分离电子地图的卫星导航动态定位轨迹测试措施研讨

第一作者：梁炜

（1979－），男，汉族，高级 工程师，主要从事无线电、时间频率计量 工作，重点研讨方向为卫星导航，掌管或 参与多项国度规范、计量检定和校准规 范的编制工作。

论文援用格式

梁炜，黄艳，吴晓昱，等.分离电子地图的卫星导航动态定位轨迹测试措施研讨［J］.计测技术，2022，42（2）：32-39.

分离电子地图的卫星导航动态定位轨迹测试措施研讨

梁炜，黄艳，吴晓昱，许原，谢立冬

（北京市计量检测科学研讨院）

摘 要：在运用卫星导航模仿器测试导航终端动态定位精度时，测试场景普通为在坐标系内用运动方程简单描画的直线或圆周曲线运动，存在测试轨迹缺乏随机性、不规则性的问题，与终端实践应用不符；且定位轨迹与电子地图不匹配。本文提出依据电子地图中细致道路，随机在道路上连续选取坐标点规划轨迹，用导出的轨迹坐标点插入变更的速度、高程，制造模仿器动态场景对终端进行测试。经过制造实践道路动态测试场景对接纳机终端进行了测试，测试结果表明：能够用带有随机坐标点的不规则道路轨迹测试场景评价导航终端动态定位精度，终端在急转弯状况下动态定位倾向较大，经过在电子地图上导入规范轨迹与终端轨迹，能够匹配道路直观显现动态定位轨迹倾向。本措施可应用于车载导航仪、可穿戴产品等分离电子地图应用的卫星导航终端动态定位测试。

关键词：卫星导航；电子地图；动态定位；轨迹

0　引言

随着北斗三代卫星导航的全球组网胜利，以GPS、北斗为代表的卫星导航能全天候提供掩盖全球的定位效劳，且成本越来越低，被普遍应用在聪慧交通、聪慧城市、消费电子等范畴。这些应用中，车载导航产品、无人机、可穿戴卫星导航定位产品所占比重最大，普通分离电子地图来显现其动态定位轨迹，所以，对其进行动态定位性能测试，需求分离细致的位置 ［1-3］ 。

目前触及卫星导航动态定位的计量技术规范有JJF 1403-2013《全球导航卫星系统（GNSS）接纳机（时间丈量型）校准规范》、JJF 1921-2021《GNSS行驶记载仪校准规范》。对导航终端的定位倾向请求比较普遍，通常状况下小于15 m，测试场景普通只对可见星、运动类型有总体请求，细致场景依据实践测试需求配置，多采用仿真匀速直线动或者匀加速运动的动态场景对终端进行测试 ［4-12］ 。细致措施：卫星导航模仿器仿真从恣意坐标点动身，轨迹设定为契合直线、圆周曲线等运动方程的匀速、匀加速测试场景，输出仿真导航信号使终端解算定位，计算带有时间戳的终端定位结果与模仿器规范定位结果倾向，统计多个倾向得到整体动态定位精度。

此措施存在两个问题：一是测试场景缺乏随机性、不规则性，与实践状况存在倾向。导航终端实践应用中的轨迹并不是简单的直线和圆周运动的组合，车辆直线行驶过程中有随机性变道、加减速，佩戴可穿戴产品运动过程中有随机性方向、速度的变更，这些实践动态轨迹很难用运动方程来描画；二是定位结果为倾向统计值，没有在电子地图中匹配道路显现过程的结果。原场景轨迹直接在大地坐标系或者地心肠固直角坐标系中树立，没有参考电子地图中的实践位置、道路，所以定位轨迹与电子地图不匹配。

本文提出分离电子地图位置、道路规划轨迹，按道路随机选取坐标点并衔接成轨迹线，导出轨迹坐标点后，在坐标点之间配置不同的运动速度、加速度、高程等参数，生成模仿仿真测试场景。用此场景测试导航终端，能够计算终端动态定位倾向，定位轨迹可导入电子地图中匹配道路显现。经过不规则取点和多变运动状态处置复杂动态轨迹测试场景问题，使模仿仿真测试更接近真实的动态应用。

1　动态仿真测试措施

动态仿真测试的总体计划如图1所示，在电子地图上规划轨迹的起始点和运动途径，依据规划的途径在地图上随机选取坐标点衔接成轨迹，导出轨迹坐标点数据。按导航模仿器场景格式请求整理出经度、纬度、高度的数据，在部分坐标点之间配置速度、加速度、高程等动态参数，其配置参数可参考实践导航终端动态应用的典型状况。把场景文件导入到模仿器并配置测试场景，仿真场景测试导航终端，模仿器和导航终端分别记载定位轨迹数据。用软件评价终端的动态定位性能，定量剖析不同参数结果，定位轨迹导入电子地图，显现与道路相匹配的两条轨迹实时倾向，剖析动态运动过程中变更的定位倾向。

图1　总体测试计划流程图

1.1　分离电子地图规划轨迹

在电子地图上选择规划途径的大致区域，设计道路的起始点、终止点和运动道路，从起始点开端按一定距离随机选取坐标点衔接成轨迹道路。选取坐标点时的距离可依据需求调整，假如轨迹较短且对轨迹变更细节请求高，可恰当减小取点间距，假如轨迹较长且过程变更不明显，可扩展取点间距。例如：直线路段运动方向性不变，坐标点能够选择较大距离；转弯路段运动方向实时变更，选取坐标点较小距离，可使道路轨迹相对平滑。生成轨迹道路后导出坐标点和轨迹文件。

1.2　应用轨迹坐标制造动态测试场景

应用坐标点制造轨迹有两种方式：时空状态方式和空间状态方式。时空状态方式在连续时间轴上描画不同时辰的载体位置、姿势信息，每条语句按固定格式包含载体时间、位置、姿势、加速度、加加速度等信息，连续语句载体状态满足运动方程关系，最终构成满足时间、空间的动态轨迹；空间状态方式没有时间标签，位置语句描画载体坐标点位置，状态语句描画坐标点之间的载体运动动态特性，普通为加速、减速、爬坡等，经过一系列位置语句和状态语句构成动态轨迹。

1.2.1　时空状态方式

时空状态方式主要用语句描画载体的时间、位置、状态，用一系列语句构成完好的运动轨迹，普通语句配置内容为相对时间、三轴位置、三轴速度、三轴加速度、三轴加加速度。

“位置”为三轴位置坐标，能够用地心肠固直角坐标系（ x ， y ， z ）表示，也能够用大地坐标系纬度、经度、高程（ B ， L ， H ）表示，二者转换关系 ［13］ 为

其它配置参数还有三轴速度、三轴加速度和三轴加加速度，配置措施与三轴位置坐标相同，参数值不配置可为空。

此方式依据时间空间状态描画载体运动轨迹，按时间次第语句描画的状态必须契合运动方程规律，否则会呈现错误。如：在前一位置上，经过速度、加速度和持续时间，推算出的位置要与下一条语句位置坐标对应，若两者存在较大倾向则会呈现位置不堆叠错误。在只保存时间、位置参数，不思索运动方程的状况下，其状态为随时间变换的坐标点，无速度、加速度等运动状态，可满足一定的测试需求，但由于轨迹只需时间和位置坐标点，若终端解算需求除位置以外的其它运动参数，则此类方式不适用。

1.2.2　空间状态方式

空间状态方式主要用语句描画载体的位置和位置变更过程中的状态，连续的位置和状态语句构成完好的运动轨迹。其中，位置语句只描画载体位置，运动状态语句描画经多长时间后速度抵达终值。

“位置语句”中，三轴位置坐标普通用大地坐标系纬度、经度、高程表示，即（ B ， L ， H ），也能够用地心肠固直角坐标系（ x ， y ， z ）表示，若需求坐标转换同式（1）~式（3）。模仿器对大地坐标系中经度、纬度、高程表示方式的定义，可用度或弧度 ［14-15］ 表示，二者转换关系为

“状态语句”包含速度变更语句、高度变更语句等。速度变更语句参数包含持续时间和最终速度。持续时间表示由前一个速度变更到新的速度持续多长时间；抵达最终速度后速度坚持恒定。经过时间与速度变更关系可计算加速度。高度变更参数与速度相似。

场景文件包含一系列的位置语句和状态语句，且状态语句插入在位置语句中。状态语句的多少和改动速度大小可依据需求进行配置，构成的运动轨迹包含位置和速度参数。在某些被测终端需求计算轨迹里程的场所，里程采取速度和时间积分计算得到，此空间状态方式场景满足需求；但若采用简易时间空间位置方式，只需坐标点没有速度，终端得不到里程值。

1.3　模仿器应用制造场景对终端测试评价

把制造的测试场景文件导入模仿器，并设置测试时间和测试信号频点及功率。模仿器信号输出端衔接终端信号输入端，仿真测试场景对终端测试。若终端为接纳机、天线一体机，可采用在暗室/暗箱内经过发射天线空间辐射的方式对终端测试。经过软件记载终端解算导航数据，同时记载模仿器仿真轨迹导航数据，用软件剖析二者导航数据计算定位倾向（包含三轴分别定位倾向，总定位倾向，规范差等），从而得到终端动态定位精度的统计结果。同时，把定位轨迹导航数据转换成KML格式文件，导入到电子地图中，能够得到与电子地图道路匹配的两条轨迹的实时倾向结果。

2　仿真测试实验及结果

实验选用Spirent公司9000高精度卫星导航模仿器和Septentro公司高精度接纳机作为实验设备，仿真测试系统如图2所示。模仿器支持外轨迹场景制造功用，接纳机有定位数据记载软件，也可经过串口记载NMEA0183格式导航数据，电子地图和定位倾向评价软件运用第三方公开软件。

图2　仿真测试系统

动态测试轨迹道路规划为：以北京北苑路街道作为起点，沿北苑路经安远路到奥体中心东南角，沿奥体中路、北辰路、北四环辅路，经安定路后返回奥体中心东南角。翻开电子地图，找到轨迹所在区域，沿规划轨迹随机点击选取位置坐标点，坐标点之间直线衔接，最后构成轨迹，直线路段坐标点距离约为15 m，转弯路段为3～5 m。轨迹生成后导出GPX格式和KML格式数据。

依据模仿器对不同方式文件格式的定义，制造动态仿真场景文件，对时空状态方式MOTB语句定义为：timestamp，MOTB，lat，long，height，vel_n，vel_e，vel_d，acc_n，acc_e，acc_d，jerk_n，jerk_e，jerk_d。代码依次表示：时间戳，s；语句符号；纬度，rad；经度，rad；高程，m；速度北，m/s；速度东，m/s；速度下，m/s；加速度北，m/s 2 ；加速度东，m/s 2 ；加速度下，m/s 2 ；加加速度北，m/s 3 ；加加速度东，m/s 3 ；加加速度下，m/s 3 。运用时间戳和从轨迹导出的GPX格式坐标点数据制造场景，部分数据见表1。第一列为时间/s，第二列为纬度/rad，第三列为经度/rad，其它参数设为无，时间距离设为5 s，导出的GPX坐标数据为度，用式（6）转换为弧度，平原高度变更很小，统一设为50 m，最终场景文件有258条语句，持续时间1365 s。

表1　时空方式部分场景数据

空间状态方式位置语句被定义为CAR_WAYPOINT：（B，L，H），纬度，rad；经度，rad；高程，m。状态语句TERR_ACC定义为t，FINAL_SPEED，持续时间，ms；最终速度，m/s。用导出的GPX弧度纬、经度坐标和高度50 m设为连续位置语句，其中第一个位置点设为起始点，在位置语句中间插入状态语句，第2位置点后加速2 s，速度由0 m/s变为2 m/s，第8位置点后加速2 s，速度由2 m/s变为4 m/s，依次做加减速变更，最后持续减速1 s，速度降为0 m/s，最终场景文件有264条语句，部分数据见表2。

表2　空间状态方式部分场景数据

终端测试实验运用空间状态方式测试场景，在模仿器仿真软件树立新测试项目，把制造的场景导入到模仿器仿真软件相应车辆场景文件中，设置测试场景日期，选择GPS的L1频点和BDS的B1I频点，每个频点配置12颗星，信号功率为-120 dBm。仿真输出导航信号对高精度接纳机进行测试，同时记载场景的NMEA0183格式中的GGA语句，接纳机衔接软件，待定位后开端记载定位数据，数据包含NMEA0183格式中的GGA语句，仿真场景如图3所示。

图3　模仿仿真测试场景

用后处置软件导入模仿器和接纳机GGA数据文件，剖析定位倾向，整个轨迹内有效定位1986个结果，计算相同时间戳下x，y，z轴单独定位倾向和和三轴总定位倾向，纵坐标为定位倾向，横坐标为时间，如图4所示。

图4　接纳机定位倾向曲线

定位倾向中前300 s为静态定位倾向，其后为动态定位倾向，静态定位倾向动摇较小，收敛后趋于稳定，稳定后动摇小于0.1 m，动态定位倾向均值较平滑，随机动摇，动摇小于0.5 m。x，y，z三个轴向定位精度方均根约0.1 m，三轴总定位精度0.17 m，单轴与总方差均小于0.01，见表3。

表3　模仿器空间状态方式测试接纳机定位精度

仿真场景的卫星导航信号质量可经过剖析接纳机可见星的精度因子（DOP）和信号载噪比来评价，如图5、图6所示，PDOP均值1.6，HDOP均值0.9，VDOP均值1.3，各卫星信号载噪比在37～40 dBc之间，场景卫星导航信号处于较好状态。

图5　可见星散布精度因子（DOP）曲线

传统评价定位点轨迹如图7所示，只需经纬度数据，没有在电子地图中显现，也没有与规范轨迹的比较。

图6　不同卫星信号载噪比

图7　接纳机定位坐标点轨迹

把接纳机导航数据转换为KML格式文件，与规范轨迹文件一同导入电子地图中，可直观显现匹配地图道路轨迹倾向，绿色轨迹为在地图上规划的规范轨迹，红色轨迹为经过仿真测试后接纳机导出轨迹，如图8所示，两条轨迹偏离很小，考证了之前定位精度统计数据结果，同时又直观显现了轨迹倾向的变更状况。

图8　电子地图下接纳机动态定位轨迹倾向

地图放大后可显现部分轨迹倾向，如图9与图10所示，在直线路段轨迹倾向较小，接纳机轨迹盘绕规范轨迹上下动摇，但在转弯路段倾向较大，阐明动态仿真测试中，运动方向变更较大会对定位精度构成影响。

图9　部分轨迹放大图

图10　部分转弯轨迹放大图

3　结论

提出分离电子地图规划接近实践运动的轨迹，提取轨迹坐标点并依据模仿器定义的方式制造成动态测试场景，仿真测试评价导航终端定位精度的同时，还能够在电子地图上显现匹配道路的轨迹倾向变更。该措施能够依据需求恣意规划动态轨迹道路，处置普通模仿器应用运动方程制造的动态测试轨迹单一、短少随机性的问题。此外，终端测试结果除能够评价动态定位精度外，定位轨迹倾向可在电子地图上匹配道路显现，关于车载导航仪、运入手表等导航定位与电子地图密切关联的导航终端，其测试结果更直观，更接近实践。

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