北斗高精度兼容接收机精度测试与分析

电子测量技术　第３６卷第５期　ＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　２０１３年５月　北斗高精度兼容接收机精度测试与分析　杜　娟　马　辉　姚飞娟‘　孙中豪　（１．６３８８３部队洛阳４７１０００；２．６３８９３部队洛阳４７１ＯＯ３）　摘　要：采用“硬比法”的实验方法对某公司研发的高精度兼容接收机进行了静态／动态精度测试。在使用载波相位　数据处理方式下短基线闭合精度可以达到１～２　ｍｍ，动态跑车情况下ＲＴＫ处理结果与ＧＰＳ数据处理精度结果的比　较，水平定位精度达到２　ｃｍ左右，高程精度４　ｃｍ左右，得出了使用北斗高精度兼容接收机在精度鉴定服务中可行性　的结论。对于今后改变目前测控设备精度鉴定对ＧＰＳ严重依赖的局面，形成新的测量体系及新的设备精度鉴定体系　规范与标准，将具有十分重要的军事意义和应用价值。　关键词：兼容接收机；精度测试；载波相位差分　中图分类号：Ｖ１９　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：５９０．６０２０　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｆｏｒ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｏｆ　ＢＤＳ　Ｄｕ　Ｊｕａｎ　Ｍａ　Ｈｕｉ　Ｙａｏ　Ｆｅｉｊ　ｕａｎ　Ｓｕｎ　Ｚｈｏｎｇｈａｏ　（１．６３８８３　Ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｌｕｏｙａｎｇ，４７１０００，Ｃｈｉｎａ；２．６３８９３　Ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｌｕｏｙａｎｇ，４７１００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｈａｓ　ｄｏｎｅ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｓｈｏｒｔ　ｂａｓｅｌｉｎｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｐｈａｓｅ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　１～２　ｍｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ＲＴＫ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＧＰＳ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｏｒｔｓ　ｃａｒ，ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ａｂｏｕｔ　２　ｅｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ａｂｏｕｔ　４　ｃｍ．Ｗｅ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　Ｂｅｉｄｏｕ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｈｅａｖｉｌｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｇ　ＰＳ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｎｏｒｍｓ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｗｉｌｌ　ｈａｖｅ　ａ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ；ａｃｃｕｒａｃｙ　ｔｅｓｔ；ｃａｒｒｉｅｒ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　１　引　言　治等因素的控制，为了摆脱美国的控制，中国开始实施　自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，我国北斗卫　在导弹卫星、航天发射试验过程中，火箭的飞行轨　星导航系统２Ｏ１２年已完成区域组网并为用户提供导　道、卫星的轨道根数、飞行器再入段轨迹等大量试验数　航、定位、授时及报文通信服务，发展我国自主的卫星导　据，都是通过试验场测控系统获得的，这些测控设备的　航系统，不仅可以改变我国国防建设和经济社会发展时　测量精度对导弹的精确打击、卫星的准确入轨、飞船的　空定位领域受制于人的局面，还可以大幅提高我军整体　正确对接和返回等起着决定性作用。我单位主要从事　作战效能　］。可以预见，北斗二代建设的推进必将带动　于高精度测控设备的精度鉴定服务，目前的精度鉴定工　以北斗二代接收机为代表的军用卫星导航设备的快速　作主要依赖于ＧＰＳ卫星导航系统作为测量手段，即通过　发展，并且将逐渐装备部队　］。在这样的背景下，了解　飞行试验或专门的鉴定试验，对测控设备的精度及数据　高精度兼容接收机的定位能力及实际精度，分析今后使　的不准确性作出评定，检验测控设备是否达到预期的设　用北斗高精度兼容接收机在精度鉴定试验中的可行性，　计指标，给出置信度，为型号研制单位和设备研制等单　对于改变目前测控设备精度鉴定对ＧＰＳ严重依赖的局　位提出可信的测量精度　。　面，形成新的测量体系及新的设备精度鉴定体系规范与　由于ＧＰＳ是美国军用导航系统，受美国的军事、政　标准，将具有十分重要的军事意义和应用价值。　收稿日期：２０１３一Ｏ１　・　９７　・　第３６卷　电　子测　量技术　２测试原理和方法　２．１试验方法　采用“硬比法”进行实验，即以成熟的高精度ＧＰＳ接　收机产品作为比对设备，基准站与目标站用功分器将高　精度天线接收到的射频信号一分为二，分别输入至比对　及被测接收机，通过静态和动态实验对录取的测量数据　做基于载波相位差分方法的精细数据处理，并对处理结　果进行统计分析，最终得到静态基线／动态跑车试验条　件下北斗卫星系统定位精度的数据分析结果。静态实　验如图１所示。　基准站Ｂ　图中基准站分别设在某Ａ、Ｂ、Ｃ　３个点位，３个静　态测量点构成了１个三角形，采用三角闭合差法　］，即　以Ａ点为基准计算机Ｂ点的站址坐标，之后以Ｂ点为　基准计算Ｃ点的站址坐标，最后再以ｃ点为基准计算　Ａ点点位的站址坐标，最终Ａ点计算结果与已知Ａ点　的基准坐标结果作比较，其中Ａ点为已知大地二级控　制点。　动态实验是利用１台野外试验车作为移动目标，基准　站设在３个点位，动态目标使用野外综合保障实验车，车内　加装高精度北斗兼容接收机和ＧＰＳ接收机，动态跑车的实　测路线选择了洛阳北面的连霍高速路作为主测路线。动态　测试如图２所示。　数据记录基准站Ａ　数据记录　基准站ｃ　图１静态实验布局　数据记录　基准站１　数据记录　基准Ｎ２　数据记录　基准站３　图２动态跑车测试　・　９８　・　杜２．２试验设备构成　１）比对标准设备　娟等：北斗高精度兼容接收机精度测试与分析　第５期　ｓ㈨一√　（△　（８）　本次测试标准设备选用ＮｏｖＡｔｅｌ双频接收机ＤＬ４、　ＤＬ５型ＧＰＳ接收机，高动态定位精度在２　ｃｍ左右，静态　１　ｍｍ左右。　ｓ㈨一√　（△　实聆标准偏善　（９）　式中：Ｓ　为实时东向定位的实验标准偏差，单位为ｍ；Ｓ　为实时北向定位的实验标准偏差；Ｓ　为实时天向定位的　２）被测ＢＤ／ＧＰＳ双系统兼容接收机　被测ＢＤ／ＧＰＳ双系统兼容接收机型号为ＵＲ２４０，由北　斗星通下属子公司和芯星通研发。ＵＲ２４０双系统四频高　精度接收机是目前我国唯一基于基带芯片方案实现的商　３处理结果精度分析　品化兼容接收机产品，采用低功耗设计，提供ｍｍ级载波　相位观测值和后处理定位精度，支持芯片级多路径抑制。　基准站和流动站天线选用ＧＰＳ（Ｌ１Ｌ２）＋ＢＤ２（ＢＩＢ２）　天线，信号经无源功分器分配至标准接收机和ＵＲ２４０。　ＮＯＶＡＴＥ１　ＧＰＳ接收机记录２０　Ｈｚ数据，ＵＲ２４０通过网　络方式记录１０　Ｈｚ数据。　２．３　比对方法　定位测速精度分析采用的方法是分别对当地坐标系　下东北天定位误差及东北天速度误差　进行统计计算。　具体数据处理比对方法如下：　１）按式（１）～（３）计算水平定位偏差　、　与垂　直（高度）定位偏差△　：　Ａｉ（　）一Ｘ　一Ｘ∞　（１）　Ａｉ（　）一Ｙ　一Ｙ　。　（２）　Ａｉ（　）一　一　。　（３）　式中：△　为第ｉ次实时东向定位偏差，单位为ｍ；Ａｉ　为第ｉ次实时北向定位偏差；△　为第ｉ次实时垂直定位　偏差（天向）；Ｘ　、Ｙ　、Ｚ　为第ｉ次定位的当地水平系下　目标位置坐标；ｉ为自然数，取１，２，…，　（　为测量数）；　Ｘ　、ｙ…Ｚ　为第ｉ次实时定位的当地水平系下目标标准　位置坐标值，单位为１ＴＩ；静态单点定位时ｘ　ｙ　、ｚ　。为　定点坐标，动态定位时，ｘ　ｙ　、ｚ　。为模拟器第ｉ次输出　的标称位置。　２）按式（４）～（６）计算实时定位偏差的算术平均值△：　１　一　∑Ａｉ∽　（４）　．一１　一　厶㈨一　１∑Ａｉ㈨　（５）　‘ｉ一１　一÷∑Ａｉ‘ｉ；ｊ　　（６）　式中：△　为实时东向定位偏差的算术平均值，单位为　ｍ；△ｃ　为实时北向定位偏差的算术平均值；△　为实时天　向定位偏差的算术平均值。　３）按式（７）～（９）计算实时定位的总误差值ｓ：　Ｓ（　）一　（７）　３．１北斗高精度兼容接收机静态基线测量结果精度分析　静态基线测量时段为２　ｈ，每个测站的ＵＲ２４０接收机　观测ＤＯＰ值项中ＨＤＯＰＩ７　都低于１且连续无异常值，跟　踪卫星状态稳定，单点定位的经纬度和高程统计值符合水　平１．５　ｍ标称值。Ａ点高精度兼容接收机ＤＯＰ值如图３　所示，Ｂ点ＤＯＰ值如图４所示，Ｃ点ＤＯＰ值如图５所示，Ａ　点接收机卫星跟踪数如图６所示。０口　∞　箬０　ｆ１　；ｌ　ｌ　０　８　６　４　　２　０　８　２．６　２．４　２．２　２　０　７　４０４　９　２６４　１１　１２４　ｌ２　９８４　１４　８４４　１６　７０４　ｌ０：０３：２４　１０：３３：２４　１１：０５：２４　１ｌ：３６：２４　１２：０７：２４　１２：３８：２４　图３　Ａ点接收机ＤＯＰ值　图４　Ｂ点接收机ＤＯＰ值　・　９９　・　２　２　ｌ　ｌ　山００　∞　２ｏ０ｌｕｆ１　ｌ　１　ｌ　０　２　０　８　６　４　２　Ｏ　８　第３６卷　电　子　测　量技术　Ｏ．０５　Ｏ　５３０　０．０５　０．１Ｏ　－—图７　当地坐标系东向位置比对残差　９　３４５　１０　７２５　１０：３５：４５　１０：５８：４５　１２　１０５　１３　４８５　１　１：２１：４５　Ｉｌ：４４：４５　１４　８６５　１２：０７：４５　１６　２４５　１２：３０：４５　图５　Ｃ点接收机ＤＯＰ值　山　０　０　菪　善　０　图８　当地坐标系北向位置比对残差　图６　Ａ点接收机卫星跟踪数　通过载波相位差分数据的闭合差比对，单ＢＤ及ＢＤ＋　ＧＰＳ处理结果如表１所示。　表１单ＢＤ及ＢＤ＋ＧＰＳ闭合差统计　ｉｎｎｌ　图９　当地坐标系天向位置比对残差　３．２　动态跑车载波差分定位结果精度分析　ＵＲ２４０　ＢＤ载波差分定位结果与ＮｏｖＡｔｅｌ接收　机　ＷａｙＰｏｉｎｔ８．４０后处理结果数据比对的残差如７～　９所示（图中横轴为周秒，纵轴为比对残差，单位：位置　残差为ｍ）。　从比对残差图可以看出，差分定位精度较为理想，定　位残差水平方向基本上小于０．１　ｍ，高程方向基本上小于　０．２　ｍ。整段数据的单ＢＤ、ＢＤ＋ＧＰＳ载波相位差分定位结　果的精度分析数值如表２所示。　（下转第１０４页）　第３６卷　电　子　测　量技术　ｇｕｉｄｅ－ｗａｆｅｒ　ｍｏｄｕｔｅＥＭ］．２Ｏ　１　２．　黄云，恩云飞，师谦，等．ＫＧＤ质量和可靠性保障技　ＳＭＡ接头），在考虑到自动测试对位校准等时间消耗，自动　测试相对于传统的测试方法在效率上至少提高３倍以上，　由于采用集中螺钉装配和金丝互联，装配效率提高２０％左　右，通过探针测试能有效的去除接头连接带来的误差，更好　的实现快速、精确测试。　该模块自动化测试系统已在实际测试中应用，不仅运　术ＥＪ］．半导体技术，２００５，３０（５）：４０—４３．　刘浩，于劲松，周振彪，等．ＬＸＩ仪器的通用平台研　究［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２Ｏ１２，２６（２）：　９５一ｌ００．　行稳定，而且可靠，实用性强，测试效率高，测试数据易保存　和查询。通过调整测试探针卡中微波探针和直流探针的位　置，可使系统适用于多种类型模块的测试，使系统非常易于　扩展和升级，大大节省了研发成本和测试成本。　徐文虎，蒋政波，田玲，等．ＬＴＥ同频小区检测及在扫　频测试仪中的应用ｌ－Ｊ］．仪器仪表学报，２０１２，３３（１）：　２０７—２１２．　路亚峰，张涛，张贤，等．机载电子设备故障诊断专家　本系统在模块装配上仍然使用螺钉固定，装配效率较　低，后期可考虑使用负压的方式解决螺钉固定模块的方式　以提高测试效率。　系统的设计与实现ＥＪ］．电子测量技术，２０１０，３３（１）：　１１８—１２Ｏ．　王燕．一种远程相控阵雷达的自动化测试与故障诊断　参考文献　Ｅ１３　盂馨，王志刚，马文敏，等．基于ＧＰＩＢ总线和ＶＩＳＡ标　方法ＥＪ］．电子测量技术，２０１０，３３（１）：１２９—１３２，１４６．　赖彪，周健．基于ｃ／ｓ模式的测控装备故障诊断系统　研制ＥＪ］．国外电子测量技术，２０１１，３０（４）：４７．　　准自动测试系统的应用［Ｊ］．河北工业大学学报，Ｉ竺ｊ　　］　］　］　］　］　］２００９，３８（２）：８３　８６．　作者简介　陈忠睿，工程师，硕士，主要研究方向为计算机控制及　自动化。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｒｕｉｃｈｅｎ＠１６３．ｃｏｒｎ　—［２］　丁亚非．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｓｔｕｄｉｏ用户控件技术在Ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋中的应用［Ｊ］．微计算机应用，２００３，２４（３）：　１７Ｏ一１７３．　Ｅ３］　ＣＡＳＣＡＤＥ．Ｗａｖｅｖｕｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｔｕｄｉｏ　ｕｓｅｒ’Ｓ　（上接第１００页）　表２东北天位置比对残差统计　ｍ　６　７３—６　７９．　Ｅ４３　朱紫阳，施一民，黄占邦，等．以ＧＰＳ水准点作为起闭　点的三角高程导线闭合差限差之讨论ＥＪ］．测绘通报，　２００６（６）：２３—２５．　Ｅ５］　刘利生．外弹道测量精度分析与评定ＥＭ］．北京：国防　工业出版社，２０１０：４９．　Ｅ６］　蔡庆仙，田育民，孙葵，等．北斗／ＩＮＳ组合导航关键技　４　结　论　术分析ＥＪ］．全球定位系统，２０１０，３５（６）：５６—６０．　Ｅ７］　腾云龙，师奕兵，郑植，等．恶劣环境下ＧＰＳ接收机定　通过静态基线及动态跑车精度的实测数据证明，在使　用载波相位数据处理方式下短基线闭合精度可以达到　１～２　ｍｍ；动态跑车情况下ＲＴＫ处理结果与ＧＰＳ数据处　理精度结果比较，水平方向定位精度２　ｃｍ左右，高程方向　精度４　ｃｍ左右，可以与ＧＰＳ作为测控设备鉴定的精度指　位算法研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１１，３２（８）：　１８７９—１８８４．　［８］　魏巍，张效民．低功耗水声接收机系统设计ＥＪ］．国外　电子测量技术，２０１２，３１（４）：８７—９０．　标进一步验证工作性能和高动态高精度的实际精度，为今　后高精度测控设备的精度鉴定服务提供新的测量手段。　１－９］　白燕，吴贵臣，许林生，等．低频时码接收机高精度定　时的研究ＥＪ］．电子测量与仪器学报，２００６，２０（３）：　１Ｏ２—１Ｏ５．　参考文献　Ｅｌｉ　刘丙申．靶场外测设备精度鉴定ＥＭ］．北京：国防工业　出版社，２００５：２－３．　Ｅｌｏ］　陈勖，李尔园．ＧＰＳ接收机工作原理及发展现状［Ｊ］．　全球定位系统，２０１０，３５（６）：５１—５５．　［２］　中国卫星导航定位协会．卫星导航定位与北斗系统应　作者简介　杜娟，本科，工程师，主要研究方向为ＧＮＳＳ卫星导航　和ＧＰＳ精度鉴定。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓａｓｈａｎａ＠１６３．ｃｏｒｎ　用ＥＭ］．北京：测绘出版社，２０１０．　［３］　丁丽，熊辉，唐斌，等．基于两级信道化的宽带数字接　收机结构ＥＪ］．电子测量与仪器学报，２０１０，２４（７）：