Brief introduction to establish beidou satellite navigation and positioning product calibration center

XU Jiang-tao, PANG Shang-yi

(1. The Center of Shaanxi Metrological Supervision and Verification for Surveying and Mapping Instruments, Xi'an shaanxi 710054,China;2. The First Geodetic Surveying Brigade of NASG, Xi'an shaanxi 710054,China)

Abstract: Along with the constant improvement of the accuracy of beidou satellite navigation system, it has played an more and more important role in the field of surveying and mapping geographic information.It has an important social significance to make a quantitative, effective,accurate evaluation and correction for all kinds of beidou product`s measurement and positioning accuracy, which throw the methed to carry out the calibration research of beidou satellite navigation and positioning products.

Keywords: Measurement technology and instruments ;Beidou receiver; signal simulator; precision; calibration method

1 引言

北斗卫星导航定位产品所提供的测量数据和定位信息的精度直接影响着我国的测绘地理信息生产应用的精度和质量。目前，我国的北斗系统正在积极的构建和完善中，随着该系统应用范围不断扩大,我国的北斗卫星导航定位产品的应用将进入一个蓬勃发展的时期[1-2]。基于这样一个广阔的市场前景以及在经济建设中承担的作用，如何对北斗卫星导航定位产品进行高精度的计量检定、校准，是计量检定部门面临的巨大责任。

我中心于2012年7月向国家测绘地理信息局申请立项，开展“信息化测绘前沿技术研究——卫星导航定位接收机(GPS、GLONASS、北斗)室内计量检定方法的研究”，并于2013年初通过国家测绘地理信息局批准，正式立项，开展课题研究，室内卫星导航定位接收机模拟检定场在我国目前没有先例，本项目的研究在一定程度上将会填补国内的空白，项目开展至今已取得一些科研成果。

2014年6月，我中心通过西安市科技局批准，开展“测绘技术与地理信息应用平台子项目——北斗卫星导航定位产品检测中心”建设项目，在《GNSS接收机室内检定方法研究》基础上，专门针对北斗导航定位产品检测进行研究。

2 项目概况和市场分析

2012年，陕西省政府成立省北斗卫星应用示范工作领导小组。领导小组组长由陕西省副省长李金柱担任，包括陕西省测绘地理信息局副局长王晓国在内的30个厅局和各级政府部门有关负责同志为成员。为促进北斗卫星导航系统应用和产业发展，国家测绘地理信息局制定的《测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要》指出，要加强北斗导航定位系统测绘应用，完善配套政策，推进应用项目组织实施。2013年，陕西省发布《陕西省“十二五”卫星应用产业发展专项规划》，5年期间，陕西省将围绕卫星通信、卫星导航、卫星遥感三大领域，形成六大卫星应用产业链，同时加快实施卫星数字文化传播等三大示范工程。

北斗卫星导航定位产品检测中心旨在构建国内第一家专业的北斗卫星导航定位产品检测中心。北斗卫星导航定位产品检测中心的建设，对于提高我国导航定位产品的质量有着巨大的推动作用，同时对测绘地理信息产业的健康发展，履行国家赋予的职能有着极其重要的社会效益。依托陕西测绘仪器计量监督检定中心已开展20多年卫星导航定位仪器计量检定业务的经验，有完整的技术体系、有西安GPS检测场等基础设施，具有独特的技术实力和行业优势。

初步估计，近5年需要在全国形成西北、东北、华中、华南、西南等5-6个北斗卫星产品质量检测中心，以后会分布到各省，我们将向全国提供相关的技术标准。据国家有关部门估计，北斗卫星系统完整形成后，到2025年将形成一个每年5000亿元的巨大市场，质量检测市场按0.01%计算，将形成5亿元的巨大市场。

因而，建立北斗卫星导航定位产品检测中心，探索研究高精度的、可靠的北斗卫星导航定位室内计量检定系统，对我国的北斗卫星导航定位产品的检定/校准工作来说，将是一个重大的技术创新和突破，能较大幅度的提高我们的检定手段和能力。

3 主要内容

形成北斗接收机计量检定的科学方法与技术流程；探讨测地型北斗接收机室内计量检定方法的可行性；运用卫星信号模拟器取代北斗卫星信号源，建立室内北斗接收机检定/校准实验室。

北斗卫星导航定位产品检测中心用可仿真北斗卫星信号的模拟器仿真系统，建立室内检测实验室。重点开展北斗接收机检定/校准方法的研究；在实验室建立能发射仿真卫星信号的模拟器系统，以北斗的B1、B2频点为例进行接收机性能的各项检测试验，验证室内静态检定方法的可行性；探索出室内检定卫星导航定位接收机的操作程序，将接收机室内检测结果与传统的室外检定法结果进行比较，得出比对分析报告；通过严密的测试实验，形成研究报告。

4 实验方案

北斗卫星导航定位产品检测中心由两部分组成：室外高精度GNSS接收机检定场，室内北斗接收机检定/校准实验室。利用室内北斗接收机检定系统对接收机给出定性结果，有利于准确的评价接收机实际技术参数与性能；配合室外检定场检定接收机，可以对接收机实测精度与性能给出定性定量的评价。

其中室外高精度GNSS接收机检定场已建立20余年，布局合理、点位稳定，只需针对不同精度、不同类型北斗接收机，编写切实可行的检定方案；室内北斗接收机检定/校准实验室则需要从零开始进行搭建，其中室内北斗接收机检定/校准实验室的核心部件为卫星信号模拟器和基于卫星信号模拟器的仿真系统。

4.1需要解决的关键技术

1)市场上的北斗接收机大多不单单只能接收北斗卫星信号，往往是同时可以接收GPS、GLONASS等多类型卫星信号的GNSS接收机，需要对单独接收北斗卫星信号和同时接收两种或两种以上卫星信号的测量精度进行分类评定，探索检定方法，给出评判标准。

2)调研室内模拟卫星信号源，探索室内检测场的建设方案，使接收机能够接收到稳定的模拟信号；

3)对模拟信号进行绝对基准和动态基准的构建；

4)模拟室外检测条件，探索各种室外条件的影响误差量值；

5)对室内、外检测结果进行比对，对室内试验场进行修正；

6)解决接收机接收室内模拟信号的数据后处理问题。

4.2卫星信号模拟器

卫星信号模拟器为GNSS接收机及相关系统的测试提供了有效和高效的手段。卫星信号模拟器可对GNSS星座生成的信号加以控制，并通过单台设备即可对全球测试环境实现模拟，这样便可在可控的实验室条件下执行测试。卫星导航信号模拟器能够生成与GNSS卫星相同的发送信号，因此，GNSS接收机会以实际处理卫星信号的方式来处理这些模拟卫星信号[3]。

国外在该领域起步较早，技术也比较成熟，不仅可以模拟GPSL1、L2频率上的C／A码和P码，还可以产生GPSL2C、L5、M码信号，部分产品还可以模拟GalileoE1、E5、俄罗斯GLONASS信号以及BOC信号等，现在甚至可以模拟差分信号、姿态测量信号。

国外做的比较成熟的有英国SPIRENT公司生产的多种系列卫星信号模拟器[4]，已研制出多种型号的高动态卫星信号模拟器并投入使用，模拟精度高，但价钱昂贵。国内目前做的比较成熟的有中国航天恒星科技有限公司生产的卫星信号模拟器及仿真系统，模拟精度与思博伦产品相当，可以模拟GPS、GLONASS、GALILEO、BD2各频率信号，且产品价钱便宜、维护成本低。

4.3实施步骤

经过调研比较，结合项目实际需求，选用中国航天恒星科技有限公司生产的4438C（505032521—1）卫星信号模拟器（图1）。

图1卫星信号模拟器

通过安装调试，待卫星信号模拟器达到工作要求后，研究组首先进行了两个批次模拟实验。

跟进进行了仿真系统设备的引进与实验环境系统的完善与搭建，同时建立实验室研究用坐标系统，构建完成模拟信号实验室场景（图2）。

图2实验室实景图

4.4实验方法

以陕西测绘仪器计量监督检定中心GPS接收机检定场相关数据为例，选用可以接收GPS、GLONASS、BD-2信号的南方S86-C GNSS接收机，首先将测试用接收机架设在室外检定场进行数据采集，给出检定结果；随后在室内模拟将被测接收机架设在中心室外GPS接收机检定场观测墩上进行数据采集，通过模拟实验，对实验数据进行分析。

操作步骤：

第1步：连接并按要求启动各个设备；

第2步：设置模拟参数：模拟卫星的波段（如：BD1、BD3、GPSL1、GPSL2等），发射频率，置入模拟架设点的坐标（B,L,H），设置模拟起始时间，结束模拟结束时间(图3)；

图3 仿真软件设置界面

第3步：GNSS接收机开机，记录开机时间及接收机的记录状态；

第4步：重复第2步、第3步，直至完成陕西测绘仪器计量监督检定中心GNSS接收机检定场相关点位的模拟同步测量；

第5步：结束观测，按时段下载数据，用南方STC软件进行数据后处理，对比、分析测量成果。

4.5阶段性成果

通过两个批次的实验，得出如下结论:

1)静态测量模式下：接收机内符合精度中内部噪声水平与传统室外检定方法结果相当。

2)静态测量模式下：接收机内符合精度中基线重复测量精度与传统室外检定方法所得检定结论相同。

3)静态测量模式下：接收机实际精度中基线测量精度与传统室外检定方法所得检定结论不同，检定结果超出实验用接收机标称精度，通过与室外检定方法检测结果进行比对，初步判断为实验用模拟器或试验参数设置存在一系统误差。

4.6进一步研究计划

根据现有科研成果和存在的问题，下一步研究有如下计划：

1)查找接收机接收模拟信号后，实际精度中基线测量精度超限的原因，消除该系统误差。

2)解决发射天线发出的有效模拟信号覆盖范围小的弊端，使卫星信号模拟器发射的卫星信号达到实验需求并与实际状况吻合。

3)卫星信号模拟器可以模拟北斗二代卫星与GLONASS信号，但基于北斗二代卫星与GLONASS信号系统的后处理软件尚不成熟[5]，使得模拟实验完成后，无法给出定性分析，解决基于BD-2卫星信号与GLONASS信号系统后处理软件的问题。

4)增加动态接收机仿真实验场景设计，以满足这部分接收机的实验与检定需求。

5)增加惯性导航(INS)模拟功能，为INS／北斗组合导航方案的验证提供测试条件。

6)目前实验室环境下，多路径效应对实验肯定存在影响，影响究竟有多大，实验室的工作还没有做到这一步，尚不可知。下一步计划将实验室改造为微波暗室，同时对前后数据进一步分析，得出实验室环境下多径效应对实验结果影响量。

5 结束语

北斗卫星导航定位产品检测中心的重点在于室内北斗接收机检定/校准实验室的建立，结合本文对北斗接收机室内检定方法的研究，总结如下：

1）通过实验验证，利用信号模拟器模拟北斗卫星信号进行北斗接收机测量精度及内部噪声水平检定，理论和方法可行。

2）搭建完全仿真的实验室平台，方法可行。问题在于：模拟生成的相关数据格式与模型，尚不能完全用目前比较成熟的商用软件进行数据后处理；接收机接收的模拟BD-2信号，无法进行严密的数据分析和科学研判。正积极与相关科研院所及高校进行合作，解决相关测试软件问题，编写数据后处理软件。

3）实验室环境下，多路径效应对实验肯定存在影响，将实验室改造为微波暗室，方法可行。

北斗卫星导航定位产品检测中心的建设作为一项前瞻性研究，通过我中心《北斗卫星导航定位产品检测中心》项目的实施，针对北斗接收机室内检定方法展开研究，项目完成后，研制成功的卫星导航定位接收机室内检定系统，将是测绘仪器检定领域一项新的技术突破与创新，可以对各类接收机的性能做出客观、定量的评估，革新了当前国内对接收机计量性能的评估方法，使检定结果更加可靠。虽然目前遇到了诸多困难，但如能将研究过程中遇到的技术难题一一突破，将取得的成果在国内检定行业予以推广，将会更好的服务于测绘地理信息事业。

参考文献

[1] 杨军,曹冲.我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析[J].武汉大学学报(工学版),2004,29(9):775-779.

[2] 侯柯屹,梁福全,张军.浅谈北斗卫星导航系统及在测绘中的应用[J].科技探索.2010（11）62-63.

[3] 刘丽丽,王可东.卫星信号模拟器研究现状及发展趋势[J].GNSS Woorld of China.2010（3）58-62.

[4] PHILLIPS G．STR4761 Ethernet-Based Aiding and Data Capture Option tor the SPIRENT Range of Satellite Navigation Simulators[S]．SPIRENT Communications，Issue 5，2000．

[5] 隋建波,赵静,等.GNSS软件接收机关键技术研究及实现[J].科学技术与工程,2008,8(16):4467-4472.