CN110749906A - 基于模拟器的gnss接收机动态性能指标的高精度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，属于接收机动态性能测试方法领域。本发明实现方法如下：在静态测试场景下，建立用于观测伪距偏差的伪距偏差观测方程；在所有卫星的伪距上叠加一个相同的量，再将伪距观测方程展开变为矩阵形式，定义为伪距偏差观测扩展方程；在所有卫星的伪距上叠加一个相同的二阶变化值时，得到伪距率偏差观测扩展方程；变换得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测方程；在测试过程中直接在每颗卫星上加入相同的伪距和伪距率的变化率，使得每颗卫星的伪距产生相同大小的变化，避免由于接收机高速度场景下的不能定位的问题，消除由于卫星伪距变化不同导致测试误差大的影响。

Description

基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，属于接收机动态性能测试方法领域。

背景技术

卫星导航系统工作的基本原理是用户同时接收不少于4颗卫星的导航信号，从而测得3个以上伪距观测量，在卫星坐标、卫星钟差和卫星不同频点间相对设备时延偏差已知的情况下，计算自己的三维坐标和钟差。伪距精度是指接收机测量的伪距与真实伪距之间的偏差。因此，伪距是卫星导航系统最基本的观测量，伪距的观测精度直接决定了系统的导航定位精度。高精度伪距测量技术是卫星导航系统的关键技术之一。

卫星信号模拟器介绍：卫星导航模拟器能够模拟地面接收机收到的卫星信号，包括导航数据和测距信号。模拟器通过控制输出伪码信号的时延模拟卫星到达接收机之间不同的伪距。使用卫星模拟器具有以下优点：一是测试场景的自定义，可以在实验室中模拟任意时间、地点的卫星导航条件；二是测试条件无差别的可重复性，即所有的测试场景可以在相同条件下反复运行；三是对导航卫星信号功率、时延、接收高度角、方向角及其上述特征随时间的变化进行精确控制。利用卫星信号模拟器可以对接收机的相关性能进行仿真测试。

接收机的性能要求包括：定位精度、测速精度、伪距精度、首次定位时间和灵敏度等。其中伪距精度测试根据测试要求的不同分为静态伪距精度测试、动态伪距精度测试和高动态伪距精度测试。高动态伪距精度为载体在高速度运动时，载体上的接收机测量的在当前情况下与所有可见卫星的距离和真实值之间的差异。对于高动态伪距精度测试来说，采用实际高动态载体进行测试在理论上可行，但实际操作难度大且经济性不高，而卫星信号模拟器有可重复性、参数可控性等优点，因此采用卫星信号模拟器来进行测试。模拟器负责生成要求的卫星导航射频信号，并提供评估需要的理论参考数据。同时利用数据采集器和测试评估计算机。数据采集器负责采集接收机输出的位置、速度、伪距、多普勒频率等试验数据，测试评估计算机完成对试验数据的统计分析处理，获得最终的试验结果。

在已有的测试方法中，在对接收机进行高动态伪距精度测试时，测试步骤如下：①模拟器模拟一个接收机高动态的场景，此场景中有n(n＞3)个可见卫星，场景中设置接收机的速度为V，加速度为a，那么此时该速度投影到接收机与所有卫星连线方向之后速度分别为V₁、V₂、V₃…V_n，加速度为a₁、a₂、a₃…a_n②运行模拟器设置好的场景，模拟器一方面将标准伪距信息输出给测试评估计算机，另一方面通过射频线将导航信息传递给接收机，接收机对导航信息进行解析并输出伪距信息；③测试评估计算机将接收机输出的伪距信息和模拟器输出的标准伪距信息进行评估，得出接收机伪距精度。

一般情况下，投影到接收机与各个卫星的连线方向上的n个速度并不相等，因此各卫星伪距的变化率不同。同时，在该测试环境下对伪距精度的测试还存在其他问题。

基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的精度测试方法在测试时存在以下问题：

1.在计算每颗卫星的伪距时，由于卫星位置不同，动态场景中模拟的接收机运行速度投影到与每颗卫星连线上的速度都不一样，此时产生的问题是：每颗卫星上的伪距变化的大小都不同，如果所有伪距不能同步变化，进而导致无法对所有伪距进行同步的精确测试；

2.与静态场景不同，在运行动态尤其是高动态场景时，由于载体速度过大，接收机极可能无法定位，而在对各类测试精度指标进行测试时的一个必要条件就是接收机必须能够定位，只有接收机定位后，接收机才能输出位置和速度等定位信息，进而评估计算机才能对各项指标进行测试。如果接收机无法定位，则无法进行伪距精度的测试。

发明内容

针对现有技术中基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的精度测试方法存在的上述技术问题。本发明公开基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法要解决的技术问题是：通过在静态场景的测试过程中直接在每颗卫星上加入相同的伪距和伪距率的变化率，既避免由于测试场景中接收机高速度场景下的不能定位的问题，又消除由于测试场景中接收机高速度运动时各卫星伪距变化不同导致测试误差大的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法。在静态测试场景下，建立用于观测伪距偏差的伪距偏差观测方程。在所有卫星的伪距上叠加一个相同的一阶变化量，再将伪距观测方程展开变为矩阵形式，定义为伪距偏差观测扩展方程；在所有卫星的伪距上叠加一个相同的二阶变化量时，得到伪距率偏差观测扩展方程。对伪距偏差扩展方程和伪距率偏差扩展方程进行变换得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测合并方程。通过对伪距偏差合并观测方程和伪距率偏差合并观测方程进行分析，通过在测试过程中直接在每颗卫星上加入相同的伪距和伪距率的变化率，使得每颗卫星的伪距产生相同大小的变化，避免由于测试场景中接收机高速度场景下的不能定位的问题，消除由于测试场景中接收机高速度场景下卫星伪距变化不同导致测试误差大的影响。

在对高动态伪距定位精度进行测试时，由于能够直接对卫星伪距模拟器运行静态场景，场景中有n(n＞3)个可见卫星，能够通过在静态场景中在伪距中设置一阶和二阶的偏置伪距变化值对伪距的变化率Δr和伪距率的变化率

进行控制，从而使所有卫星伪距和伪距率实现同步变化。

本发明公开的基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，包括如下步骤：

步骤一：在静态测试场景下，建立用于观测伪距偏差的伪距偏差观测方程。

在测试场景下，建立用于伪距偏差测量的伪距偏差观测方程如下：

Δρ_i＝e_x·Δx+e_y·Δy+e_z·Δz+c·Δt_r (1)

其中

其中：Δx、Δy、Δz分别为接收机的位置坐标与卫星的位置在x、y、z方向的变化量，Δt_r为接收机与卫星时钟偏差的变化量。x_i、y_i、z_i分别为第i颗卫星在x、y、z方向的位置。x_u0、y_u0、z_u0分别为接收机在x、y、z方向的位置。

由上述伪距偏差观测方程(1)知，伪距的偏差主要与卫星和接收机的位置偏差和钟差有关。

步骤二：为达到静态场景下测试接收机的动态性能，由伪距偏差观测方程(1)知，卫星与接收机之间的伪距主要与接收机和卫星的位置有关，如果将接收机的速度量V作为一阶叠加量Δr直接添加到卫星的伪距偏差观测方程(1)中，将接收机的加速度量a作为二阶叠加量

加入卫星的伪距率方程中，虽然接收机的速度为零，但依然能够测试出接收机的伪距变化率和伪距率的变化率。基于此概念，在步骤一建立的用于观测伪距偏差的伪距观测方程基础上，在所有卫星的伪距上叠加一个相同的一阶变化值时，将伪距偏差观测方程(1)展开变为矩阵形式，定义为伪距偏差观测扩展方程；在所有卫星的伪距上叠加一个相同的二阶变化值时，得到伪距率偏差观测扩展方程。

当在所有卫星的伪距上叠加一个一阶的变化值时，将公式(1)所示的伪距偏差观测方程展开变为为矩阵形式如下：

其中Δr为卫星伪距一阶叠加量。

同理，当在所有卫星的伪距上叠加一个二阶的变化值时，伪距率偏差观测方程展开变为为矩阵形式如下：

其中为卫星伪距二阶叠加量。

步骤三：基于步骤二得到的伪距偏差观测扩展方程和伪距率偏差观测扩展方程，对其进行变换得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测方程。

由(2)式和(3)式知，由于加入了相同的伪距叠加量，即在公式(2)加入Δr₁…Δr_n，在公式(3)加入

由于每颗卫星的Δt_r相同，而在每颗卫星上的叠加量也相同，于是将每颗卫星上的伪距和伪距率的叠加量合并到钟差上，得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测合并方程。其中伪距偏差观测合并方程如下：

伪距率偏差观测合并方程如下：

通过公式(3)知，伪距与伪距变化率的偏置量能够叠加到钟差上，故伪距和伪距率的变化量被钟差吸收。因此，叠加量的加入并不会影响接收机的定位精度，只对接收机的钟差有影响。

步骤四：基于步骤三得到的伪距偏差合并观测方程和伪距率偏差合并观测方程，通过在测试过程中直接在每颗卫星上加入相同的伪距的一阶和二阶的变化量，使得每颗卫星的伪距和伪距率产生相同大小的变化，避免由于测试场景中接收机高速度场景下的不能定位的问题，消除由于测试场景中接收机高速度场景下卫星伪距变化不同导致测试误差大的影响。

有益效果：

1、本发明公开的基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，控制模拟器对静止场景中的每颗卫星伪距和伪距率上均加入相同的叠加量。相比于动态场景测试，伪距和伪距率按照希望的规律变化，伪距精度测试可控制性更强，测试精度将更加准确。

2、本发明公开的基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，控制模拟器对静止场景中的每颗卫星伪距和伪距率上均加入相同的叠加量。相比于动态场景测试，不会产生接收机无法定位的情况，测试效果更加稳定。

附图说明

图1为模拟器播发场景时可见卫星分布图。

图2为伪距一阶叠加量为250m/s时7、8、10、26号星的伪距精度图。

图3为伪距一阶叠加量为1000m/s时7、8、10、26号星的伪距精度图。

图4为伪距一阶叠加量为5000m/s时7、8、10、26号星的伪距精度图。

图5为伪距二阶叠加量为10m/s²时7、8、10、26号星的伪距精度图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面通过偏置伪距测试方法的试验对本发明做出详细解释。

实施例1

为了验证方法的可行性，以弹道导弹为载体进行试验，分别设置弹道导弹的速度为250m/s，1000m/s和5000m/s，另设置一组导弹加速度为10m/s²的试验，验证该方法的可行性。通过直接在模拟器中对每颗卫星的伪距上添加250m/s，1000m/s，5000m/s的一阶叠加量和10m/s²的二阶叠加量。利用测试评估计算机可以算出每颗卫星的伪距精度。试验精度图和试验结果如图所示：

如图1所示，本发明公开的基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，具体实现步骤如下：

步骤一：在静态测试场景下，建立用于观测伪距偏差的伪距偏差观测方程。

在测试场景下，建立用于伪距偏差测量的伪距偏差观测方程如下：

Δρ_i＝e_x·Δx+e_y·Δy+e_z·Δz+c·Δt_r (6)

其中

其中：Δx、Δy、Δz分别为接收机的位置坐标与卫星的位置在x、y、z方向的变化量，Δt_r为接收机与卫星时钟偏差的变化量。x_i、y_i、z_i分别为第i颗卫星在x、y、z方向的位置。x_u0、y_u0、z_u0分别为接收机在x、y、z方向的位置。

由上述伪距偏差观测方程(1)知，伪距的偏差主要与卫星和接收机的位置偏差和钟差有关。

步骤二：为达到静态场景下测试接收机的动态性能，从伪距的定位方程可以看出，卫星与接收机之间的伪距主要与接收机和卫星的位置有关，为方便做出比较，分别将接收机的速度设为V₁＝250m/s，V₁＝1000m/s，V₁＝5000m/s分别作为伪距的一阶叠加量直接加入卫星的伪距方程上，将加速度为a＝10m/s²作为伪距的二阶叠加量加入卫星的伪距率方程中。虽然接收机的速度和加速度为零，但依然能够测试出接收机的伪距变化率。于是，在步骤一建立的用于观测伪距偏差的伪距观测方程基础上，在所有卫星的伪距上叠加一个相同的一阶变化值Δr，为方便对伪距精度的3组试验做出比较，分别令Δr₁＝250m/s，Δr₂＝1000m/s，Δr₃＝5000m/s，将伪距观测方程展开变为矩阵形式，定义为伪距偏差观测扩展方程；在所有卫星的伪距上叠加一个相同的二阶变化值

时，令

可得到伪距率偏差观测扩展方程。

当在所有卫星的伪距上叠加一个一阶的变化值时，将公式(1)所示的伪距偏差观测方程展开变为为矩阵形式如下：

其中Δr为伪距一阶变化值。

同样，当在所有卫星的伪距上叠加一个二阶的变化值时，伪距率偏差观测方程展开变为为矩阵形式如下：

其中

步骤三：基于步骤二得到的伪距偏差观测扩展方程和伪距率偏差观测扩展方程，对其进行变换得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测合并方程。

由(2)式和(3)式知，由于加入了相同的伪距一阶或二阶叠加量，即在公式(2)加入Δr，在公式(3)加入由于每颗卫星的Δt_r相同，而在每颗卫星上的叠加量也相同，于是将每颗卫星上的伪距和伪距率的叠加量合并到钟差上，能够得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测合并方程。其中伪距偏差合并方程如下：

伪距率偏差观测合并方程如下：

通过公式(3)知，伪距与伪距变化率的偏置量能够叠加到钟差上，故伪距和伪距率的变化量被钟差吸收。因此，叠加量的加入并不会影响接收机的定位精度，只对接收机的钟差有影响。然后展开试验。

伪距精度试验结果如表1所示：

伪距精度试验结果表1

对试验结果进行分析知，伪距叠加量的方法可正常测试接收机的伪距精度和伪距率精度，各卫星的伪距测量精度在0.5米左右，而在使用原始方法进行测试时，接收机此时已无法定位。

步骤四：基于步骤三得到的伪距偏差合并观测方程和伪距率偏差合并观测方程，通过在测试过程中直接在每颗卫星上加入相同的伪距的一阶和二阶的变化量，使得每颗卫星的伪距和伪距率产生相同大小的变化，避免由于测试场景中接收机高速度场景下的不能定位的问题，消除由于测试场景中接收机高速度场景下卫星伪距变化不同导致测试误差大的影响。

因此对于动态和高动态情况下的伪距精度测试，采用对所用可见卫星伪距叠加相同动态偏移的伪距偏置法来实现。这样处理不仅不会影响定位，反而由于叠加量的加入，可以控制伪距按照希望的规律变化。同时，相比于动态场景测试，不会产生接收机无法定位的情况，测试效果更加稳定。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于模拟器的GNSS接收机动态性能指标的高精度测试方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：在静态测试场景下，建立用于观测伪距偏差的伪距偏差观测方程；

在测试场景下，建立用于伪距偏差测量的伪距偏差观测方程如下：

Δρ_i＝e_x·Δx+e_y·Δy+e_z·Δz+c·Δt_r (1)

其中

其中：Δx、Δy、Δz分别为接收机的位置坐标与卫星的位置在x、y、z方向的变化量，Δt_r为接收机与卫星时钟偏差的变化量；x_i、y_i、z_i分别为第i颗卫星在x、y、z方向的位置；x_u0、y_u0、z_u0分别为接收机在x、y、z方向的位置；

由上述伪距偏差观测方程(1)知，伪距的偏差主要与卫星和接收机的位置偏差和钟差有关；

步骤二：为达到静态场景下测试接收机的动态性能，由伪距偏差观测方程(1)知，卫星与接收机之间的伪距主要与接收机和卫星的位置有关，如果将接收机的速度量V作为一阶叠加量Δr直接添加到卫星的伪距偏差观测方程(1)中，将接收机的加速度量a作为二阶叠加量

加入卫星的伪距率方程中，虽然接收机的速度为零，但依然能够测试出接收机的伪距变化率和伪距率的变化率；基于此概念，在步骤一建立的用于观测伪距偏差的伪距观测方程基础上，在所有卫星的伪距上叠加一个相同的一阶变化值时，将伪距偏差观测方程(1)展开变为矩阵形式，定义为伪距偏差观测扩展方程；在所有卫星的伪距上叠加一个相同的二阶变化值时，得到伪距率偏差观测扩展方程；

当在所有卫星的伪距上叠加一个一阶的变化值时，将公式(1)所示的伪距偏差观测方程展开变为为矩阵形式如下：

其中Δr为卫星伪距一阶叠加量；

同理，当在所有卫星的伪距上叠加一个二阶的变化值时，伪距率偏差观测方程展开变为为矩阵形式如下：

其中

为卫星伪距二阶叠加量；

步骤三：基于步骤二得到的伪距偏差观测扩展方程和伪距率偏差观测扩展方程，对其进行变换得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测方程；

由(2)式和(3)式知，由于加入了相同的伪距叠加量，即在公式(2)加入Δr₁…Δr_n，在公式(3)加入

由于每颗卫星的Δt_r相同，而在每颗卫星上的叠加量也相同，于是将每颗卫星上的伪距和伪距率的叠加量合并到钟差上，得到伪距偏差观测合并方程和伪距率偏差观测合并方程；其中伪距偏差观测合并方程如下：

伪距率偏差观测合并方程如下：

通过公式(3)知，伪距与伪距变化率的偏置量能够叠加到钟差上，故伪距和伪距率的变化量被钟差吸收；因此，叠加量的加入并不会影响接收机的定位精度，只对接收机的钟差有影响；

步骤四：基于步骤三得到的伪距偏差合并观测方程和伪距率偏差合并观测方程，通过在测试过程中直接在每颗卫星上加入相同的伪距的一阶和二阶的变化量，使得每颗卫星的伪距和伪距率产生相同大小的变化，避免由于测试场景中接收机高速度场景下的不能定位的问题，消除由于测试场景中接收机高速度场景下卫星伪距变化不同导致测试误差大的影响。

Images