测试技术领域，尤其适用于各类车载、机载GNSS高精度测量系统动态测量精度的测试评估。

背景技术

近年来，随着我国北斗全球卫星导航系统的不断建设和完善，测量型接收机在导航产业中的应用越来越广泛。动态条件下的定位和测速精度是一项重要的考核指标。目前，GNSS接收机单点定位精度为米级，载波相位差分后的GNSS接收机测量精度可达到厘米级(标称精度最高为10mm+1ppm)，如何对其测量精度特别是动态条件下的测量精度进行测试评估是当前GNSS测量型接收机测试领域的一个技术难题。

GNSS动态测量精度测试评估的关键在于构建真实的载体运动环境和提供高精度比对基准，目前国内外已知的测试评估方法可归纳为下述三种。

第一种是基于仿真系统的模拟载体运动测试评估法，即利用模拟系统仿真生成具有动态特征的卫星导航模拟信号，在微波暗室内，对GNSS测量系统的动态测量精度进行测试评估。由于GNSS测量系统的流动站并未处于实际的运动状态，该测试评估方法的准确性和可信性较低，只适用于工程样机研制阶段的功能性验证，无法准确评估GNSS测量系统真实的动态测量精度水平。

第二种是基于姿态测量的真实载体运动测试评估法，即将GNSS测量系统的流动站与比对设备按预先设计的相对关系固定放置于运动载体上，比对设备实时获取高精度位置和姿态信息，通过坐标转换可得到GNSS测量系统流动站的实时位置基准值，与GNSS测量系统流动站的实际测量值相比较即可评估其动态测量精度。该方法的关键在于基准设备获取姿态信息，目前主要采用摄影法或全站仪法，需专门研制比对设备，且对场地光学通视、姿态测量设备的动态性能以及时间同步要求较高，且工程实施难度较大，难以推广。

第三种是常采用的测试方法是室外“跑车”比较法，即利用一台高精度接收机作为“真值”进行动态跑车比对的方法进行测试，鉴于两种接收机测量时利用的都是卫星导航系统，包含的误差具有强相关性，比对的结果只能是设备间的相对精度，难以准确给出接收机在运动条件下的绝对精度。

因此，对于高精度的测量型接收机精度的检定来说，如果能脱离卫星定位通过提供空间位置“真值”的方法进行比较，将极大地提高GNSS接收机动态精度检测的可靠性和可信性。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种基于光电传感器的GNSS接收机动态测量精度检定方法，即设计一种高精度的触发时间记录电路，通过记录待测GNNS接收机在一定区域空间内运动时天线触碰光电对射传感器光线时产生的脉冲沿的精密时间，由该精密时间和基准点坐标可计算出天线经过某测量位置时的瞬时“真值”，GNSS接收机经过空间某点位的测量值与该点位的“真值”进行比较，即可得到该接收机的动态测量精度。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于光电传感器的GNSS接收机动态测量精度检定方法，是采用高精度的触发时间记录电路，通过记录待测GNNS接收机在区域空间内运动时天线触碰光电对射传感器光线时产生的脉冲沿的精密时间，由该精密时间和基准点坐标计算出天线经过某测量位置时的瞬时“真值”，GNSS接收机经过空间某点位的测量值与该点位的“真值”进行比较，即得到该接收机的动态测量精度；具体步骤如下：

步骤一动态精度检定场的建设

动态精度检定场由水平直线、二维和空间三维动态精度检定场组成，用于完成被检定接收机各种动态环境的构建，包括不同速度和不同加速度的运动状态；

水平二维运动环境由光栅矩阵、接收机及运动载体组成，光栅矩阵由纵横多组光电对射传感器组成，同水平直线运动原理相似，当运动中的接收机天线杆触碰到对射光线时，精确触发时间记录系统记录下光电传感器的脉冲上升沿或下降沿的精确时间，接收机天线杆在矩阵中的精确位置可通过被触发传感器的精确位置计算出来；

步骤二精密触发时间记录系统的设计

精密触发时间记录系统由授时模块、FPGA和辅助电路组成，用于完成运动中的接收机天线杆触碰光电对射传感器光线时精确时间的测定，进而计算接收机实时测量数据的坐标“真值”；授时模块为FPGA提供高精度的时间同步信号和授时，FPGA丰富的引脚资源接收传感器的脉冲输出信号，当FPGA检测到某引脚被触发时，记录下该传感器的编号与触发时间，为测量位置“真值”的计算提供基准时间；

步骤三差分测量系统的构建

差分信息传输链路由数据传输电台、天线和供电设备组成，用于完成被检测接收机实时差分信息的传输和差分定位数据的回传任务，以确保接收机实时测量精度达到最佳状态；

步骤四实时数据处理与显示系统

实时数据处理与显示系统用于完成数据的实时接收与处理，利用接收机实时测量的坐标值与计算出的“真值”比较，完成实时测量误差的显示、统计与存储，最终给出接收机在不同运动状态下的测量精度；

步骤五接收机动态条件下精度的测试

所有设备加电开机，基准站实时测量并播发载波相位差分信息，运动载体在测试区域内运动，动态精度测试系统对接收机的动态精度进行实时测量。

待测GNSS接收机通过差分数传电台实时接收基准站播发的载波相位差分信息，并实时解算出位置信息。

步骤六测量位置“真值”的计算

天线触碰位置的精确坐标通过静态实时载波相位差分或根据对应传感器的位置坐标计算获得，受接收机数据更新率的限制，动态条件下接收机输出数据的时刻很难与天线触碰时间相一致，因此，测量位置处的“真值”是通过触碰位置的坐标值加上两个位置记录的时间差△t与X,Y,Z方向上运动速度相乘值得到的；

如附图1、2所示，当天线矩阵某段内匀速直线运动时，天线从位置P₂₃过位置P₃₄到P_T点，在X,Y,Z三个方向的变化速率V_X,V_Y,V_Z是固定不变的,其中：

由P₃₄点坐标(X₃₄,Y₃₄,Z₃₄)推算出P_T点真值坐标(X_T,Y_T,Z_T)为：

通过步骤五比对评估

将待测GNSS接收机每个时刻的位置测量值转换到以该时刻对应基准值为站心的东北天坐标，其定位误差为：

其中，σ为定位误差；x_i、y_i、z_i为待测GNSS接收机第i次定位站心东北天坐标下的坐标测量值；

分别将所有时刻对应的定位误差从小到大排序，取其第[n×95％](n为待测GNSS接收机有效定位数据组数，[]表示向上取整)个结果为待测GNSS接收机的动态测量精度。

采用如上所述的技术方案，本发明带来如下优越性：

1、采用的是室外实星条件下的动态测试，相对于微波暗室内卫星导航模拟器产生的动态信号下的测试，测试环境更加真实，测试结果更加逼真、可信。

2、相对于采用其它高精度测量型GNSS接收机作为真值比较的方法，该方法脱离了同是采用卫星定位手段作为真值的手段，避免了采用卫星定位时难以消除的共同误差，采用的真值为静态测量条件下的绝对真值，测试结果更加可信、避免了争议。

3、设计的高精度的触发时间记录系统，确保了接收机天线到达触碰位置时的精密时间记录，为计算接收机测量时刻的坐标“真值”奠定了基础。

4、设计的动态精度检定系统，可测试各种速度条件下的动态测量精度，只要载体速度能够达到的都可进行测试，可扩展性强，可根据不同动态要求进行相应升级。

附图说明

图1动态精度检定系统组成及工作原理图；

图2 GNSS接收机水平二维动态精度测试原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图1、2所示，一种基于光电传感器的GNSS接收机动态测量精度检定方法，即设计一种高精度的触发时间记录电路，通过记录待测GNNS接收机在一定区域空间内运动时天线触碰光电对射传感器光线时产生的脉冲沿的精密时间，由该精密时间和基准点坐标可计算出天线经过某测量位置时的瞬时“真值”，GNSS接收机经过空间某点位的测量值与该点位的“真值”进行比较，即可得到该接收机的动态测量精度。其具体步骤如下：

步骤一动态精度检定场的建设

动态精度检定场主要由水平直线、二维和空间三维动态精度检定场组成，主要完成被检定接收机各种动态环境的构建，包括不同速度和不同加速度的运动状态等。

水平二维运动环境主要由光栅矩阵、接收机及运动载体组成。光栅矩阵由纵横多组光电对射传感器组成，同水平直线运动原理相似，当运动中的接收机天线杆触碰到对射光线时，精确触发时间记录系统记录下光电传感器的脉冲上升沿或下降沿的精确时间，接收机天线杆在矩阵中的精确位置可通过被触发传感器的精确位置计算出来。

其中选用的光电传感器效应时间应小于1ms，输出信号下降沿或上升沿精度优于100ns；传感器之间的间距应根据接收机精度要求可调，一般为5～20cm之间。

测试场地要求：平整，便于接收机载体速度的提升和平稳运动。

基准站要求：运动载体在任意运动位置处距离其最近的基准站小于1km。

基准站和传感器安装点位坐标要求：按照《GB/T 18314-2009全球定位系统(GPS)测量规范》同步长时间静态观测后解算得到所在位置的坐标信息，作为测试时的真值。

步骤二精密触发时间记录系统的设计

主要由授时模块、FPGA和辅助电路组成，主要完成运动中的接收机天线杆触碰光电对射传感器光线时精确时间的测定，用于计算接收机实时测量数据的坐标“真值”。授时模块主要为FPGA提供高精度的时间同步信号和授时，FPGA丰富的引脚资源可接收传感器的脉冲输出信号，当FPGA检测到某引脚被触发时，记录下该传感器编号与触发时间，为计算测量位置“真值”提供基准时间。

其中的GNSS授时模块负责给FPGA信号处理器提供时间信息和1PPS时间同步信号，授时模块时间1PPS精度应优于1us；采用的核心信号处理器：FPGA或ARM，要求能识别并对来自不同传感器的信号进行标识，同时在标识中加入精密触发时间信息；

步骤三差分测量系统的构建

差分信息传输链路主要由数据传输电台、天线和供电设备组成，主要完成被检测接收机实时差分信息的传输和差分定位数据的回传任务，以确保接收机实时测量精度达到最佳状态。

步骤四实时数据处理与显示系统

实时数据处理与显示系统主要完成数据的实时接收与处理，利用接收机实时测量的坐标值与计算出的“真值”比较，完成实时测量误差的显示、统计与存储，最终给出接收机在不同运动状态下的测量精度。

其中的数据处理与显示系统连接FPGA信号处理器的信号输出，负责对FPGA输出信息的实时处理。一是解调出FPGA记录的触发传感器标识信息和记录的精密触发时间信息；二是实时接收被测接收机输出的定位和速度信息；三是计算出接收机定位信息时刻的位置真值；四是实时计算并显示出被测接收机的动态测量误差；

步骤五接收机动态条件下精度的测试

所有设备加电开机，基准站实时测量并播发载波相位差分信息，运动载体在测试区域内运动，动态精度测试系统对接收机的动态精度进行实时测量。

待测GNSS接收机通过差分数据接收电台实时接收基准站播发的载波相位差分信息，并实时解算出位置信息。

步骤六测量位置“真值”的计算

天线触碰位置的精确坐标可通过静态实时载波相位差分或根据对应传感器的位置坐标计算获得，受接收机数据更新率的限制，动态条件下接收机输出数据的时刻很难与天线触碰时间相一致，因此，测量位置处的“真值”是通过触碰位置的坐标值加上两个位置记录的时间差△t与X,Y,Z方向上运动速度相乘值得到的。当天线矩阵某段内匀速直线运动时，天线从位置P₂₃过位置P₃₄到P_T点，在X,Y,Z三个方向的变化速率V_X,V_Y,V_Z是固定不变的,分析如附图2所示，图2为GNSS接收机直线运动坐标变化分析图，其中：

由P₃₄点坐标(X₃₄,Y₃₄,Z₃₄)推算出P_T点真值坐标(X_T,Y_T,Z_T)为：

通过步骤五比对评估

将待测GNSS接收机每个时刻的位置测量值转换到以该时刻对应基准值为站心的东北天坐标，其定位误差为：

其中，σ为定位误差；x_i、y_i、z_i为待测GNSS接收机第i次定位站心东北天坐标下的坐标测量值；

分别将所有时刻对应的定位误差从小到大排序，取其第[n×95％](n为待测GNSS接收机有效定位数据组数，[]表示向上取整)个结果为待测GNSS接收机的动态测量精度。

Claims (1)

1.一种基于光电传感器的GNSS接收机动态测量精度检定方法，其特征是：采用高精度的触发时间记录电路，通过记录待测GNNS接收机在区域空间内运动时天线触碰光电对射传感器光线时产生的脉冲沿的精密时间，由该精密时间和基准点坐标计算出天线经过某测量位置时的瞬时“真值”，GNSS接收机经过空间某点位的测量值与该点位的“真值”进行比较，即得到该接收机的动态测量精度；其步骤如下：

步骤一动态精度检定场的建设

动态精度检定场由水平直线、二维和空间三维动态精度检定场组成，用于完成被检定接收机各种动态环境的构建，包括不同速度和不同加速度的运动状态；

水平二维运动环境由光栅矩阵、接收机及运动载体组成，光栅矩阵由纵横多组光电对射传感器组成，同水平直线运动原理相似，当运动中的接收机天线杆触碰到对射光线时，精确触发时间记录系统记录下光电传感器的脉冲上升沿或下降沿的精确时间，接收机天线杆在矩阵中的精确位置通过被触发传感器的精确位置计算出来；

步骤二设计精密触发时间记录系统

精密触发时间记录系统由授时模块、FPGA和辅助电路组成，用于完成运动中的接收机天线杆触碰光电对射传感器光线时精确时间的测定，用于计算接收机实时测量数据的坐标“真值”；授时模块为FPGA提供高精度的时间同步信号和授时，FPGA丰富的引脚资源接收传感器的脉冲输出信号，当FPGA检测到某引脚被触发时，记录下该传感器编号与触发时间，为计算测量位置“真值”提供基准时间；

步骤三差分测量系统的构建

差分信息传输链路由数据传输电台、天线和供电设备组成，用于完成被检测接收机实时差分信息的传输和差分定位数据的回传任务，以确保接收机实时测量精度达到最佳状态；

步骤四数据处理与显示系统

实时数据处理与显示系统用于完成数据的实时接收与处理，利用接收机实时测量的坐标值与计算出的“真值”比较，完成实时测量误差的显示、统计与存储，最终给出接收机在不同运动状态下的测量精度；

步骤五开始进行运动测试

所有设备加电开机，基准站实时测量并播发载波相位差分信息，运动载体在测试区域内运动，动态精度测试系统对接收机的动态精度进行实时测量。

待测GNSS接收机通过差分数据接收电台实时接收基准站播发的载波相位差分信息，并实时解算出位置信息。

步骤六测量位置“真值”的计算

天线触碰位置的精确坐标通过静态实时载波相位差分或根据对应传感器的位置坐标计算获得，受接收机数据更新率的限制，动态条件下接收机输出数据的时刻很难与天线触碰时间相一致，因此，测量位置处的“真值”是通过触碰位置的坐标值加上两个位置记录的时间差△t与X,Y,Z方向上运动速度相乘值得到的；

当天线矩阵某段内匀速直线运动时，天线从位置P₂₃过位置P₃₄到P_T点，在X,Y,Z三个方向的变化速率V_X,V_Y,V_Z是固定不变的,其中：

由P₃₄点坐标(X₃₄,Y₃₄,Z₃₄)推算出P_T点真值坐标(X_T,Y_T,Z_T)为：

通过步骤五比对评估

将待测GNSS接收机每个时刻的位置测量值转换到以该时刻对应基准值为站心的东北天坐标，其定位误差为：

其中，σ为定位误差；x_i、y_i、z_i为待测GNSS接收机第i次定位站心东北天坐标下的坐标测量值；

分别将所有时刻对应的定位误差从小到大排序，取其第[n×95％](n为待测GNSS接收机有效定位数据组数，[]表示向上取整)个结果为待测GNSS接收机的动态测量精度。