【無線射頻通信】-車載導(dǎo)航定位技術(shù)與測試方法

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----車載導(dǎo)航定位技術(shù)與測試方法1、引言

近年來，智能交通、無人駕駛、車輛緊急定位報(bào)警等業(yè)務(wù)需求越來越迫切，車載導(dǎo)航定位功能是實(shí)現(xiàn)上述業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。車輛的導(dǎo)航定位通過前裝或后裝車載終端來完成，其性能指標(biāo)直接影響相關(guān)業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)，因此對車載終端的導(dǎo)航定位性能進(jìn)行測試評(píng)估是特別必要的。

2、車載導(dǎo)航定位概述

目前，市面上的車載終端以Telematics產(chǎn)品為主。Telematics是由Telecommunication（電信學(xué)）與Information（信息學(xué)）組成的復(fù)合詞，其含意是指：利用車用通信與信息服務(wù)，讓汽車駕乘者可以在車內(nèi)利用無線通信技術(shù)隨時(shí)隨地與外在環(huán)境資源做雙向的信息傳輸與傳遞服務(wù)，供應(yīng)使用者適時(shí)化、位置化、個(gè)人化的應(yīng)用服務(wù)。Telematics車載終端可以實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)類功能、導(dǎo)航定位類功能、詢問消遣類功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、車況數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。其中，導(dǎo)航定位功能是最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的功能之一，主要是利用GNSS、A-GNSS、基站定位等定位技術(shù)，可以為駕乘人員供應(yīng)位置信息查詢、位置導(dǎo)航、實(shí)時(shí)路況和在線更新地圖等基于位置的服務(wù)。

車輛中的導(dǎo)航定位功能可以通過前裝系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，例如通用的OnStar系統(tǒng)，也可以通過后裝終端來實(shí)現(xiàn)。車載終端一般可以供應(yīng)位置搜尋功能，查找指定的目的地的位置或者基于某一位置查找周邊肯定范圍內(nèi)符合搜尋條件的地址信息；可以供應(yīng)路線計(jì)算與引導(dǎo)功能，依據(jù)肯定的路由策略（如最短的路徑、實(shí)時(shí)道路交通狀況等），為駕乘人員規(guī)劃從起點(diǎn)到終點(diǎn)的行車路線，并且可以供應(yīng)實(shí)時(shí)交通路況信息等。

上述功能都是常規(guī)的導(dǎo)航定位應(yīng)用場景，在特別場景下，比如發(fā)生緊急狀況時(shí)，一些車載終端還能供應(yīng)定位報(bào)警服務(wù)，即在報(bào)警的同時(shí)，上報(bào)車輛精確?????的位置信息。在事故發(fā)生時(shí)，將位置信息自動(dòng)發(fā)送出去將大大提高緊急救援的時(shí)效性，依據(jù)歐盟的估量，緊急狀況下定位報(bào)警可以削減約60%的救援時(shí)間。這個(gè)過程中，定位報(bào)警供應(yīng)位置信息的速度和位置精確?????性特別關(guān)鍵?？梢哉J(rèn)為，導(dǎo)航定位功能是車載終端最基礎(chǔ)的功能，基于該功能可以為駕乘人員供應(yīng)各種基于位置的應(yīng)用服務(wù)。緊急狀況下定位報(bào)警可以算作基于位置的服務(wù)之一，而要實(shí)現(xiàn)該服務(wù)，需要終端、通信網(wǎng)絡(luò)、接警中心等各方面的協(xié)作。

俄羅斯的ERA-GLONASS系統(tǒng)和歐洲的E-Call系統(tǒng)是目前較成熟的車輛緊急狀況下的定位報(bào)警系統(tǒng)。依據(jù)俄羅斯相關(guān)技術(shù)法規(guī)，從2023年1月開頭，想要獲得關(guān)稅同盟首次批準(zhǔn)的進(jìn)口全新車型必需配裝車載ERA-GLONASS終端；從2023年開頭，關(guān)稅同盟國全部上路的新車必需配裝該設(shè)備。歐盟目前的規(guī)定是，從2023年4月起，歐洲全部轎車及輕型貨車必需配備緊急自動(dòng)呼叫裝置E-Call。

我國于2023年1月3日成立了公眾緊急報(bào)警傳送及定位技術(shù)推動(dòng)組，中國信息通信討論院（原工業(yè)和信息化部電信討論院）為組長單位，聯(lián)合部第一討論所、三大運(yùn)營商、終端廠商等共同制定適用于我國國情的緊急狀況下的定位報(bào)警技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測試標(biāo)準(zhǔn)，并方案搭建演示系統(tǒng)，逐步向現(xiàn)網(wǎng)中推廣應(yīng)用。

3、標(biāo)準(zhǔn)化狀況

3.1、國際標(biāo)準(zhǔn)

衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)主要分為衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)格式標(biāo)準(zhǔn)、接收設(shè)備數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、接收設(shè)備性能要求及測試方法標(biāo)準(zhǔn)。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)格式標(biāo)準(zhǔn)主要為接口掌握文件（ICD文件），由各國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)制定國公布，規(guī)定信號(hào)載波頻率、數(shù)據(jù)碼型、星歷、歷書等參數(shù)。目前，中國的北斗、GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo系統(tǒng)均已公布接口掌握文件。

國際上廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)包括海洋電子設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183、航海無線電技術(shù)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)RTCM-SC104、航空無線電技術(shù)會(huì)的RTCA-SC159標(biāo)準(zhǔn)、國際大地測量協(xié)會(huì)的RINEX3.0標(biāo)準(zhǔn)等。

國際上接收設(shè)備性能要求及測試方法標(biāo)準(zhǔn)主要采納國際電工會(huì)（IEC）的IEC61108系列標(biāo)準(zhǔn)。在信息通信領(lǐng)域，采納通信網(wǎng)絡(luò)幫助的衛(wèi)星導(dǎo)航方式提高導(dǎo)航定位性能，射頻性能全都性和協(xié)議全都性標(biāo)準(zhǔn)主要包括3GPPTS36.305、TS36.171、TS36.355、3GPPTS37.571等。空間射頻性能標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)組織CTIA負(fù)責(zé)制定，其中AGPSOTA標(biāo)準(zhǔn)在ERP工作組完成，A-GLONASSOTA標(biāo)準(zhǔn)在A-GNSS工作組完成，A-BDSOTA標(biāo)準(zhǔn)在該標(biāo)準(zhǔn)中暫未涉及，標(biāo)準(zhǔn)版本還在不斷更新中，最新版本為《ctia_ota_test_plan_ver_3_5》。

針對車載終端導(dǎo)航定位，國際上主要有俄羅斯的ERA-GLONASS系列標(biāo)準(zhǔn)和歐盟E-Call系列標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)：GOST55534《車內(nèi)緊急呼叫系統(tǒng)導(dǎo)航模塊的試驗(yàn)方法》、GOSTR54620-2023《全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、事故緊急響應(yīng)系統(tǒng)、應(yīng)急勤務(wù)部門車載呼叫系統(tǒng)通用技術(shù)要求》、GOSTR51794《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)坐標(biāo)系》等。（原標(biāo)準(zhǔn)為俄文，名稱為翻譯）歐盟標(biāo)準(zhǔn)為：CEN/TS16454：2023《IntelligentTransportSystems-ESafety-ECallendtoendConformanceTesting》。

3.2、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)制定最初以各應(yīng)用領(lǐng)域自制為主，民用標(biāo)準(zhǔn)主要分布在交通運(yùn)輸、信息通信、民航及空管、測繪勘探、防震減災(zāi)等各個(gè)行業(yè)，用標(biāo)準(zhǔn)主要是機(jī)載和艦載設(shè)備的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

（1）在車載導(dǎo)航定位標(biāo)準(zhǔn)方面

已經(jīng)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要有：GB/T19392-2023《汽車GPS導(dǎo)航通用規(guī)范》、GB/T19056-2023《汽車行駛記錄儀》、JT/T794-2023《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求》、交通運(yùn)輸部《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端技術(shù)規(guī)范》、JT/T590-2023《北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）民用車（船）載遇險(xiǎn)報(bào)警終端設(shè)備技術(shù)要求和使用要求》、JT/T808-2023《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)終端通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式》等。

（2）在信息通信行業(yè)

主要由中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，其中與車載終端導(dǎo)航定位相關(guān)的在研標(biāo)準(zhǔn)和討論課題主要包括：《基于公眾電信網(wǎng)的車載緊急報(bào)警系統(tǒng)總體架構(gòu)》、《基于公眾電信網(wǎng)的車載緊急報(bào)警系統(tǒng)終端技術(shù)要求和測試方法》、《車載移動(dòng)通信終端導(dǎo)航定位射頻接收機(jī)性能技術(shù)要求和測試方法》、《車載移動(dòng)通信終端導(dǎo)航定位空間射頻接收機(jī)性能技術(shù)要求和測試方法》等。

（3）在交通運(yùn)輸行業(yè)

交通運(yùn)輸部信息通信及導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)會(huì)正在制定《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容衛(wèi)星定位模塊技術(shù)要求》、《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容衛(wèi)星定位模塊通訊協(xié)議》等標(biāo)準(zhǔn)。

2023年2月4日，為促進(jìn)我國車載信息服務(wù)和車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和服務(wù)應(yīng)用，由中國電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)起成立了車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟（TelematicsIndustryApplicationAlliance，TIAA），全國數(shù)十家產(chǎn)學(xué)研用骨干單位參加了該聯(lián)盟。目前，在TIAA第六工作組，正在制定聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)《緊急救援系統(tǒng)車載子系統(tǒng)技術(shù)要求》。

車載終端的導(dǎo)航定位標(biāo)準(zhǔn)涉及信息通信行業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)等不同行業(yè)，在標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，如何進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)是很大的問題。公眾緊急報(bào)警傳送及定位技術(shù)推動(dòng)組、TIAA聯(lián)盟等組織的成立都是為了組織協(xié)調(diào)不同的部門和單位，共同推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展。這也是將來標(biāo)準(zhǔn)制定方式的一個(gè)進(jìn)展趨勢。

4、導(dǎo)航定位性能測試項(xiàng)目

不光車載終端，用戶在使用任何帶導(dǎo)航定位的終端時(shí)都會(huì)對其性能有肯定的要求，如開機(jī)后多久能夠獲得定位結(jié)果？定位精度有多高？定位之后假如中斷（如進(jìn)入底下通道或隧道），出去多久之后可以再次重新定位？依據(jù)用戶的這些性能要求，有不同的性能指標(biāo)去衡量。主要測試指標(biāo)包括首次定位時(shí)間、定位測速精度、失鎖重捕時(shí)間、跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度。

（1）首次定位時(shí)間（TTFF）

用于衡量接收機(jī)信號(hào)搜尋過程的快慢程度，接收機(jī)的首次定位時(shí)間取決于初始狀態(tài)，依據(jù)用戶開機(jī)前的初始化條件，可分為冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間、溫啟動(dòng)首次定位時(shí)間和熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間，對于車載終端，一般測試?yán)?、熱啟?dòng)的首次定位時(shí)間。3種初始化條件分別為：

●冷啟動(dòng)：接收終端開機(jī)時(shí)，沒有當(dāng)前有效的歷書、星歷和本機(jī)概略位置信息。

●溫啟動(dòng)：接收終端開機(jī)時(shí)，沒有當(dāng)前有效的星歷信息，但是有當(dāng)前有效的歷書和本機(jī)概略位置信息。

●熱啟動(dòng)：接收終端開機(jī)時(shí)，有當(dāng)前有效的歷書、星歷和本機(jī)概略位置等信息。

（2）定位精度

是指接收終端在特定星座和星歷條件下，接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行定位解算得到的位置與真實(shí)位置的接近程度，一般以水平定位精度和高程定位精度方式表示。測速精度是指接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行速度解算得到的速度與真實(shí)速度的接近程度。

全部的精度都是依據(jù)實(shí)際的測試數(shù)據(jù)使用某種統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法出來的，依據(jù)選擇的統(tǒng)計(jì)方法不同，計(jì)算的結(jié)果也會(huì)有很大的差異。常用的統(tǒng)計(jì)方法有均方根值（RMS）法和R95法。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的水平定位精度均方根值為1.2m是指"使用測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，測量位置與真實(shí)位置之間水平誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為1.2m，也就意味著有約65%測量值與真實(shí)的誤差在1.2m以內(nèi)'。R95法意味這有約95%測量值與真實(shí)的誤差在1.2m以內(nèi)，R95法得到的精度值約為RMS法得到的精度值的1.7倍。因此，在了解精度量化數(shù)值的同時(shí)，必需要了解它是用何種統(tǒng)計(jì)方法描述的。

（3）失鎖重捕時(shí)間

是指接收終端在丟失所接收信號(hào)狀態(tài)下，從重新接收到信號(hào)開頭，至終端設(shè)備輸出符合定位精度要求的定位結(jié)果所需的時(shí)間。失鎖重捕時(shí)間反映了在接收機(jī)信號(hào)失鎖，定位中斷后重新恢復(fù)定位的速度。失鎖重捕時(shí)間短的接收機(jī)在易中斷環(huán)境中（如隧道等）的定位性能好，因此失鎖重捕時(shí)間可以有效評(píng)估車載終端的性能。

（4）跟蹤靈敏度

是指被測設(shè)備在捕獲信號(hào)后，能夠保持穩(wěn)定輸出并符合定位精度要求的最小信號(hào)功率。評(píng)估的是接收機(jī)在已經(jīng)定位的狀態(tài)下，維持定位精度要求所需的最低接收功率。跟蹤靈敏度是評(píng)估車載終端性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

（5）捕獲靈敏度

是指接收機(jī)在失鎖狀態(tài)下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出滿意定位指標(biāo)要求的最低接收信號(hào)功率。捕獲靈敏度高的接收機(jī)有更強(qiáng)的捕獲弱信號(hào)的力量，因此也是評(píng)估車載終端性能的重要指標(biāo)之一。

用戶提出性能指標(biāo)主要是從體驗(yàn)的角度動(dòng)身的，因此對不同的應(yīng)用場景，用戶最關(guān)注的指標(biāo)不同。在常規(guī)駕駛車輛場景下，定位精度和捕獲靈敏度對用戶體驗(yàn)影響最大，而在緊急狀況下觸發(fā)定位報(bào)警時(shí)最關(guān)鍵的指標(biāo)則是定位精度和跟蹤靈敏度。所以，對于終端的導(dǎo)航定位性能測試，許多時(shí)候是針對終端使用場景定制測試項(xiàng)目。

從衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生方式來劃分，導(dǎo)航定位性能測試方法可以分為以下3類：

●試驗(yàn)室測試，用衛(wèi)星信號(hào)源模擬真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)，這種測試方式場景可重現(xiàn)，應(yīng)用較廣泛。

●實(shí)場測試，即利用天上真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測試，這種測試方式更貼近用戶的真實(shí)體驗(yàn)，對車載終端的性能評(píng)估也很關(guān)鍵，但由于衛(wèi)星信號(hào)受天氣等各種因素影響，場景不行重現(xiàn)，且時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本較高，具有肯定的局限性。

●虛擬路測，通過衛(wèi)星信號(hào)采集回放儀將衛(wèi)星信號(hào)錄制下來，在試驗(yàn)室中回放信號(hào)進(jìn)行測試，這種方法兼具試驗(yàn)室測試和實(shí)場測試的優(yōu)點(diǎn)；在這種方式中，如何保障衛(wèi)星信號(hào)采集的完整性和回放的精確?????性是最大的挑戰(zhàn)。

以上3種方式各有優(yōu)劣，總體來說，虛擬路測是將來的進(jìn)展趨勢，帶信道模擬的導(dǎo)航定位虛擬路測也已經(jīng)開頭討論。

從測試評(píng)估方式來劃分，導(dǎo)航定位性能測試方法可以分為以下3類：

●肯定場景下的性能全都性測試，例如3GPP的A-GNSS測試都屬于此類，測試終端在肯定場景下（如在抱負(fù)信號(hào)、多徑環(huán)境、移動(dòng)場景下等）能否滿意要求，該測試只能得到終端通過還是不通過的結(jié)果，不能直接通過測試結(jié)果來評(píng)估終端之間的差異。

●極限值測試，CTIA的空間射頻接收機(jī)性能測試、國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)（如定位總站）GNSS定位性能測試等都屬于此類。這種方式會(huì)獲得一個(gè)精確?????的數(shù)值，如定位精度是幾米、捕獲靈敏度是多少dBm等，這種方式的優(yōu)勢是能很直觀地得到終端的性能，比較不同終端的性能差異；缺點(diǎn)是多次測試結(jié)果的全都性相對于第一類方法略差。

●余量測試，介于以上兩者之間的一種測試方式，基于3GPP定義的場景。首先測試該場景下是否通過，不斷降低功率直到測試不通過，看最低能通過的功率與3GPP標(biāo)準(zhǔn)功率之間差異為多少，稱之為"余量'。余量測試也可以反映用戶在使用不同終端時(shí)的體驗(yàn)差異，目前通常用于廠家的定制化測試中。

射頻性能測試是車載終端導(dǎo)航定位性能測試的一個(gè)基礎(chǔ)部分。本文將以極限值測試方式為例，說明車載終端的GNSS射頻性能測試方法。

5、車載導(dǎo)航定位射頻性能測試方法

5.1、導(dǎo)航定位射頻性能通用方法

用衛(wèi)星信號(hào)源模擬衛(wèi)星信號(hào)的車載導(dǎo)航定位性能測試系統(tǒng)如圖1所示。多系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)源用于模擬衛(wèi)星信號(hào)，被測終端通過射頻線與信號(hào)源連接，車載終端通過串口線反饋定位結(jié)果信息。

圖1、車載導(dǎo)航定位射頻性能測試系統(tǒng)

車載終端導(dǎo)航定位射頻性能路測系統(tǒng)通過天線接收實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測試，可以完成對天靜態(tài)、對天動(dòng)態(tài)性能實(shí)場測試，基于采集的衛(wèi)星信號(hào)和記錄的位置信息，可以進(jìn)行虛擬路測。路測和虛擬路測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2、車載導(dǎo)航定位射頻性能路測和虛擬路測系統(tǒng)

不管采納試驗(yàn)室模擬測試、場測還是虛擬路測方式，車載導(dǎo)航定位射頻性能測試項(xiàng)目都主要包括冷、熱啟動(dòng)下首次定位時(shí)間、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、失鎖重捕時(shí)間、定位測速精度等。

基本測試方法與一般民用終端導(dǎo)航定位性能測試方法類似。另外，針對車載終端的應(yīng)用場景，為了評(píng)估用戶在使用時(shí)的體驗(yàn)性能，終端廠家一般還會(huì)增加一些車載特別場景下定制化的定位測速精度。例如，起步場景（可以設(shè)置為靜止120s，20s內(nèi)勻加速到120km/h，然后保持勻速直線前進(jìn)）、高速行駛場景（可以設(shè)置為保持速度為120km/h勻速直線運(yùn)動(dòng)）。

5.2、緊急狀況下車載定位報(bào)警系統(tǒng)導(dǎo)航定位測試方法

對于緊急狀況下車載定位報(bào)警系統(tǒng)導(dǎo)航定位測試，目前的測試系統(tǒng)一般采納圖1的方式，測試項(xiàng)除了通用方法中提到的測試