通信与高精度三维定位一体化模块的测试方法和装置与流程

文档序号：25343274发布日期：2021-06-08 10:16阅读：98来源：国知局

本发明涉及通信、导航与定位领域，尤其涉及一种通信与高精度三维定位一体化模块的测试方法和装置。

背景技术：

目前现有的通信、定位模块测试方法，对通信测试和定位测试分开进行。对通信自组网系统的性能测试，需要大量手动操作，使用多种硬件设备及测试软件进行模块的配置并进行传输速率、传输带宽、丢包率等指标的测试；对定位模块的测试，需要利用多种RTK接收装置以及全站仪等设备辅助，通过模块的真实运动进行测试验证，并且模块定位测试一般为室内室外分为两个场景单独进行测试。模块通信测试时，现有的测试方法大多不考虑具体的传输内容。

现有的室内外通信与定位一体化模块测试方法的缺点包括：

一是通信测试和定位测试分开进行测试，且室内室外场景分开进行测试，测试项冗余，操作繁琐，设备设定和性能测试过程较为严苛和复杂，测试工作量大，测试效率低下，测试成本高。

二是定位模块进行测试时，只考虑室内或室外场景，无法在一次测试时同时观察室内室外场景切换时的性能变化。

三是通信模块进行测试时不考虑具体传输内容，单纯的灌包进行各项测试方法不贴合模块使用时的实际环境，测试结果缺乏真实性。

技术实现要素：

为解决现有通信与定位一体化模块测试方法存在的测试工作量大、测试效率低下、测试成本高的问题，本发明公开了一种通信与高精度三维定位一体化模块的测试方法和装置，本发明装置包括一体化模块、终端路由、后台显示终端、测试辅助设备，该装置搭建测试环境，通过设置一体化模块的本地IP地址、主从属性、传输模式、工作频段等属性，实现对其相对测距精度、室内相对定位精度、室内外三维定位无缝切换能力、室内外绝对定位精度和协同定位能力、网络自适应能力、最大通信速率、传输距离、全网端到端通信能力以及单跳时延的性能测试。本测试装置的系统总体方案如图1所示。

所述的一体化模块是测试的主体设备，该模块集成了通信与定位两种功能，同时该模块在测试过程中承担锚节点和侦查节点两种功能角色，且能在两种功能角色之间切换。当该模块作为锚节点时，其实现向外广播自身位置坐标信息的UWB定位基站功能，为侦查节点的精确定位提供支持。当该模块作为侦查节点时，完成实时的自身精确定位功能，上传自身的定位信息至后台显示终端。在该模块中，采用了UWB定位、RTK定位、微惯导定位、气压测高、4G移动通信网定位五种技术来实现无人设备多点协同下的多元融合自适应定位，对五种技术定位数据进行信息融合获得最优定位数据，并能自动选择当前环境精确度最高的定位方法以输出最优定位数据；一体化模块基于自组网通信技术来实现多跳协同通信、网络自适应组网、多子网高速通信等功能，实现蜂群分布式通信，搭建整个测试装置的通信架构，为数据传输服务。

终端路由为各个子网间的通信提供支持，其中每个子网由多个工作频段相同且组网的一体化模块组成，各个子网之间数据通信通过终端路由进行转接，从而实现整体网络间的数据传输；同时各个一体化模块通过多跳协同通信进行数据上报，终端路由汇总各一体化模块的定位信息，并发送至后台显示终端进行显示。

后台显示终端对定位信息和态势进行显示，根据侦查节点地理环境模型，进行实时侦查轨迹的后台显示，具备对一体化模块测量得到的路径轨迹的回放功能。

测试辅助设备，为承载一体化模块的无人运动平台，实现各节点的移动功能，为建设测试环境提供支持。

本发明公开的一种通信与高精度三维定位一体化模块的测试方法，其具体测试步骤如下：

S1，根据实际应用场景，对一体化模块的子网个数、通信频段和功能角色方式进行分配。其中子网个数由场景对通信速率的要求来确定；通信频段由实际场景中可用的无干扰频段来确定，需要确保各子网工作频段不同；一体化模块作为锚节点和侦查节点的功能角色分配，由具体执行任务需求来确定。当各项分配完成后，多个节点组成一个子网，每个子网选择一个一体化模块作为主节点，根据内设程序设置该节点将自动具有本子网整体传输模式的选择功能。

S2，各节点初始化，配置自身参数。各节点开机，外设硬件上电、同时初始化其所包含的六个功能子模块，每个一体化模块包括调度子模块，UWB子模块，通信子模块，RTK子模块、4G子模块，传感器子模块，定位算法子模块；设置模块本身IP地址和通信频段，并根据步骤S1的分配结果，主节点选择主节点模式并将其传输模式选择为自适应模式，以保证整个子网自适应调整带宽资源，实现最大通信传输速率，普通节点选择从节点模式。

S3，根据测试场景要求，将各节点布置于预定位置，各节点进行组网。按照测试场景要求，初始化后的各个模块进入预定位置。定位算法子模块，获取RTK子模块、4G子模块的RTK定位数据，若RTK无效使用系统默认坐标参数，结合已经具有RTK定位数据的节点进行递推，获得节点初始化位置和速度，相同工作频段的通信子模块自动完成组网。至此，整个测试系统搭建完成。

S4，进行室外相对测距精度测试。选择任意一个锚节点，选择一个侦查节点以该锚节点位置为始点，选择若干个待测点，在每个待测点处，进行对测距精度进行测试。每个待测点使用激光测距仪测量锚节点与侦查节点的距离，作为参考距离d0，再用侦查节点对其和锚节点之间的距离进行测量，获得测试值两节点间测距值d(i),i＝1,2,3,…,N，N表示总测量次数，计算每个测距值与参考距离d0之差的绝对值，并以N次的均值作为该待测点的测距误差derr，具体计算公式为：

其中，derr为最终计算得出的测距误差。计算上述所有待测点的测距误差的平均值，作为最终的相对测距精度Δd。N值可取50。

S5，进行室内相对定位精度测试。

S51，选择某个锚节点作为原点，将该节点与其同水平方向的另一锚节点的连线作为x轴，建立三维直角坐标系；

S52，在水平方向上选择一个矩形区域，对该矩形区域进行等间隔划分，得到若干个交叉点，用全站仪或激光测距仪测量出这些交叉点的水平坐标；

S53，在每个交叉点的垂直方向上依次以一定高度间隔选取若干个待测位置点，用全站仪或激光测距仪测量出这些交叉点的垂直坐标；

S54，选择一个侦查节点对每个待测节点进行位置测量；

S55，计算每个待测节点的每次位置测量结果与全站仪测量的参考坐标的水平误差与垂直误差，并分别计算其平均值作为最终的室内相对水平定位误差和室内相对垂直定位误差。

S6，对一体化模块进行室内外三维定位无缝切换能力测试。

S61，选择一个侦查节点，规划测试路径，所规划的测试路径应满足：测试路径应闭合，同时测试路径应包括室内和室外；测试路径在室外和室内之间的基准高度不同，以验证三维定位、高度及楼层的定位能力；每段路经按一定间隔标定若干个待测点；

S62，测试辅助设备搭载侦查节点，由室外出发，按照规划的测试路径依次到达各个待测点，记录此时待测点位置的三维坐标。

S63，检查侦查节点对所有待测点是否输出三维位置信息，从而判断一体化模块是否具有三维定位能力；将待测点的输出的高度信息同其实际高度值进行对比，判断一体化模块的楼层识别能力；观察路径的轨迹回放，判断一体化模块的室内外无缝切换能力。

S7，进行一体化模块的室内外绝对定位精度和协同定位能力测试。

S71，通过RTK和全站仪在测试场景中标定若干个个待测点位置并记录其坐标，将其作为待测点位置坐标标准值，具体地，室内外绝对定位统一采用CGCS2000中国大地坐标系统，包括北坐标N、东坐标E、高程H，同时按测试场地布局规划好锚节点部署个数和位置，同样使用RTK和全站仪测量好锚节点待部署位置处的参考坐标，作为锚节点位置坐标标准值。

S72，对所有节点完成气压统一标定，按室外向室内推进的顺序部署并规定好各锚节点的层级，同时逐级测量或计算其位置绝对坐标，具体包括：

室外部署的锚节点定为0级，其位置点的绝对坐标通过RTK方法获得；室内走廊处的锚节点定为1级，其位置的绝对坐标通过0级锚节点坐标推算获得；比室内走廊更纵深的室内区域的锚节点定为2级及以上，其位置点的绝对坐标通过上一层级的锚节点位置推算获得，直至完成所需要的室内外区域所有锚节点的安装部署。

S73，规划测试路径，测试路径要包括室内、走廊和室内环境，每条路径要求必须遍历所有的待测点，并按顺序对路径上的所有待测点进行标号；

S74，选择侦查节点作为待测节点，将其配置为每秒发一个数据包，其有效载荷为50个子节点，数据包中至少包含待测节点的标号ID、时间戳和三维坐标；

S75，待测节点沿测试路径从室外起始点开始测试，按测试路径的路径标号顺序遍历所有的待测点，并计算室内外绝对定位的平均水平误差和垂直误差，其具体包括，

S751，计算待测节点在每个待测点处测量输出的坐标的平均值，并与待测点位置坐标标准值进行对比，计算相应的水平误差和垂直误差；

S752，对每个待测节点，均统计其在室外测试区域的所有待测点上的水平误差和垂直误差，分别由小到大进行排序，最终取其某个百分位处的水平误差值和垂直误差值作为室外绝对定位精度；

S752，对每个待测节点，均统计其在室内测试区域的所有待测点上的水平误差和垂直误差，分别由小到大进行排序，最终取其某个百分位处的水平误差值和垂直误差值作为室内绝对定位精度；

S76，计算多点协同定位的平均水平累积误差和垂直累积误差，其具体步骤包括，计算每个0级、1级、2级以及更高级锚节点的绝对坐标均值，并与RTK和全站仪测量的坐标标准值对比，计算水平累积误差和垂直累积误差；统计各级锚节点上的水平累积误差和垂直累计误差，分别由小到大排序，最终取百分位50和百分位67的水平累积误差和垂直累积误差作为评定多节点协同定位的累积误差。

S8，进行网络自适应能力测试，其具体包括,

S81，从整个测试装置的所有子网中选择任意一个子网，在测试装置正常运作过程中，通过外部计算机接入该子网中的任意一个节点，登录web网管，观察并记录此时的子网拓扑结构；

S82，选择子网内任意两个节点，将该两个节点连接到外部计算机，使用iperf软件以2Mbps数据速率进行端到端UDP灌包，记录此时web网管拓扑上数据业务的流向；

S83，通过调整所选两个节点位置，使得两个节点间的链路质量变差，记录此时web网管拓扑上数据业务的流向变化和拓扑结构。

S84，恢复所选两个节点原位置，记录此时web拓扑结构、数据业务流向复原的情况。如果整个测试所记录拓扑结构发生改变后又恢复原有拓扑结构，且结构变化符合真实的节点位置调整情况，则证明一体化模块具有网络拓扑自适应能力；如果所记录数据业务流向发生改变后又恢复原有流向，且符合真实的节点位置调整情况，则证明一体化模块具有网络链路自适应能力；从而完成网络自适应能力的测试。

S9，进行最大通信速率测试。其具体包括，

S91，从整个测试装置的所有子网中选择任意一个子网，选择该子网内任意两个节点作为测试节点，将两个节点编号为1#和2#，并将1#和2#测试节点分别连接外部计算机PC1和PC2；

S92，PC1使用iperf软件向PC2发送UDP报文，发送速率配置为30Mbps，时间为60s，PC2使用iperf软件接收端统计传输速率；

S93，连续进行步骤S92若干次，计算PC2所统计的传输速率的平均值，从而完成最大通信速率的测试。

S10，进行传输距离测试。其具体包括，

任意选择室外环境中的两个节点，并编号为1#和2#，两个节点1#和2#分别连接计算机PC1和PC2，PC1使用iperf软件向PC2发送UDP报文，发送速率配置为512kbps；初始时两节点相距大于50米，在PC2中iperf软件接收端统计传输成功率，当传输成功率≥90％时，继续进行测试；继续逐步远离两节点，直至当传输成功率≤90％时，停止测试，记录此时距离，完成传输距离测试。

S11，进行全网端到端通信能力测试。其具体包括，

在各节点组网情况下，随机选择6个节点分别编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#，1#、2#、3#、4#、5#、6#节点分别连接编号为PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6的计算机；节点1#使用iperf软件向其他5个节点发送ping包若干次，其余5个节点重复该操作。统计两两节点间ping包的丢包率，根据丢包率是否满足要求，判断全网端到端通信能力。

S12，进行单跳时延测试。其具体包括，

任意选取两个节点，并将其编号为1#和2#，1#和2#两节点分别连接编号为PC1和PC2的计算机；PC1使用iperf软件向PC2进行ping包测试，进行若干次测试后，PC2用iperf接收端统计双向时延的平均值作为双向时延值，单跳时延值为双向时延的一半，完成单跳时延的测试。

本发明的有益效果为：

本发明测试环境包括室内和室外两种定位情景，能够有效的观测室内外两种环境无缝切换时的具体情况，实现了室内外的协同测试；本发明同时将通信测试指标与定位测试指标相结合，实现了在同一测试环境下即可进行两个领域两种指标的同时测试，通信测试的同时考虑到实际传输内容，测试结果更加具有真实性；本发明对两指标的融合测试简化了操作量和测试量，功能强大，集成度高，有效的降低了测试成本，所使用测试装置安装和使用都非常方便，提高了测试效率与灵活性。

附图说明

图1为本测试装置的系统总体方案；

图2为室内外通信与高精度三维定位一体化模块测试步骤示意图；

图3为室内外通信与高精度三维定位一体化模块测试场景示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

所述的一体化模块是测试的主体设备，该模块集成了通信与定位两种功能，同时该模块在测试过程中承担锚节点和侦查节点两种功能角色，且能在两种功能角色之间切换。当该模块作为锚节点时，其实现向外广播自身位置坐标信息的UWB定位基站功能，为侦查节点的精确定位提供支持。当该模块作为侦查节点时，完成实时的自身精确定位功能，通过上传自身的定位信息至后台显示终端，帮助测试者在使用装载了一体化模块的无人设备执行各种任务时了解设备的位置信息，及时更新任务规划。在该模块中，采用了UWB定位、RTK定位、微惯导定位、气压测高、4G移动通信网定位五种技术来实现无人设备多点协同下的多元融合自适应定位，对五种技术定位数据进行信息融合获得最优定位数据，并能自动选择当前环境精确度最高的定位方法以输出最优定位数据；一体化模块基于自组网通信技术来实现多跳协同通信、网络自适应组网、多子网高速通信等功能，实现蜂群分布式通信，搭建整个测试装置的通信架构，为数据传输服务。

终端路由为各个子网间的通信提供支持，其中每个子网由多个工作频段相同且组网的一体化模块组成，各个子网之间工作频段不同，因此各个子网之间数据通信通过终端路由进行转接，从而实现整体网络间的数据传输；同时各个一体化模块通过多跳协同通信进行数据上报，终端路由汇总各一体化模块的定位信息，并发送至后台显示终端进行显示。

测试辅助设备，为承载一体化模块的无人运动平台，实现各节点的移动功能，为建设测试环境提供支持。

本发明公开的一种通信与高精度三维定位一体化模块的测试方法，具体步骤如图2所示，图2中测试场景包括室外场景、走廊以及室内环境，其中五角星位置为锚节点布置位置，侦查节点可以放置在场景中的任意位置，如图3所示。本发明公开的一种通信与高精度三维定位一体化模块的测试方法，其具体测试步骤如下：

S1，根据实际应用场景，对一体化模块的子网个数、通信频段和功能角色方式进行分配。其中子网个数由场景对通信速率的要求来确定，通信速率要求越高，子网个数应越多，以此满足最大通信速率的要求；通信频段由实际场景中可用的无干扰频段来确定，需要确保各子网工作频段不同；模块作为锚节点和侦查节点的功能角色分配，由具体执行任务需求来确定，每个一体化模块均可以作为侦查节点或锚节点。当各项分配完成后，多个节点组成一个子网，每个子网选择一个一体化模块作为主节点，根据内设程序设置该节点将自动具有本子网整体传输模式的选择功能。例如，当测试实例场景如图3所示时，共采用20台通信定位一体化模块组成系统进行测试，其中13台模块分配为锚节点，用于向侦查节点提供定位和通信支持，剩余7台模块作为侦查节点，也可根据实际定位环境分配具体角色。20台一体化模块共分为三个子网，每个子网通信频段分别为340MHz、580MHz、1.4GHz，三个子网各有7、7、6台模块，其中每个子网选择一个一体化模块作为主节点，负责本子网整体传输模式的选择。

S4，进行室外相对测距精度测试。选择任意一个锚节点，选择一个侦查节点以该锚节点位置为始点，选择若干个待测点，在每个待测点处，进行对测距精度进行测试。根据图3所示测试场景，在室外开阔场地，5、10、15、20、25米处进行测试。每个待测点使用激光测距仪测量锚节点与侦查节点的距离，作为参考距离d0，再用侦查节点对其和锚节点之间的距离进行测量，获得测试值两节点间测距值d(i),i＝1,2,3,…,N，N表示总测量次数，计算每个测距值与参考距离d0之差的绝对值，并以N次的均值作为该待测点的测距误差derr，具体计算公式为：

其中，derr为最终计算得出的测距误差。计算上述所有待测点的测距误差的平均值，作为最终的相对测距精度Δd。N值可取50。

S5，进行室内相对定位精度测试。根据图3测试场景，根据室内锚节点布局进行测试。

S51，选择某个锚节点作为原点，将该节点与其同水平方向的另一锚节点的连线作为x轴，建立三维直角坐标系；

S52，在水平方向上选择一个矩形区域，对该矩形区域进行等间隔划分，得到若干个交叉点，用全站仪或激光测距仪测量出这些交叉点的水平坐标；矩形区域可以为6m*9m的方形区域，长宽均按3m等间隔划分出12个交叉点；

S53，在每个交叉点的垂直方向上依次以一定高度间隔选取若干个待测位置点，用全站仪或激光测距仪测量出这些交叉点的垂直坐标；例如，可分别以0.5m、1.0m、1.5m的高度取3个待测位置点，共36个室内待测点。

S54，选择一个侦查节点对每个待测节点进行位置测量，每个待测节点至少进行10次位置测量；

S6，对一体化模块进行室内外三维定位无缝切换能力测试。根据图3测试场景，进行测试。

S61，选择一个侦查节点，规划测试路径，所规划的测试路径应满足：测试路径应闭合，同时测试路径应包括室内和室外，具体的，室外、走廊、室内各有一段测试路径；测试路径在室外和室内之间的基准高度不同，以验证三维定位、高度及楼层的定位能力；每段路经按一定间隔标定若干个待测点，具体的，至少标定三个待测点；

S62，测试辅助设备搭载侦查节点，由室外出发，按照规划的测试路径依次到达各个待测点，记录此时待测点位置的三维坐标，每个点至少记录10次。

S7，进行一体化模块的室内外绝对定位精度和协同定位能力测试。根据图3测试场景进行测试。

S71，通过RTK和全站仪在测试场景中标定若干个个待测点位置并记录其坐标，将其作为待测点位置坐标标准值，具体地，室内外绝对定位统一采用CGCS2000中国大地坐标系统，包括北坐标N、东坐标E、高程H，具体的，室内标定10个待测位置，室外标定10个待测位置。同时按测试场地布局规划好锚节点部署个数和位置，同样使用RTK和全站仪测量好锚节点待部署位置处的参考坐标，作为锚节点位置坐标标准值。