（车辆工程专业论文）基于labview的汽车操纵稳定性测试系统的研制.pdf

舔? “_ ， r l l r l l l r l l li f i l l if i iii lli i i ii l l i ； y 17 5 0 2 2 3 ； 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丝氓指导教师签名： 日期： 勿如红6 冠弓日 日期沙h 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：丝火指导教师签名： 日期： 矽i 啄“凤弓通 日期印f 。f 西华大学硕士学位论文 摘要 现在，汽车已经成为了人们工作生活中不可缺少的一种交通工具。随着汽车工业的 发展和车辆的普及，人们越来越关注汽车的各项性能。汽车性能测试也受到了普遍重视， 它可以为产品设计的正确性、结构的合理性、部件的可靠性和性能的优越性提供依据。 目前，汽车性能测试的方法主要有以下三种，即计算机仿真、室内试验和道路试验。计 算机仿真是采用计算机软件来模拟和分析汽车的运动性能。它方便、经济、节约时间， 但由于建模的困难以及与实际状况的差别，因此误差难以控制；室内试验主要在转鼓试 验台上进行，它可以避免外界风、道路坡度的影响，但其功能有限，不能进行操纵稳定 性方面的测试；道路试验通常在标准的试验场上进行，它是汽车设计过程中必不可少的 环节。它能够较真实地反映汽车的各项性能，但相对来说更加耗时。随着试验方法和设 备的不断完善，汽车道路试验已成为保证汽车产品质量，提高产品性能的重要手段。 随着汽车速度的提高，人们对汽车安全性的要求也越来越高。这对汽车特性以及性 能的分析提出了新的要求，在汽车性能测试方面，特别是反映汽车关键性能的操纵稳定 性就非常的重要，因此对汽车操纵稳定性测试的方法和手段也越来越受到人们的重视。 本测试系统研制的主要目的就是在现有的测试设备和条件下，研制一套能快速方便的实 现汽车操纵稳定性的道路测试系统。该系统在硬件上主要依赖g p s 、a h r s 以及转向力角 测试仪的相互结合；在软件上，则依靠作为虚拟仪器软件开发工具的l a b v i e w 平台。 在研究过程中，首先对使用的测试设备，如g p s 、a h r s 及转向力角测试仪的特性进 行了大量的研究和分析，特别是数据的格式以及数据的转换等方面。在此基础上，利用 l a b v i e w 软件平台，将g p s 、a h r s 及转向力角测试仪的特点相结合，研制了基于l a b v i e w 的汽车操纵稳定性测试系统。该系统能按照汽车操纵稳定性道路试验相关国家标准的要 求完成汽车稳态回转试验( g b t6 3 2 3 6 9 4 ) 、汽车转向盘转角阶跃输入试验( g b t 6 3 2 3 2 9 4 ) 、汽车转向轻便性试验( g b t6 3 2 3 5 9 4 ) 以及汽车蛇行试验( g b t6 3 2 3 1 9 4 ) 。该测试系统操作简便，界面美观。从试验结果看，测试过程中能得到汽车的行 驶轨迹、位移、速度和姿态角、角速度、加速度等性能参数并以数据和曲线两种方式显 示，这将直观形象地展示汽车操纵稳定性能测试过程中的各个运动参数。 为了比较测试结果的可靠性，利用开发的系统与由非接触式速度传感器( g d s - i i ) 组成的商用汽车道路性能测试系统测得的车速进行了对比，结果表明两者基本吻合。道 路的实车验证也表明本系统基本达到了进行汽车操纵稳定性测试的要求。 关键词：汽车操纵稳定性；测试系统；g p s ；a h r s ；l a b v i e w 基于l a b v i e w 的汽车操纵稳定性测试系统的研制 a bs t r a c t t o d a y ，a u t o m o b i l eh a sb e c o m ea l li n d i s p e n s i b l et r a n s p o r t a t i o ni no u rd a i l yl i v e s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h er a p i di n c r e m e n to fp r i v a t ec a r s ，v e h i c l e p e r f o r m a n c e sh a v ea l r e a d ya r o u s e dp u b l i c sa t t e n t i o n t h et e s to fv e h i c l ep e r f o r m a n c ec o u l d p r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nt o a s s e s st h ec o r r e c t i o no fp r o d u c td e s i g n ，t h ，ef e a s i b i l i t yo f s t r u c t u r el a y o u t , t h er e l i a b i l i t yo fp a r t sa n dt h ea d v a n t a g eo ft h ep r o d u c t a tp r e s e n t ，t h e r ea r c m a n yw a y st h a ta r ew i d e l yu s e di na u t o m o b i l ee n g i n e e r i n gf o rv e h i c l ep e r f o r m a n c et e s ts u c h a s c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dr o a dt e s t c o m p u t e r s i m u l a t i o ni s c o n v e n i e n t ，e c o n o m i ca n dt i m e s a v i n g a n dw i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h er e l a t i v es o f t w a r e ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ec a l lb eo b t a i n e da n da n a l y z e d i tc a ng i v em o r ei n f o r m a t i o no f v e h i c l ep e r f o r m a n c ew i t hl e s sc o s t b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yo fm o d e l i n ga n dt h ed i f f e r e n c e w i t ha c t u a lv e h i c l ep h y s i c a lp a r a m e t e r s ，t h ee r r o ri sh a r dt oc o n t r 0 1 l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ti s c a r r i e do u to nd r u mt e s t e ru n d e rd i f f e r e n tl o a dc a s e s b u ti tc a nn o td e a lw i t ht h ep e r f o r m a n c e t e s to fa u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y h o w e v e r ，r o a dt e s ti sap r e l i m i n a r yp r o c e d u r e d u r i n ga u t o m o b i l er e s e a r c h i ti sc a r r i e do u to nt h ep r o v i n gg r o u n da n dc a ng i v em o r eu s e f u l a n dv a l i di n f o r m a t i o no fv e h i c l ep e r f o r m a n c et h a no t h e r s w i t ht h ei n c r e m e n to fa u t o m o b i l ev e l o c i t y , t h es e c u r i t yr e q u i r e m e n t so fa u t o m o b i l e sa r e b e c o m em o r es e r i o u se v e r yd a y v e h i c l ep e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l ya u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t y a n ds t a b i l i t yt e s t ，h a sb e e i n gg a i n e dt h ew h o l ew o r l dc o n c e r n t h em a i np u r p o s eo ft h i s s y s t e mi sa p p l i e di na u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt e s t b yt h ew a y ，t h es u c c e s so f t h i ss y s t e mb a s eo nt w oi m p o r t a n ta s p e c t s t h ef i r s to fa l l ，i tr e l y so nt h em u t u a lc o o p e r a t eo f g p s ，a h r sa n ds t e e r i n ga n g l ea n dp o w e rt e s t e r l a s tb u tn o tl e a s t ，i ta l s od e p e n d su p o nt h e o n eo fv i r t u a li n s t r u m e n t sr e s e a r c hm e t h o d s l a b v i e l j f i r s t l y ，al o to fs t u d i e sa n da n a l y s e sh a v eb e e nm a d eo np r o p e r t i e so fg p s ，a h r sa n d s t e e r i n ga n g l ea n dp o w e rt e s t e r ，e s p e c i a l l yd a t a sf o r ma n dh o wt oc h a n g ei t i n t ou s e f u l i n f o r m a t i o n t h e n ，t h ep r o p e r t i e so fg p s ，a h r sa n ds t e e r i n ga n g l ea n dp o w e rt e s t e ra r e c o o p e r a t e dt oc o m p l e t et h ea u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt e s ts y s t e mb a s e do n l a b v i e w w i 也t h es y s t e m ，s t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t ，s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u tt e s t ， s t e e r i n ge f f o r t st e s t a n dp y l o nc o u r s es l a l o mt e s tc a nb ee a s i l yd o n e t h ew i n d o wo ft h e s y s t e mi sb e a u t i f u la n dt h eo p e r a t i o nm e t h o d sa r ee a s y w h e nt h es y s t e mi sr u n n i n g ，t h et r a c k o ft e s tp r o c e s s ，v e l o c i t y , h a n d l i n ga n g l e ， a n g u l a rv e l o c i t y ， a c c e l e r a t i o na n ds oo na r e d i s p l a y e da n d t h ep a r a m e t e r so ft h ea u t o m o b i l ea r es h o w e db o t hi nd i g i t a lt y p ea n dg r a p ht y p e ， w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rt h eo p e r a t o rt om o n i t o rt h ep r o c e s so ft h et e s t i i i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h et e s t s r e s u l t s ，c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h ev e l o c i t y g o tf r o mg p sa n dt h eg d s - i iv e l o c i t ys e n s o rh a db e e nm a d e ，a n da c c o r d i n gt ot h er e s u i t s j t h e yi n o s c u l a t ee a c ho t h e rv e r yw e l l t ta l s oi n d i c a t e dt h a tg p s ，sp r e e i s i o ni s b e t t e rt h a n g d s i i v e l o c i t ys e n s o r i nt h ee n d ，r o a dt e s t sp r o v et h a tt h i ss y s t e mc a ng e n e r a l l ym e c t 廿1 e r e q u i r e m e n t so fa u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t ya n d s t a b i l i t yt e s t k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t y l a b v i e w a n ds t a b i l i t y ；t e s t s y s t e m ；g ps ；a h r s ；一j h i 基于l a b 目录 摘要_ i a b s t r a c t 。i i 1 绪论1 1 1引言l 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 3 研究目的和意义2 1 4 本课题的主要研究内容j 3 1 5本章小结：3 2g p s 系统原理及其应用：4 2 1 引言4 2 2 g p s 系统的构成4 2 3g p s 系统定位原理5 2 4g p s 测量中的坐标系统及其变换8 2 4 1 常用坐标系统8 2 4 2 不同坐标系之间的变换1 0 2 5 本章小结1 3 3 测试系统的硬件组成1 4 3 1 引言_ 1 4 3 2 移动站g p s 子系统1 4 3 2 1 简介一1 4 3 2 2 技术指标1 6 3 2 3 使用安装1 7 3 3姿态航向参考系统a h r s ：17 3 3 1 简介一17 3 3 2 技术指标18 3 3 3 使用安装1 9 3 4a m 2 0 1 2 转向力角测试仪1 9 3 4 。1 简介19 3 4 2 技术指标2 0 3 4 3 使用安装2 0 i v 西华大学硕士学位论文 4 3 5 其他硬件2 l 3 5 1 非接触式速度传感器( g d s i i ) 2 1 3 5 2n i u s b 6 2 15 数据采集卡2 2 3 5 3a m 一2 0 1 0 机动车制动踏板力计2 4 3 5 4c x l 0 2 l f 3 三轴式加速度传感器2 5 3 6 本章小结2 6 测试系统的软件设计：2 7 4 1 引言2 7 4 2 虚拟仪器技术二2 7 4 2 1 虚拟仪器的概念：j 2 8 4 2 2 虚拟仪器的特点：2 8 4 2 3 虚拟仪器硬件组成2 9 4 2 4 虚拟仪器软件结构j ：j 2 9 4 2 5虚拟仪器编程软件l a b v i e w 一3 0 4 2 6 。软件流程设计。3 0 4 3串口通讯技术3 2 4 3 1串口的结构3 2 4 3 2串口的配置。3 3 4 4g p s 的数据处理3 5 4 5a h r s 的数据处理3 6 4 6a m 2 0 1 2 转向力角测试仪的数据处理3 8 4 7 各传感器测试数据同步采集3 9 4 8 本章小结。：4 0 5 测试系统的实车验证4 1 5 1引言4 1 5 2 测试系统中g p s 的验证。4 l 5 2 1 起步连续换档加速性能试验4 1 5 2 2 蛇形试验4 4 5 3 操纵稳定性实车试验4 6 5 3 1 稳态回转试验4 6 5 3 2 转向盘转角阶跃输入试验5 0 5 3 3 转向轻便性试验5 2 v 6 2 展望。6 2 参考文献6 3 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况一6 5 致 射6 6 v l ”腊叭 6 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 在现代社会，汽车已经成为了人们工作生活中不可缺少的一种交通工具。但汽车在 为人们造福的同时，又为产生下面一些问题。首先，汽车会带来大气污染、噪声、交通 安全等一系列问题。其次，汽车本身又是一个复杂的系统，随着行驶里程的增加和使用 的延续，其技术状况必然不断恶化，使用性能会不断下降。因此，一方面要不断研制性 能优良的汽车：另一方面要想方设法去恢复其技术状况n 1 。而这两个方面，对汽车进行 性能测试都是它们不可缺少的环节。而汽车的操纵稳定性是汽车的主要性能，在汽车行 驶速度越来越高，对汽车的操控性要求越来越高的今天，汽车的操纵稳定性试验更是汽 车试验开发过程中必不可少的环节。 汽车的操纵稳定性一直是伴随着汽车发展的研究热点之一旺1 。近年来随着车速的提 高和道路车辆密度的增加，更是倍受人们的重视。而电子技术以及计算机技术的发展， 对汽车操纵稳定性试验的发展起到了巨大的作用。因为伴随着电子技术的发展，各种数 据采集与处理等方面的仪器相继出现了。同时，计算机技术的发展也使得汽车操纵稳定 性测试变得方便、快速、准确。 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 也叫全球定位系统。它是一套全天候、全球性和 高精度的连续导航与卫星定位系统，利用它可以得到运动物体实时的空间位置坐标，其 信号覆盖全球，也不受用户数量的限制，已成为军用、民用、导航和定位的主要技术。 与普通定位导航相比，将g p s 运用于汽车性能测试中有其不同的特点：一是测试时间短， 这减小了对测量传感器的要求；二是要求测试系统反应快速，适宜动态性能测试；三是 车载单元工作环境恶劣，系统可靠性要求高；四是能够进行测试数据的事后处理与分析， 这有助于测试算法的改进1 。 姿态航向参考系统x w - a h r s5 1 0 0 ( 在下文中均简称为a h r s ，是a t t i t u d ea n dh e a d i n g r e f e r e n c es y s t e m 的缩写) 是低价位、高性能的测量设备，可给出动态测量、定位和导 航所需的角度、角速度等运动参数，被广泛应用在航空、航海、陆地导航等领域h 1 。 g p s 、a h r s 及转向力角测试仪的结合可以用于汽车道路的各种试验，获得汽车的位 移、速度、加速度、姿态角、角速度、转向盘转角及转向盘转力等物理量，从而用于评 价汽车的各种性能。应用g p s 、a h r s 及转向力角测试仪的结合也是汽车的操纵稳定性试 验的一个发展趋势。 。i 基于l a b v i e w 的汽车操纵稳定性测试系统的研制 1 2 国内外研究现状及发展趋势 汽车性能测试技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。随着现代科学技术的进步， 特别是计算机技术的进步，汽车性能测试技术也飞速发展。目前人们能依靠各种先进的 仪器设备，能够对汽车各个工况进行各种性能的测试，而且安全、迅速、可靠。 早在5 0 年代，在一些工业发达国家就形成以性能测试为主的单项测试技术和生产 单项测试设备。进入7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车性能测试、数 据采集处理自动化、测试结果直接打印等功能的汽车性能测试仪器和设备。我国汽车性 能测试经历了从无到有，从小到大；从引进技术、引进测试设备，到自主研究开发并推 广应用啼1 ；从单一性能测试到综合测试的巨大进步。尤其是测试设备的研制、生产得到 了快速发展，就这样逐渐缩小了与先进国家的差距。 国内汽车试验中，较早使用的试验仪器主要有：汽车性能综合测试仪、操纵稳定性 测试仪等。而这些仪器的精度较低，且容易受到外界的干扰，因此，测试效果不太理想。 2 0 0 7 年，广西汽车拖拉机研究所研制的多功能汽车性能测试系统与2 0 0 8 年山东理工大 学2 0 0 8 非接触便携式智能汽车性能检测仪都能够对汽车的多个性能进行测试，但它们 没有把平顺行及操纵稳定性的测试纳入其中，实用性还需进一步的证实：并且价格昂贵， 精度还有待提高。 近年来，随着无线电技术、微电子技术和光电技术的发展，汽车的导航定位技术发 展较快，特别是g p s 技术、新型惯性测量系统等口1 。由这些仪器组成的测试系统具有精 度高、抗干扰能力强的特点，能够获得较好的试验结果。随着汽车工业的发展，汽车行 业标准不断完善，对汽车性能测试系统的精确性、可靠性、高效率性的要求也越来越高。 基于g p s 、a h r s 及转向力角测试仪的汽车操纵稳定性测试系统必将以它效率高、使用方 便、可靠性好等突出的优点，广泛应用于以后汽车领域。 1 3 研究目的和意义 以实验室现有的g p s 、a h r s 及转向力角测试仪为基础，根据汽车操纵稳定性道路试 验中需要测试的性能参数，编制出基于l a b v i e w 的汽车操纵稳定性道路试验测试系统。 该系统能按照相关国家标准的要求完成汽车稳态回转试验、汽车转向盘转角阶跃输入试 验、汽车转向轻便性试验以及汽车蛇行试验相关参数的测试。 尽管汽车操纵稳定性能分析有计算机仿真分析、室内实验等多种途径，但汽车道路 试验仍然是评价汽车操纵稳定性能不可缺少的环节。汽车操纵稳定性的研究都是建立在 实车场地试验的基础上的，其试验结果可以为汽车结构的改进、性能的优化提供重要的 参考价值。因此，有必要研制出一套方便的、可靠的、实用的汽车操纵稳定性测试系统。 2 西华大学硕士学位论文 本次课题的研究内容具有较强的实用价值，为汽车操纵稳定性道路试验的开展提供了条 件。在此基础上，可以继续完成汽车动力性、制动性、平顺性等试验项目的编制，以便 对汽车的整车性能的评价提供依据。 1 4 本课题的主要研究内容 本文采用了现有的g p s 接收机、姿态航向参考系统a h r s 及转向力角测试仪等仪器 设备。主要工作是硬件调试，软件的设计和实现。具体工作内容如下： ( 1 ) g p s 、a h r s 及转向力角测试仪信号的分析和处理。通过对g p s 、a h r s 及转 向力角测试仪的研究，实现它们与计算机之间的通讯，能够分别得到汽车的行驶轨迹、 位移、速度和姿态角、角速度、加速度、转向盘转角及转矩等性能参数。 ( 2 ) 测试软件的编制。试验过程中要求同时获得来自g p s 、a h r s 及转向力角测 试仪的信号，因此，三个采集过程必须同时进行。在此，利用l a b v i e w 本身自带的“多 线程”功能，实现了g p s 、a h r s 及转向力角测试仪数据的实时、同步采集。 ( 3 ) 测试系统的验证。为了说明所研制测试系统的正确性，进行了开发的测试系 统与由非接触式速度传感器( g d s - i i ) 组成的商用汽车道路性能测试系统( a m 一2 6 0 0 s ) 测得的车速的对比，并进行了操纵稳定性实车试验。 1 5 本章小结 本章主要介绍了汽车性能测试的研究历史与现状，在此基础上针对以前的不足，提 出了本课题的研究目的和意义，最后详细介绍了课题研究的主要内容。 3 。1 最后于1 9 9 4 年 时三维导航与定 位能力的卫星导航与定位系统。g p s 系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今 为止最好的导航定位系统。它从根本上解决了人类在地球上的航行和定位问题。随着全 球定位系统的不断改进，软硬件的不断完善，应用领域正在不断地扩大，除了航空、航 天定位导航方面，它还可应用于汽车各项性能测试并组成相应的测试系统。 2 2 6 p s 系统的构成 g p s 系统由空间部分、地面控制站和用户接收机三部分构成。 导航卫星是系统的空间部分，也是g p s 系统中关键的部分。它由2 4 颗卫星组成( 其 中3 颗为备用卫星) ，均匀分布在6 个轨道面上，如下图2 1 所示。 图2 1g p s 卫星轨道图 f i g 2 1 f i g u r eo fm es a t e l l i t eo r b i t s 上图中，每个轨道平面上有4 颗卫星，轨道倾斜角为5 5 度，各个轨道平面之间相 距6 0 度，即轨道的升交点赤经各相差6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相 差9 0 度，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的卫星超前3 0 度。地面平均高 度约为2 0 2 0 0 千米，周期约为1 2 个小时。在两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星 来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对 4 西华大学硕士学位论文 于地面观测者来说，每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗 数随着时间和地点的不同而不同，该系统保证了全球任何地区任何时刻都可以至少观测 到4 颗卫星，而最多也可见到1 2 颗。在用g p s 信号导航定位时，为了计算三维坐标， 必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定 位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做 “间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高 精度、连续实时地观测。 地面控制站包括1 个主控站、1 个上行数据注入站和4 个监控站。地面控制部分的 任务是跟踪检测卫星并保证卫星导航数据的质量。每个监控站设有多通道的接收机、若 干环境数据传感器、一台原子钟和一台信息处理计算机。监控站的天线能自动跟踪视野 中的所有卫星并接收来自卫星的各种信息，监控站信息处理计算机控制所有数据的采集 并与当地的大气条件等数据组合。这些数据首先存储于监控站之中，在需要的时候再把 这些数据传输到主控站并加以处理。主控站负责地面控制站网的全面控制，根据各监视 站收集来的数据计算卫星的星历表和原子钟误差。上行数据注入站每天向每颗卫星发送 一次由主控站提供的包括星历数据、环境数据、时间漂移数据、电离层传播延时数据在 内的各种数据，所有这些数据均被存入卫星上的存储器用以更新原来的相应数据。 用户接收机是真正的用户设备。目前已经出现了多种类型的接收机，有简单的单通 道接收机，也有1 2 通道甚至1 8 通道的接收机。用户接收机一般由四大件组成，即天线、 接收机、计算机和输出设备。接收机主要完成下列基本功能：选择卫星、捕获信号、跟 踪和测量导航信号、校正传播效应、计算出导航解、显示及传输定位信息。 2 3 g p s 系统定位原理、 g p s 卫星定位是在空间技术、大地和大气测量技术、数字通讯和计算机技术等基础 上发展起来的现代无线电导航技术。无线电导航系统是一个无源测距系统，无线电导航 的定位基本原理与测量学中的交会法十分相似。现以圆定位系统为例( 即距离交会系统) 加以说明。如图2 2 所示，a 点和b 点分别为海岛或海岸线上的无线电发射台，它们在 地球坐标系的位置已经精确确定。待定点p 为需要确定的船舶或飞机的位置。用户装有 无线电导航定位接收机。它以无源被动测距的方式，测出了p 点至a 点的距离为尺， 同时也测出p 点至b 点的距离为r ，在同一平面坐标系里，己知圆心a ，b ，以及半径r 。， r ，则可确定两个圆。他们的交点即为待定点p 的位置。当然两圆相交一般有两个交点， 但根据待定点的概略位置不难加以判断和取舍。一般而言，为了提高精度和可靠性，实 际中使用的发射台往往不止两个，这样往往是从3 个或3 个以上的已知圆来交会p 点， 1 度和可靠性，同一时间用于定位的卫星数目至少为四颗，而且颗数越多定位精度越高。 毫一 ， ：，i ，： 基：! - ：j 孑”键瓷巧? j 每；j ；点7 ：? j ! 一- ! ：磊 图2 3g p s 三维定位示意图 f i g 2 3 g p ss p a c eo r i e n t a t i o n 由上可知，为了测量g p s 接收机的三维位置，需要至少3 颗卫星。如果知道这3 颗 6 卫星分别的地球坐标( x 。，y 1 ，z 1 ) ，( 屯，y 2 ，z 2 ) 和( x 3 ，y 3 ，z 3 ) ，以及各自到g p s 接收机的距离 4 ，d ，以，如图2 4 所示，求解下列方程可以确定接收机的三维位置( x ，y ，z ) 。 d l = 、( x - 工1 ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 d 2 = o 一工2 ) 2 + ( y y 2 ) 2 + ( z - - z 2 ) 2 ( 2 1 ) d 3 = ( 工一工3 ) 2 + ( y y 3 ) 2 + ( z z 3 ) 2 值得说明的是上式中的d l , d ：，以为测量的伪距。伪距定位测量是基于到达时间测距 原理，即由已知位置上的卫星发射的信号到达地面用户接收机所需的时间间隔乘以信号 的传播速度，这就得到了卫星到接收机的距离。由于卫星和接收机存在时间上的偏差、 传播的延迟和其他误差，不可能测出实际距离，故称为伪距。 卫曼1卫星2卫星3 图2 4 三颗卫星的情况 f i g 2 4 t h t o es e c o n d a r yp l a n e t s 由于用于测量信号传播时间的接收机时间与g p s 时间不同步，必须利用四颗卫星 才能确定接收机时间与g p s 时间之间的时钟偏差。原理如图2 5 所示。可以从下面四 个方程中计算出接收机的位置和时钟偏差： d l = ( 工一x 1 ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 + c ( d t d 乃) d 2 = - - x 2 ) 2 + ( y - y 2 ) 2 + ( z - - z 2 ) 2 + c ( d t - d t 2 ) d 3 = ( 工一屯) 2 + ( j ，一y 3 ) 2 + ( z - - z 3 ) 2 + c ( d t - d t 3 ) ( 2 2 ) 图2 5 四颗卫星的情况 f i g 2 5 f o u rs e c o n d a r yp l a n e t s 在上面的方程中，为了简化起见忽略了某些误差项。例如，电离层延迟和对流层延 迟造成的测距误差。 2 4g p s 测量中的坐标系统及其变换 在汽车操纵稳定性能测试的过程中，首先应将g p s 提供的经纬度坐标通过高斯一克 吕格坐标转换为平面坐标x 、y 值，然后把得到的一系列点坐标( x ，y ) 按照时间顺序 依次连结成线便得到汽车的运动轨迹，根据轨迹点坐标以及时间可以求导得出汽车在该 点的速度和加速度。 由于g p s 对空间中某一点的位置进行测量的结果是基于w g s - 8 4 ( 世界大地坐标系 - 8 4 ) 的，而在实际中，人们常常需要用空间大地坐标系和当地水平坐标系来描述一个 运动物体的位置和运动，故不同坐标系之间进行变换的过程必须实现。 2 4 1常用坐标系统 g p s 测量过程中主要用到的坐标系统如下嘲： 8 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) w g s - 8 4 坐标系( e 系) w g s 一8 4 全称是w o r l dg e o d e t i cs y s t e m - 8 4 ( 世界大地坐标系一8 4 ) 坐标系，它是目 前g p s 所采用的坐标系统，其原点在地球质心，x 轴指向平均格林尼治子午圈( 在赤道 平面内) ，z 轴平行于平均地球自转轴，y 轴垂直于x 和z 轴，各轴正方向如图2 6 所 示。 图2 6w g s - 8 4 世界大地坐标系 f i g 2 6 w o r l dg l o b a ls y s t e r m 一8 4 ( 2 ) 大地坐标系 大地坐标系是采用大地经度( l ) 、大地纬度( b ) 和大地高( h ) 来描述空间位置 的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭 球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法 线方向到参考椭球面的距离，表示形式：( b ，l ，h ) ，如图2 7 所示。 图2 7 大地坐标系 f i g 2 7 g e o d e t i cc o o r d i n a t es y s t e m ( 3 ) 高斯平面直角坐标系 9 。1 基于l a b v i e w 的汽车操纵稳定性测试系统的研制 平面直角坐标系是利用投影变换，即将空间坐标( 空间直角坐标或空间大地坐标) 过数学变换映射到平面上。投影变换的方法有很多，如u t m 投影、l a m b u d a 投影等， 我国采用的是高斯一克吕格投影，也称为高斯投影。 4 2 不同坐标系之间的变换 ( 1 ) w g s 8 4 与空间大地坐标系之间的变换 设空间一点p 在w g s - 8 4 世界大地坐标系中的坐标为( x ，y ，z ) ，它们亦可按下列 程式阳1 变换成地心大地坐标系的经纬度和海拔高度( b ，l ，h ) ： f x = ( + h ) c o s b c o s l y = ( n + ) c o s b s i n l ( 2 3 ) l z = ( 1 一e 2 ) + h s i n b 其中，各参数含义如下： ：二，为卯酉圈的半径 ( 2 4 ) , 1 一e 2s i n 2b e ：一垡二竺，为地球椭球偏心率 ( 2 一b 一) l = 1 一，力地螺椭螺倔，d 翠 l ) 口 此处a 为地球椭球长半轴，b 为地球椭球的短半轴。由式2 - 1 可以知道： 三= a r c t a n ( y ) b = a r c t a n l 兰一z 二一 ( 2 6 ) x 2 + 】，21 - e 2 n ( n + h ) 日： 垄：芝一 首先假定n = a ，而进行迭代计算，先求出b ，最后确定h 。 ( 2 ) 空间大地坐标系到高斯平面坐标系的变换 为了实现由空间大地坐标系到高斯平面坐标系的变换，需要进行高斯克吕格投影变 换嘲。 高斯一克吕格投影分带 按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带，这是高斯投影中限制长度变形的晟有 效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数不致过多以减少换 带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带，以便分带 投影。当投影区面积较小时，可以不考虑地球曲率的影响，把水准面当成平面看待。通 1 0 西华大学硕士学位论文 常按经差6 度或3 度分为六度带或三度带，如图2 8 所示。我国通常采用6 。分带法， 将全球分为6 0 个带。 6 度带：以0 度子午线算起，每6 度为一带，第一带的中央子午线为东经3 度。 3 度带：以东经1 度3 0 分开始，每隔3 度为一带，第一带的中央子午线为东经3 度。 n 厂7 。、 、 矿一l。n k 卅 。u s