CN112305570B - 一种导航定位设备的动态性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导航定位设备性能测试技术领域，具体涉及一种导航定位设备的动态性能测试系统及测试方法。该测试系统包括处理装置、轨道、运动载体、触发装置以及标准定位设备；标准定位设备为全站仪或者激光跟踪仪，用于对运动载体进行定位；运动载体用于搭载待测导航定位设备，导向移动装配在所述轨道上；处理装置用于根据标准定位设备对运动载体的定位结果以及运动载体和待测导航定位设备之间的空间位置关系，得到标准定位设备对待测导航定位设备的定位结果，并与待测导航定位设备对自身的定位结果进行比较，以根据比较结果对所述待测导航定位设备的动态定位精度性能进行测试。本发明实现对高精度的待测导航定位设备的定位精度性能的要求。

Description

一种导航定位设备的动态性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于导航定位设备性能测试技术领域，具体涉及一种导航定位设备的动态性能测试系统及测试方法。

背景技术

科技的发展对导航定位技术提出更高的要求，体现在高精度、高动态、高实时，催生了一大批高性能的导航定位设备。设备在出厂、设备接收、定期检定中，都需要计量检定部门对其实际的性能指标进行测试评估。例如我国北斗三代即将全球组网成功，在无遮挡的条件下，北斗接收机可搭载在汽车、舰船、战斗机、导弹甚至卫星上进行工作。又如，为了解决室内定位与导航，基于UWB、wifi、蓝牙、声波等的定位导航技术以及SLAM等一大批新设备和新技术兴起，其性能参数特别是动态定位导航性能需要定量的评估。

在传统测试检定方法中，设备一般处于静止的状态，然而新型导航定位设备和新型工作模式的出现，要求计量检定部门能够提供动态的测试检定服务。例如，GNSS接收机的检定方法是用来检验接收机的静态特性，主要有：接收机内部噪声的检验、天线相位中心稳定性检验、接收机相对定位精度检验等。接收机内部噪声的检验方法有零基线检验法和超短基线检验法，天线相位中心稳定性检验的方法有旋转天线法和相对定位法，接收机相对定位精度检验可以在长、中、短基线上进行。现有的检验接收机动态性能的方法也是将实时测量结果与己知静态结果比对。

但是，实际应用中的导航定位设备并非出于静止不动的状态，其常常搭载在运动的载体(例如汽车)上处于运动过程中，工作环境较为复杂，即使静态环境下性能测试结果较优，也无法保证导航定位设备在动态环境下的导航能力，定位结果是否具连续和有效。

发明内容

本发明提供了一种导航定位设备的动态性能测试系统及测试方法，用以解决静态环境下的性能测试无法保证导航定位设备在动态环境下定位结果的有效性的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：

本发明提供了一种导航定位设备的动态性能测试系统，包括处理装置、轨道、运动载体、若干个触发装置、以及标准定位设备；

所述标准定位设备为全站仪或者激光跟踪仪，用于对运动载体进行定位，并将定位结果发送给处理装置；

所述运动载体用于搭载待测导航定位设备，导向移动装配在所述轨道上；且所述运动载体上设置有棱镜，供标准定位设备对所述运动载体进行定位；

所述触发装置沿所述轨道的一侧间隔设置，用于在所述运动载体沿着轨道移动至接近所述触发装置时，触发所述标准定位设备对所述运动载体进行定位以及待测导航定位设备对自身进行定位；

所述处理装置用于根据标准定位设备对运动载体的定位结果、以及运动载体和待测导航定位设备之间的空间位置关系，得到标准定位设备对待测导航定位设备的定位结果，并与待测导航定位设备对自身的定位结果进行比较，以根据比较结果对所述待测导航定位设备的动态定位精度性能进行测试。

上述技术方案的有益效果为：本发明利用轨道和运动载体为待测导航定位设备制造一个运动的环境，在运动载体带动待测导航定位设备运动的过程中，利用触发装置，使标准定位设备(全站仪或者激光跟踪仪)和待测定位导航设备分别对待测定位设备进行定位，并将全站仪或者激光跟踪仪的定位结果作为基准，利用该定位结果去评定待测导航定位设备的动态性能，实现对高精度的待测导航定位设备的定位精度性能的要求。而且，该测试系统可安置在室外，不受信号遮挡的影响，各种类型的待测导航定位设备均可在本测试系统上进行测试检定。

进一步的，为了节省整个测试系统的占地空间，所述轨道为圆形轨道。

进一步的，为了防止运动载体在高速运动下偏离轨道的现象发生，所述运动载体为四轮小车，所述四轮小车的两个前轮与圆形轨道的圆心在同一条直线上，所述四轮小车的两个后轮与圆形轨道的圆心在同一条直线上。

进一步的，为了防止外界干扰和安全事故发生，所述测试系统还包括设置在轨道外围的安全墙。

进一步的，所述标准定位设备为全站仪时，所述测试系统还包括全站仪定向设备，所述全站仪定向设备用于对全站仪进行定向。

进一步的，为了使激光跟踪仪的定位数据转换至大地坐标系下，所述标准定位设备为激光跟踪仪时，所述测试系统还包括全站仪、全站仪定向设备和辅助测量设备，全站仪定向设备用于对全站仪进行定向，所述辅助测量设备用于得到激光跟踪仪坐标系和大地坐标系的转换关系。

进一步的，所述测试系统还包括轨道定位点工装，所述触发装置设置在轨道定位点工装上。

本发明还提供了一种导航定位设备的动态性能测试方法，包括如下步骤：

将待测导航定位设备搭载在运动载体上，使运动载体沿轨道导向移动；

在运动载体移动至接近触发装置的位置时，触发待测导航定位设备对自身进行定位；

将待测导航定位设备对自身的定位结果和与之对应的基准定位结果进行比较，根据比较结果对所述待测导航定位设备的动态定位精度性能进行测试；

其中，所述基准定位结果通过以下方法得到：在运动载体移动至接近触发装置的位置时，触发标准定位设备对运动载体进行定位，并结合运动载体和待测导航定位设备之间的空间位置关系，得到标准定位设备对待测导航定位设备的定位结果，并作为基准定位结果。

上述技术方案的有益效果为：本发明利用在运动载体带动待测导航定位设备运动的过程中，利用触发装置，使标准定位设备(全站仪或者激光跟踪仪)和待测定位导航设备分别对待测定位设备进行定位，并将全站仪或者激光跟踪仪的定位结果作为基准，利用该定位结果去评定待测导航定位设备的动态性能，实现对高精度的待测导航定位设备的定位精度性能的要求。而且，该方法可满足待测导航定位设备的连续动态定位精度需求。

进一步的，所述标准定位设备为全站仪，该测试方法还包括对全站仪进行定向的步骤。

进一步的，所述标准定位设备为激光跟踪仪，该测试方法还包括如下步骤：对全站仪进行定向，以根据定向后的全站仪的测量数据得到激光跟踪仪坐标系和大地坐标系的转换关系。

附图说明

图1是本发明的圆形轨道的整体形状图；

图2是本发明的基础支撑的示意图；

图3是本发明的运动载体的示意图；

图4是本发明的小车实体车轮位置设计的示意图；

图5是本发明的导航定位设备的动态性能测试系统的示意图；

图6是本发明的三个小车定位点工装在小车实体上的位置的示意图；

图7是本发明的导航定位设备的动态性能测试方法的流程图；

其中，1-圆形轨道，2-运动载体，3-轨道定位点工装，4-触发装置，5-全站仪，6-激光跟踪仪，71-第一观测墩，72-第二观测墩，8-安全墙，9-小车定位点工装，10-相机。

具体实施方式

系统实施例：

本发明的一种导航定位设备的动态性能测试系统实施例，其结构如图5所示，包括支撑平台、运动载体2、轨道定位点工装3、触发装置4、全站仪5、激光跟踪仪6、标准定位设备辅助装置和安全墙8等。各部件的作用和各部件之间的关系如下：

支撑平台支撑移动小车，供移动小车快速移动，由混泥土浇灌的基础支撑和圆形轨道1组成。基础支撑如图2所示，由13个钢筋混泥土浇筑的支撑墩组成，每个支撑墩长2米，整体高2.5米，地下部分1.3米，地上部分高度为1.2m，宽度为0.5m。13个支撑墩均匀分布，间隔4米。为保证圆形轨道的稳定，需要搭建稳定的基础支撑，基础支撑包括混凝土浇筑的地基和钢筋混泥土支撑，钢筋材料为HPB235、HRB335级，钢筋保护层厚度50mm。钢筋的级别、直径、根数和间距均应符合设计要求，钢筋保护层垫块要具有一定的抗压强度。圆形轨道的形状如图1所示，设计的直径为25m，轨道长度为78.5m。圆形轨道1采用铸铁制造，通过螺丝安装在基础支撑上。

运动载体2为移动自平衡小车，如图3所示，包括小车实体、驱动装置、小车控制装置、供电装置、通讯装置、安全防护装置等部件。小车实体上设置有相机10。小车实体包括四个车轮，且小车实体上设计有一个检定平板，用于搭载待测导航定位设备(本实施例中为GNSS)，导向移动装配在圆形轨道上。在小车实体上还设置有三个小车定位点工装9，如图6所示，对待测导航定位设备进行性能测试时，在这三个小车定位点工装上架设精密棱镜，辅助激光跟踪仪对小车实体的质心进行定位。该检测平板、三个小车定位点在小车实体上的位置在设计之初是确定的，也就是说检测平板、三个小车定位点在小车坐标系下的位置是确定的。其中，小车坐标系的中心为小车实体的质心。利用这三个小车定位点，激光跟踪仪可对小车进行定位。

驱动装置采用驱动电机式驱动装置，在驱动电机的带动下，小车实体可沿着圆心轨道运动。该自平衡小车可设置多个挡位的运动速度，最高设计时速不低于120km/h，并通过编码器向小车控制装置反馈运动速度。供电装置为锂电池，其容量设计为满足单次充电后以90km/h速度下可运动200km。而且，由于最高时速设计的较高，考虑到高速运动下离心力的作用，该小车实体的四个车轮的位置满足如图4所示的关系，即两个前轮与圆形轨道的圆心在同一条直线上，两个后轮与圆形轨道的圆心在同一条直线上。其中，小车控制装置可接收待测GNSS的定位结果，还存储有激光跟踪仪对待测GNSS的定位结果，将这两种定位结果进行比较与分析，评价待测GNSS的动态定位精度性能。

激光跟踪仪6是对待测导航定位设备进行性能测试时的检定基准，激光跟踪仪的定位结果为基准定位结果，将待测导航定位设备的定位结果与激光跟踪仪的定位结果进行比较，根据比较结果评价导航定位设备的定位结果是否准确。全站仪的角度精度为0.5″，测距精度优于1mm+1ppm。而全站仪5的作用是将激光跟踪仪6的定位结果转换至大地坐标系下。

在圆形轨道靠近轨道圆心的一侧每隔1m布设一个轨道定位点工装3，轨道定位点工装3上安置一个触发装置4，包括接近开关和脉冲触发器。接近开关用于检测小车实体是否到达，且该信号能够传输给脉冲触发器，只有小车实体到达时接近开关动作，脉冲触发器获取该信号并被“触发”，输出表示“小车实体到达”的信号给小车控制装置。共设置了80个轨道定位点工装和80个触发装置。在对待测导航定位设备进行性能测试时，需要在轨道定位点工装上架设棱镜，辅助激光跟踪仪对各个轨道定位点进行定位。

标准定位设备辅助装置包括两个观测墩71和72、CORS站、水准仪、以及精密棱镜等，利用这些设备先对全站仪进行定向，并在全站仪定向后对激光跟踪仪进行标定，得到激光跟踪仪坐标系和大地坐标系的转换关系的转换关系。其中第一观测墩71设置在圆形轨道的圆心处，由钢筋混泥土浇筑而成，中心设有强制对中标志；第二观测墩72设置在与圆心处的观测墩距离不小于400m的位置处，也由钢筋混泥土浇筑而成，用于后视定向，要求与第一观测墩71通视。其中，在对全站仪进行定向时，需要在第二观测墩72(后视点观测墩)处架设精密棱镜；在对激光跟踪仪进行标定时，需要在轨道定位点工装上安装棱镜。

安全墙8设置在圆形轨道的外围，以防外界干扰和安全事故发生。

基于上述介绍的导航定位设备的动态性能测试系统，可实现本发明的一种导航定位设备的动态性能测试方法，如图7所示，下面对该方法进行详细介绍。

步骤一，采用两台GNSS接收机和天线，分别假设与两个中心点，同时与至少两个CORS站联测，观测三个时段，每个时段为8小时。采用高精度基线解算与网平差，得到两点的高精度大地坐标。与二等水准点联测，求取两点的高精度高程。在圆形轨道的圆心处架设全站仪，在后视点观测墩架设精密棱镜对全站仪进行定向。需说明的是，为了检定GNSS，就需要将高精度的坐标引过来，本实施例中采用了CORS站，其数据较容易获取，也较为精确。

步骤二，选择圆形轨道处的其中九个轨道定位点工装，在轨道定位点工装上安置棱镜，利用定向后的全站仪测量各个棱镜的中心坐标，对这九个轨道定位点进行定位，该坐标为大地坐标系下的坐标。在圆形轨道的中心处将全站仪换掉，架设激光跟踪仪，9个轨道定位点工装处的棱镜保持不变，利用激光跟踪仪进行测量，确定各个棱镜的中心坐标，对这9个轨道定位点进行定位，该坐标为激光跟踪仪坐标系下的坐标。利用两套棱镜中心的坐标，建立激光跟踪仪坐标系和大地坐标系的转换关系。得到该转换关系后，此后利用激光跟踪仪定位的数据便可转换到大地坐标系下。

步骤三，撤掉各个轨道定位点上安装的棱镜，保持激光跟踪仪的位置不变，在小车实体上的三个小车定位点工装上依次架设棱镜，在小车实体的检定平板上搭载待测GNSS，控制小车实体以50km/h的速度沿着轨道行驶。在小车实体移动至接近某一个触发装置时，小车控制装置可获取该信号，并将该触发信号发送给激光跟踪仪，使激光跟踪仪对小车进行定位。在该触发时刻，利用激光跟踪仪对小车实体上的三个棱镜的中心进行测量，并将测量得到的激光跟踪仪坐标系下的数据转换到大地坐标系下，对触发时刻小车实体上的三个小车定位点进行定位。并结合已知的小车坐标系下三个棱镜的中心位置，建立该触发时刻大地坐标系和小车坐标系的转换关系。得到该转换关系后，在已知小车坐标系下检定平板位置的情况下，利用该触发时刻大地坐标系和小车坐标系的转换关系，便可确定该触发时刻大地坐标系下检定平板的位置，该位置约为激光跟踪仪测量得到的待测GNSS所在位置。按照该方法，可得到各个触发时间处激光跟踪仪对待测GNSS所在位置的定位结果，这些作为基准定位结果存储在小车控制器中(共80个)，在需要时读取这些基准定位结果即可。

步骤四，控制小车实体按照步骤三中的初始位置、运动速度和轨迹行驶。在行驶过程中，在小车实体移动至接近各个触发装置时，小车控制装置可获取该信号，并发送给待测GNSS，使待测GNSS对自身所在位置进行定位(该定位结果直接为大地坐标系下的定位结果)。需说明的是，由于信号传输路径不同，导致激光跟踪仪对小车进行定位的时刻和待测GNSS对自身所在位置进行定位的时刻稍有偏差，该偏差忽略不计，称忽略偏差后的定位时刻为触发时刻。

步骤五，小车控制装置根据触发时刻，将各个触发时刻待测GNSS对自身的定位结果和与之对应的基准定位结果进行比较。根据不同触发位置处激光跟踪仪和待测GNSS的比较结果，对待测GNSS的动态定位精度进行测试与评价。

整体来看，该测试系统利用高精度测量设备——激光跟踪仪，实现检定基准的实时精密测定，测量精度优于5mm，远高于待检设备，因此可大大提高动态测试评估结果的可信度。而且，该测试系统可安置在室外，不受信号遮挡的影响，多种类型的待测定位设备均可以利用该测试系统进行测试检定。而且，本实施例中的小车实体的轮子能够顾及离心力，保证自平衡小车在高速运动过程中的安全性。

在本实施例中，标准定位设备选用的是激光跟踪仪，但需配合全站仪实现定位跟踪，全站仪的作用是得到激光跟踪仪坐标系与大地坐标系之间的转换关系，进而利用该关系便可将激光跟踪仪测定的激光跟踪仪下的定位结果转换至大地坐标系下。这是因为对待测GNSS的动态定位精度有较高的要求。若待测导航定位设备的动态定位精度没有较高要求时，标准定位设备可只选用全站仪，此时整个测试系统在对全站仪定向后即可开展对待测导航定位设备的动态性能测试。

方法实施例：

本发明的一种导航定位设备的动态性能测试方法实施例，可见系统实施例中介绍的一种导航定位设备的动态性能测试方法，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，包括处理装置、轨道、运动载体、若干个触发装置、以及标准定位设备；

所述标准定位设备为全站仪或者激光跟踪仪，用于对运动载体进行定位，并将定位结果发送给处理装置；

所述运动载体上设置有用于搭载待测导航定位设备的检定平板，运动载体导向移动装配在所述轨道上；且所述运动载体上设置有三个均架设有棱镜的定位点工装，辅助标准定位设备对所述运动载体的质心进行定位；检定平板、三个定位点工装在运动载体坐标系下的位置是预先确定的，运动载体坐标系的中心为运动载体的质心，检测平板的位置视为导航定位设备的位置；

所述触发装置沿所述轨道的一侧间隔设置，用于在所述运动载体沿着轨道移动至接近所述触发装置时，触发所述标准定位设备对所述运动载体进行定位以及待测导航定位设备对自身进行定位；

所述处理装置用于根据标准定位设备对运动载体的定位结果、以及运动载体和待测导航定位设备之间的空间位置关系，得到标准定位设备对待测导航定位设备的定位结果，并作为基准定位结果，进而与待测导航定位设备对自身的定位结果进行比较，以根据比较结果对所述待测导航定位设备的动态定位精度性能进行测试。

2.根据权利要求1所述的导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，所述轨道为圆形轨道。

3.根据权利要求2所述的导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，所述运动载体为四轮小车，所述四轮小车的两个前轮与圆形轨道的圆心在同一条直线上，所述四轮小车的两个后轮与圆形轨道的圆心在同一条直线上。

4.根据权利要求1所述的导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括设置在轨道外围的安全墙。

5.根据权利要求1~4任一项所述的导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，所述标准定位设备为全站仪时，所述测试系统还包括全站仪定向设备，所述全站仪定向设备用于对全站仪进行定向。

6.根据权利要求1~4任一项所述的导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，所述标准定位设备为激光跟踪仪时，所述测试系统还包括全站仪、全站仪定向设备和辅助测量设备，全站仪定向设备用于对全站仪进行定向，所述辅助测量设备用于得到激光跟踪仪坐标系和大地坐标系的转换关系。

7.根据权利要求1所述的导航定位设备的动态性能测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括轨道定位点工装，所述触发装置设置在轨道定位点工装上。

8.一种导航定位设备的动态性能测试方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1所述的导航定位设备的动态性能测试系统中，包括如下步骤：

将待测导航定位设备搭载在运动载体上，使运动载体沿轨道导向移动；

在运动载体移动至接近触发装置的位置时，触发待测导航定位设备对自身进行定位；

将待测导航定位设备对自身的定位结果和与之对应的基准定位结果进行比较，根据比较结果对所述待测导航定位设备的动态定位精度性能进行测试；

其中，所述基准定位结果通过以下方法得到：在运动载体移动至接近触发装置的位置时，触发标准定位设备对运动载体进行定位，并结合运动载体和待测导航定位设备之间的空间位置关系，得到标准定位设备对待测导航定位设备的定位结果，并作为基准定位结果。

9.根据权利要求8所述的导航定位设备的动态性能测试方法，其特征在于，所述标准定位设备为全站仪，该测试方法还包括对全站仪进行定向的步骤。

10.根据权利要求8所述的导航定位设备的动态性能测试方法，其特征在于，所述标准定位设备为激光跟踪仪，该测试方法还包括如下步骤：对全站仪进行定向，以根据定向后的全站仪的测量数据得到激光跟踪仪坐标系和大地坐标系的转换关系。