（精密仪器及机械专业论文）基于CA码DGPS和低成本语音电台的高精度汽车试验监控系统.pdf

东南大学顺十学位论文 摘要 汽4 i 可靠性试验作为汽车道路试验的重要组成部分，是缩短汽车产品丌发周删，提高汽车质域 的重要手段。长期以来汽1 ：可靠性试验规范的执行一直采心人工监督、手一统计报表的力式试验 效率低，可信度著。 本论文结合总装备部汽车试验场的科研项目开展研究，将g p st j 星定位技术应川丁汽下道路试 验，研制了基于c a 码d g p s 年低成本语音电台的高精度汽车试验监控系统，刘推动汽下可靠性试验 技术进步具有覆要的技术意义和i ：程应用价值。本文的主要i ：作包括以f ) l 个方面 ( 1 ) 将卫星定位技术麻j _ | _ j 。 ：汽j ：可靠性行驶试验实现了汽车可靠性行驶试验l ：况参数n 0 远样、 群组、实时自动监控记录统计及刚放分析，在汽车可靠性试验技术中具有创新性 ( 2 ) 基tc 码i ) c - p s 和普通语音电台，川低成本设备实现了，高精度的汽乍试验实时动态临控系 统，技术可行； ( 3 ) 运川著分g p s 利地图匹配技术，设计并实现了对监控汽车行驶l 况的远程统汁，里科统计 相对误差小_ 】i 二0 5 ，性能稳定、可靠 ( ) 应用汽车司靠性试验监控系统，实现了混合路面行驶的汽乍可靠性行驶试验。使可靠性试 验更加接近真实工况： ( 5 ) 开发弗使川信号仿真技术，实现了对系统的长时间、犬容量考核平校验，提高了系统的稳 定性雨i 可靠性。 关键词：汽印可靠性试验c a 码g i ，s试验监控 摘要 a b s t r a c t h i g h - a c c u r a c ym o t o r c a rt e s tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do i l c ac o d ed g p sa n dl o w 。c o s tv o i c et r a n s m i t t e r r e c e i v e r t h em o t o r c a rr e l i a b i l i t yt e s t a so n eo ft h ei m p o r t a n tm o t o r c a rr o a dt e s t si sa l la l o n ga v a i l a b l et o r e d u c et h ef r e q u e n c yo fm o t o r c a rp r o d u c te x p l o i t a t i o na n de n h a n c em o t o r c a rq u a l i t y h o w e v e r , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o t o r c a ri n d u s t r y , t h ei m p l e m e n t a t i o no fm o t o r c a rr e l i a b i l i t yt e s th a sn o tb e e ni m p r o v e d f o ral o n gt i m e ，w h i c hi sp e r f o r m e db yo n s i t em a n u a li n s p e c t i o na n dm a n u a lp r e p a r a t i o no ft h ei n s p e c t i o n r e p o r t t h ed a t ao fo p e r a t i n gc o n d i t i o n si nt h ep r o c e s so ft h et e s ta r ec o l l e c t e da tal o we f f i c i e n c y , w h i c h s e r i o u s l ya f f e c t st h er e l i a b i l i t yo f t h er e s u l t s w i t hr e g a r dt ot h i sp r o b l e ma n di nl i n ew i t ht h es c i e n t i f i cr e s e a r c ho f m o t o r c a rp r o v i n gg r o u n do f t h e g e n e r a le q u i p m e n td e p a r t m e n t ，t h ep a p e rs u c c e s s f u l l y p r e s e n t st h en e w l yd e v e l o p e dh i g h - a c c u r a c y m o t m c a rt e s tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc i ac o d ea n dl o w - c o s tv o i c et r a n s m i t t e r - r e c e i v e r , w h i c hi so f i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u ei nt e r m s o fr e l i a b i l i t yp r o v i n gt e c l m o l o g y t h em a i n p e r f o r m a n c ea n dt e c h n o l o g i c a li m p r o v e m e n ti n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h es a l e l l i t ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h em o t o r c a rr e l i a b i l i t yt e s t ，w l r i c hr e a l i z e st h e r e m o t e ，g r o u pa n dr e a l t i m ea u t m n a t i cm o n i t o r i n gr e c o r da n da n a l y s i so f d a t ao f o p e t a t i n gc o n d i t i o n si nt i l e r e l i a b i l i t yt e s t r h i sp r e s e n t sac r e a t i o ni nt h em o t o r c a rr e l i a b i l i t yt e s tt e c h n o l o g y ( 2 ) b a s e do nc ac o d ed g p sa n dc o m m o nv o i c et r a n s m i t t e r - r e c e i v e r t h el o w c o s te q u i p m e n ti s a p p l i e dt or e a l i z et h eh i g h a c c u r a c ym o t o r c a rt e s tr e a l - t i m ed y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e m ( 3 ) t h a n k st ot h ed i f f e r e n c eg p sa n dm a pm a t c h i n gt e c h n o l o g y t h er e m o t es t a t i s t i c so ft i l e m o n i t o r e dv e h i c l eo p e r a t i n gc o n d i t i o ni sm a d ea n dt h er e l a t i v ee r r o ro fr a n g es t a t i s t i c si sl e s st h a no 5 t h ec a p a b i l i t yi sm o d e r a t ea n dr e l i a b l e ( 4 ) t h er e l i a b i l i t yt e s tm o n i t o r i n gs y s t e mi sa v a i l a b l ef o rt h er e l i a b i l i t yt e s ti nt h ec o m p l i c a t e dr o a d w h i c hm o r er e a c h e st h er e a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( 5 ) t h es i g n a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dt or e a l i z et h el o n g - t i m ea n db i g - v o l u m ea p p r o v a l a n dm o d i f i c a u o ne n h a n c i n gt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m k e y w o r d ：i n o t o r c a rr e l i a b i l i t yt e s t c ac o d eg p st e s tm o n i t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特另j 1 j r i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 瑟 勇盘 r 期：q 生：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允诩：论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公却( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：拯圆丕= 导师签名 卜 期 ，咚 哗 东南大学硕士学位论文 绪论 1 汽车道路试验 1 1 汽车试验 汽车工业产量大、品种多，产品使用条件复杂，对产品的性能、寿命、质量和成本等方面要求高。 影响产品质量的因素多，所涉及的技术领域也极为广泛，因此汽车新产品的设计或是现生产的产品， 即使在设计和制造上考虑得非常周密，也都必须经过试验来检验，检验其设计的合理性。汽车试验 是帮助我们深入了解汽车在实际使用中各种现象的本质及其规律，探讨解决存在的问题以及验证解 决问题的效果和程度，是推动汽车技术进步的一种十分重要的方法，也是保证产品质量和市场竞争 力的重要手段。 汽车试验是随着汽车工业逐渐发展起来的。汽车工业发展到今天，汽车试验已经进入了计算机 仿真( 虚拟) 试验、台架试验与道路试验相结合，相互补充、相互验证，共同发展的阶段。在汽车 产品发展的不同阶段，三种汽车试验形式作为主要的技术手段，发挥各自优势，有效地缩短了汽车 产品开发周期，提高了汽车品质。 1 2 汽车试验场 尽管计算机仿真( 虚拟) 试验、台架试验在汽车试验领域发挥着越来越重要的作用，但是汽车 试验的主要内容和最终要求都是通过道路试验实现，因此汽车道路试验在汽车产品开发中占有十分 重要的地位。目前汽车的性能和可靠性道路试验主要在汽车试验场进行。 汽车试验场是由各种典型道路和有关试验室组成的试验基地。它反映了汽车实际行驶中所遇到 的道路状况，并加以典型化和适当强化。试验场试验可以稳定地控制试验条件，充分利用现代化的 科学测试手段，提高试验精度，可以缩短试验周期，保障试验安全，还可以开展一些在实际道路上 无法进行的试验以及模拟气候的环境适应性试验等，因此在汽车试验场进行道路试验比在模拟试验 或一般行驶条件下的试验更严格、更科学、更实际。 最初的汽车试验都是剥用现有道路来进行的，但随着汽车工业的迅速发展，公路交通流量的日 益增大，这种公路行驶试验的方法，在工业发达的国家就不能满足生产的需要和社会的允许，而被 代之以试验场的试验了。美国道奇公司在1 9 1 5 年最早建成椭园形汽车跑道，1 9 2 4 年通用汽车公司 建成了正规的密尔费德试车场。目前，世界上己建有1 0 0 多个不同类型的试验场，有的一个公司有 几个试验场，一个汽车厂甚至一个部件专业厂也都有自己的试验场。有些大的综合性试验场均带有 国家的- 牲质，如英国的汽车工业研究协会试验场，法国的汽车摩托车技术协会试验场，俄罗斯汽车 和发动机研究所试验场，日本汽车研究所试验场等。我国现己建有海南、定远、襄樊、通州、农交 和安亭等七个汽车试验场。 1 3 汽车可靠性行驶试验 按试验项目内容，汽车道路试验主要有性能试验和可靠性试验两大类型。本文及本系统的研究 内容主要是对整车可靠性试验的监控。 汽车的可靠性定义是：汽车产品在规定的条件下、在规定的时间内，完成规定功能的能力。汽 车的可靠性试验是为了提高或确认汽车产品整车、总成及零部件的可靠性进行的试验总称。 汽车试验场均为可靠性行驶试验建殴有专门的试验道路，一般包括：经典的强化试验路，如比 利时路、扭曲路、搓板路、卵石路、鱼鳞坑路：模拟等级公路的试验路，主体为沥青路，设置有铁 路道口、路桥接缝、路沿石、沥青痈包、坑洼等；模拟乡村道路如砾石路、车辙路；模拟地域特 点的道路，如溅盐路、泥泞路、涉水路、人工设置的越野路等；还包括山区公路和高速环道。这些 道路均经过精心设计和布置，浓缩或强化了道路的典型特征。所以在试验场的汽车可靠性行驶试验 实际是一种加速寿命试验。 汽车可靠性行驶试验的关键是科学地确定试验强化程度，使试验不失真，即保证试验失效 与使用一致。而强化程度受到道路类型、行驶车速、行驶试验里程及循环次数等条件的影响 和约束。试验时，可靠性行驶试验路线应能代表汽车在实际使用时的道路状况，应根据车型的未来 使用条件，选择试验道路种类，串联组成循环。对于载货汽车与城市间的客车、旅游客车等，一般 应选择典型坏路、高速道路和山区道路进行试验，路面应包括沥青路、水泥路等道路，也应包括沙 土路等非铺装道路。越野汽车还应包括部分越野路段，如沙地、泥泞地等自然路面。汽车试验场针 对不同车型制定了不同的可靠性试验行驶规范，对试验路面、试验路线、样车载荷、驾驶操作等做 出规定。一旦试验规范确定，只有在可靠性试验过程中严格执行规范，按照规定的行驶路线、 道路类型、行驶车速和行驶里程行驶，才能保证试验不失真，保证可靠性试验质量，得到准确可信 的汽车可靠性试验结果。 2 汽车可靠性行驶试验的监控 试验规范确定以后，试验工程师的主要工作就是监督试验按规范操作采集试验工况和样车失 效数据，为评价汽车的可靠性提供依据。 由丁：汽车的使用条件复杂，考核其可靠性，试验条件均比较苛刻，试验周期较长。在这样苛刻的 条件r ，长时间的驾驶工作繁重而枯燥，为保证试验驾驶员严格按试验规范要求驾驶和保证可靠性 试验质量，传统方法是每辆试验车上都设一试验员用人工方式监督试验，确保试验工况。 即使采用人工方式，试验样车也只能跑完一种路面的里程，再开始另一种类型的路面的行驶， 比如先跑完高速道路，再跑山区道路，不然会出现统计管理混乱。研究表明，这种试验循环程序与 实际使用时各种路面混合行驶是有区别的，失效分布发生改变，故障存在失真现象。 长期以来技术人员都在研究汽车可靠性行驶试验过程中样车运行工况参数的自动记录问题，曾 经尝试过黑匣子、无线电测向定位、雷达技术来解决，但都没有得到推广。迄今汽车可靠性试验的 过程监控，在国内仍基本处于手工作业阶段，技术水平较低。 东南大学硕士学位论文 3 研究背景及意义 近几年来，随着国内汽车工业的蓬勃发展，市场竞争越来越激烈，再加上政策导向，对汽车质 量提出了越来越高的要求，特别是即将实现的汽车召回制度，对汽车的安全性和可靠性提出更高的 要求，将对汽车行业产生深远的影响。 因此，当前各汽车公司对汽车试验的重视超过以往任何时候，各大汽车试验场可靠性试验样车 数量和年道路试验里程均由上世纪9 0 年代的几十台几十万公里上升到现在的几百台几百万公里以 上。而在汽车可靠性试验方面，却仍然延续着手抄笔录人工统计的工作方式，试验规范得不到严格 的执行，直接影响到试验结果的可信度。而且，如此大的试验量，靠传统的人工方式来组织实施试 验是难以想象的；由于试验条件苛刻，汽车可靠性试验中常常会出现故障、安全等紧急情况，而试 验道路分布范围广，容易出现贻误救援现象。因此，无论从可靠性试验技术进步本身、试验任务量， 还是从试验安全角度出发，都迫切要求对试验车辆行驶状况进行动态跟踪和实时监控管理。 g p s 卫星定位技术的日益成熟使得解决这一难题有了可能。作为一套全天候、全球性和高精度 的连续导航与定位系统，g p s 在车辆监控管理方面的应用，已经有相当大的规模，渗透到了车辆应 用的方方面面，在普通定位导航、调度指挥、监控管理应用方面已经相当成熟。但是g p s 要应用于 汽车试验场这种小地域道路试验的监控，与其它g p s 车辆应用系统相比，有着明显不同的特点和难 点。 首先，精度要求高。一方面汽车试验场道路密集( 见图0 ) ，各种路面问距较小，晟小的只有四 米，因此对各监控目标的定位精度要求都比较高；另一方面，从可靠性行驶里程统计来说，也要求 统计精度能达到有关国家标准的要求。其次是对系统监控目标的实时动态性能有明确要求，本系统 是用于汽车可靠性工况监控管理的实用系统，在监控目标较多时，如果系统轮询目标时间较长，将 出现对试验工况的采样失真，对试验质量有较大影响。第三，车载单元工作环境恶劣，要求其可靠 性好、成本低。汽车可靠性试验里程通常达几万公里，试验路面很差，如车载单元可靠性差，就会 大幅增加系统的使用成本，从而失去实用性。 因此，本文的研究目的是应用g p s 定位技术研制经济实用的汽车可靠性试验监控系统，对汽车 可靠性试验技术的发展具有重要的技术意义和工程应用价值。 图0 总装备部汽车试验场试验道路 4 本文的主要工作 论文结合总装备部f 达的重点科研项目“汽车试验实时动态监控管理系统”的研制撰写，主要 工作有： 1 根据系统需要实现的功能和成本预算，基于c a 码d g p s ，合理选型，利用低成本的语音电 台和j u p i t e rg p s 扳对系统进行硬件设计和集成。 2 实现通信设计：通过各种技术手段提高数据传输速度和轮巡速率；对语音电台和g p s 接收 机0 e m 板进行改造和设计台理的通信方式等。 3 根据硬件设备和功能要求进行软件设计：其中包括g i s 的主监控软件设计；基于s q l 的数 据库模块和进行里程统计的数据统计管理模块设计，实现对监控车辆的可靠性行驶里程自动统计和 报表输出；通过地图匹配技术提高里程统计的精度，达到国家标准的要求。 4 试验和测试：进行设备技术选型试验、不同通信方式的通信试验和不同算法里程统计对比试 验，为硬件设计、软件设计和通信设计提供技术依据，并且在系统调试和试运行阶段进行软件仿真 试验和实车试验；投入实用后进行客户使用试验等，为系统正式投入使用提供依据。 东南大学硕士学位论文 第一章基于c a 码的d g p s 定位原理与技术 1 1 引言 美国政府根据自身需要，在g p s 设计中，提供两种服务。一种为标准定位服务一- - s p s t 利用c a 码( 粗码) 定位，精度约为l o o m ( 在取消s a 政策之后，精度约为1 4 m ) ，提供给民用用户使用；另一 种为精密定位服务一- - p p s ，利用p 码( 精码) 定位，精度可达3 m ，仅提供给军方和特许民用用户使 用，而且接收设备价格昂贵。由于c a 码伪距信号的最大特点是接收设备成本低廉，因此应用十分广 泛，但定位误差较大。进行汽车可靠性行驶试验监控，需要高精度的定位与测速，因此必须消除g p s 定位与测速误差，主要措施是采用差分g p s 技术，提高观测精度。 1 2o a 码的定位原理和误差分析 12 1g p s 卫星信号 g p s 卫星信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码 和数据码。时钟基本频率为t o 2 3 z 。g p s 信号的产生，如幽卜1 所示。 g p s 使用l 波段的两种载频： l 。载波： 丘t = 1 5 4 f o = 1 5 7 54 2 9 h z ，波长五i = 1 9 0 3 2 c m ， l 2 载波：正：= 1 2 0 xf o = 1 2 2 7 6 0 m h z ，波长五2 = 2 4 4 2 0 c m 。 图l lg p s 信号的产生 选择这两个载频目的在于测量出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。 在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上， 此过程即为调制，然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。 g p s 卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的。调制码的幅值只取0 或1 。如果 当码值取0 时，对应的码状态取为+ 1 ，而码值取1 时，对应的码状态取为- 1 ，那么载波和相应的码 。e 第一章基于c a 码的d g p s 原理与技术 状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波与码状态+ l 相乘时，其相位不变，而当与码状态1 相乘时，其相位改变1 8 0 。，所以当码值从0 变l 或从1 变为0 时，都将是载波相位改变1 8 0 。这 时的载波信号实现了调制码的相位调制( 见图1 - 2 ) 。 拔波 l r n “ l 测i j 1 1 * 图1 2 伪随机码的相位调制 根据这一原理，g p s 中的三种信号按图1 - 3 的线路进行合成，然后向全球发射，形成现在随时 可以接收到的g p s 信号。在l 1 载频上由数据流和两种伪随机码分别以同向和正交方式进行调制， 其信号结构为： 图1 - 3g p s 卫星信号构成图 东南丈学硕士学位论文 s ：。= a p p ，( o d c o s ( c o l ，t + p l ，+ 彳c c ，倒d s i n 细，t + 妒- j ( 卜1 ) 在l 2 载频上，只有p 码进行艘向调制，其信号结构为 s i2 = b p p ，俐d ，例c o sr 。2 f + p2 j(1-2) 式中：a p ，昂，a c 分别为p 码和c a 码的振幅： j p 一倒，c ，俐分别为糖码和粗码； d 为数据码； ( t ) l 1 ，f _ o l 2 为载波厶和2 的角频率 妒l ，妒2 为信号的起始相位。 从图上可以看出，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率五( 爿点) 产生的，其中包括： 载波l l ( b 点) ，l 2 ( c 点) ，粗测距码c a ( d 点) ，精测距码( f 点) 和数据码( g 点) 。经卫星 发射天线( 何点) 发射出去。发射的信号分量包括：l i c a 码( ，点) ，l i - p 信号( k 点) ，l 2 - p 信 号( 点) 。 1 2 2c a 码 c a 码是用于粗测距和捕获g p s 卫星信号的伪随机码。它是由两个1 0 级反馈移位寄存器构成 的g 码产生的。如图1 - 4 两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置1 脉冲作用下全处于1 状 态，同时在码率1 0 2 3 m h z 驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为n = 2 ”1 = 1 0 2 3 ，周期为l m s 的 两个m 序列g 1 ( 0 和g 2 ( d 。g 2 ( 0 序列经过相位选择器，输入一个与g 2 ( 0 平移等价的m 序列，然后 与g l ( 0 模2 相加，便得到c a 码。 c a ( t ) = g i ( t ) 0 1 l 嘞) ( i 3 ) ( j 。发。t 1 器 一1 图1 4c a 码构成示意图 ( h ) 1 d ) o ， c a “t t 玎：lr ! ! ：l j 5 0 材，眇 数谢j i = f ， 第一章基于c a 码的d g p s 原理与技术 采用不同的值，可能产生1 0 2 3 个0 2 ( 0 ，再加上g 1 ( ，) 和g 2 ( f ) 本身，共可能产生1 0 2 5 种结构 不同的c a 码供选用。这些c a 码具有相同的码长n = 2 i o _ l = 1 0 2 3 b i t ，相同的码元宽气= 卉= o 9 8 fs ( 相当于2 9 3 i m ) 和相同的周期t u = n t u = l m s 。 从这些g ( o 码中选择3 2 个码以p u n l p r n 3 2 命名各种g p s 卫星。由于c a 码氏很短，易 于捕获，所以c a 码除了作为粗测码外，还作为g p s 卫星信号的捕获码。并由此过渡到捕获p 码。 c a 码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码宽的1 1 0 1 1 0 0 ，则此时相应的测 距误差为2 9 3 2 9 3 。 1 2 3g p s 定位原理 1 2 3 1 基本原理 测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系 统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。 就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知用户接收机 在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d l ，d 2 ，d 3 。只需以三个 发射台为球心，以d i ，d 2 ，d 3 为半径作出三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。如果 只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。这种无线电导 航定位是迄今为止仍在使用的飞机、轮船的一种导航定位方法。 将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会 的原理，便可由三个以上地面己知点( 控制站) 交会山卫星的位置，反之利用三个以上卫星的已知空 间位置又可交会出地面未知点( 用户接收机) 的位置。这便是g p s 卫星定位的基本原理。 g p s 卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星 的位置信息。用户用g p s 接收机在某一时刻同时接收三颗以上 的g p s 卫星信号，测量出测站点( 接收机天线中心) 户至三颗以 上g p s 卫星的距离并解算出该时刻g p s 卫星的空间坐标，据 此利用距离交会法解算出测站p 的位置。 如图1 5 ，设在时刻在测站点，用g p s 接收机同时测得 p 点至三颗g p s 卫星，岛的距离卢l ，p2 ，p3 ，通过g p s j d 电文解译出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标分别为僻，一，岔) ， 图1 5g p s 卫星定位原理 g - - - i ，2 ，3 。用距离交会的方法求解p 点的三维坐标，y rz ) 的观测方程为： 所= ( r 1 ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 ， 店= ( z j 2 ) 2 + ( r 】，。) 2 + ( z z 2 ) 2 虏= ( z ) 2 + ( y 。y ) 2 + ( z z 3 ) 2 ( 1 - 4 ) 东南大学硕士学位论文 在g p s 定位中。g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时的由 g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时的由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进 行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及 差分g p s 定位等。对丁= - 待定点来说，根据其运动状态可以将g p s 定位分为静态定位和动态定位。 静态定位指的是对于固定不动的待定点，将g p s 接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时间， 以确定该点的三维坐标，义叫绝对定位。若以两台g p s 接收机分别置于两个固定不变的待定点上， 则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位则至少 有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻( 观测历元) 运动中的接收机的点位( 绝对点位或相 对点位) 。 根据实际情况，本章只论述伪距测量定位和差分g p s 定位的原理。 l2 3 2 伪距测量 伪距法定位是由g p s 接收机在某一时刻测出的到四颗以上g p s 卫星的伪距以及己知的卫星位 置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信 号到达g p s 接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线 电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离p 与卫星到接收机的几何距离p 有一定差值， 因此一般称量测出的距离为伪距。用c a 码进行测量的伪距为c a 码伪距，用p 码测量的伪距为p 码伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高( p 码定位误差约为1 0 m ，c a 码定位误差为2 0 - 3 0 m ) ， 但冈其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是g p s 定位系统进行导航的最基本的方法， 本系统即采用此定位法。同时，所测伪距又可以作为载波相位测量中解决整波数不确定问题( 模糊度) 的辅助资料。因此，有必要了解伪距测量以及伪距法定位的基本原理和方法。 g p s 卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过r 时间的传播后到达接收机。 接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其延迟时 间r ，将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数r ( r 1 ，则继续调整延迟时间r ，直至自相 关系数r ( # 1 ) 为止。使接收机所产生的复制码与接收到的g p s 卫星测距码完全对齐，那么其延迟 时间r ，即为g p s 卫星信号从卫星传播到接收机所用的时间r7 。g p s 卫星信号的传播是一种无线电信 号的传播，其速度等于光速c ，卫星至接收机的距离即为i 与c 的乘积。 测定自相关系数r ( r 0 的工作由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成。如图1 - 6 ，由卫星 钟控制的测距码口( 0 在g p s 时间f 时刻自y _ g - 天线发出，经传播延迟到达g p s 接收机，接收机所接 收到的信号为a ( t - 0 。由接收机钟控制的本地码发生器产生一个与卫星发播, i n n 的本地码a t f + 一m d f 为接收帆钟与卫星钟的钟差。经过码移位电路将本地码延迟一，送至相关器与所接收的卫星发播 信号进行相关运算，经过积分器后，即可得到白相关系数月( r ，输出： 尉f 0 = ：1l d o f ) 口( ，+ a t 一一) d r ( 1 - 5 ) 第一章基于c a 码的d g p s 原理与技术 r ( r 3 图1 - 6 伪距测量原理 调整本地码延迟r ，可使相关输出达到最大值 r ( f ) = r ( f ) 1 f t l - = t + 4r f ( 1 6 ) 可得 r7 = 7 + 4 f + ”，、 p p + c a l + h a ( 1 7 ) 式中，p 为伪距测量值，p 为卫星至接收机的几何距离，r 为测距码的周期，2 = c t 为相应测距码的 波长，n = 0 ，1 ，2 ，是正整数，c 为信号传播速度。 式1 7 即为伪距测量的基本方程。式中脚称为测距模糊度。如果已知待测距离小于测距码的波 长( 如用p 码洲距) ，则n = 0 ，有 p7 - p + c a t( 1 - 8 ) 称为无模糊度测距。 由式( 1 - 8 ) 可知，伪距观测值p 是待测距离与钟差等效距离之和。钟差4 f 包含接收机钟差矾 与卫星钟差6 ，即z l t = - o t k + d ，若再考虑信号传播经电离层的延迟和大气对流层的延迟，则( 1 - 8 ) 式改写为 p 篁p + 劫1 + 如2 + c 巧k c d f ( 1 - 9 ) 式( 1 - 9 ) 即为所测伪距与真正的几何距离之间的关系式。式中和l ，印2 分别为电离层和对流层的改 正项。瓯的下标k 表示接收机号，d ，的上标，表示卫星号。 从( 1 9 ) 式中可以看出，电离层和对流层改正可以按照一定的模式进行计算，卫星钟差d ，可 以自导航电文中取得。而几何距离p 与卫星坐标( 墨，强z s ) 与接收机坐标伐一z ) 之间有如下关系： p2 = ( 墨圃2 十( t 矽2 + f z s - 刁2 ( 1 - 1o ) 式中卫星坐标可根据卫星导航电文求得，所以式中只包含接收机坐标三个未知数。 如果将接收机钟差也作为未知数，则共有四个未知数，接收机必须同时也至少测定四颗卫星的 距离才能解算出接收机的三维坐标值。为此，将( 1 - 1 0 ) 代入( 1 - 9 ) 式，有 f ( 爿? 一工) 2 + ( 一r ) 2 十( 掣一z ) 2j 1 ”一c j t k = p 。+ 西吖+ 西一c 舀 ( i 1 1 ) 式中j 为卫星数，j = l ，2 ，3 ，。 式( 1 11 ) 即为伪距定位的观测方程组。 1 0 东南大学硕士学位论文 1 2 4g p s 的误差来源及其影响 g p s 测量是通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。测量结果的误差 主要来源于g p s 卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的g p s 测量中( 如地球动力 学研究) ，还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等的影响。表1 - 1 给出 了c p s 测量的误差分类及各项误差对距离测量的影响。 表1 1g p s 测量误差分类及对距离影响 误差分类误差来源对距离测量的影响( m ) 卫星部分 星历误差；钟误差；相对论效应 1 5 1 5 信号传播电离层：对流层，多路径效应 1 5 1 5 信号接收钟的误差：位置误差：天线相位中心变化 15 5 其它影响地球潮汐；负荷潮 1 o 上述误差，按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应， 系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差 无论从误差的大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大得多，它是g p s 测量的主要误差 源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除，因而是本系统研究的主要对象。 系统研究之初，s a 政策也是重要的研究对象，现s a 政策己终止，因此本文不作论述。 13 差分g p s ( d g p s ) 定位原理 1 3 1 差分g p s 定位技术 差分技术很早就被人们所应用。比如相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将 观测值求差；或在两个测站上对同一个目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站上对一个目标 进行两次观测求差。其目的是消除公共误差，提高定位精度。利用求差后的观测值解算两观测站之 间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。 差分g p s 定位技术就是将一台g p s 接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐 标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时的将这一改正数发送出去。用户接收机在 进行g p s 观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。 g p s 定位中，存在着三部分误差：一是多台接收机公有的误差，如：卫星钟误差、星历误差、 电离层误差、对流层误差：二是传播延迟误差：三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通道延迟、 多路径效应。采用差分定位技术，可以完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误著( 视基 准站至用户的距离) 。 差分g p s 定位，称为d g p s ( d i f f e r e n t i a lg l o b a lp o s i t i o n u n gs y s t e m ) ，可分为单基准站差分、具 有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。单站差分g p s 系统结构和算法简单，技术上较 为成熟，适合小范围的差分定位工作。总装备部汽车试验场试验区占地约7 平方公里，移动单元到 基准站的距离不超过5 公里，所以本系统采用单基准站差分。 第一章基于c a 码的d g p s 原理与技术 1 3 2 单站伪距d g p s 定位原理 单站g p s 的差分( s r d g p s ) ，按基准站发送的信息方式来分，可分为位置差分、伪距差分和载 波相位差分三种，其工作原理大致相同。本系统采用的是伪距差分方式。下面简述其工作原理。 在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标( 石，j 5 ，蜀) 和测出的各卫星的地心坐标 ( 只只) ，按f 式求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离肥 r 。= ( x 7 - x o ) 2 + ( y 一y o ) 2 + ( z 7 一z o ) 2 1 7 2 ( 1 - 1 2 ) 其伪距为州，则伪距改正数为 do _ = 科一酲 n 1 3 ) 其变化率为 咖。= 却。m t( 1 - 1 4 ) 基准站将4 p 和和发送到用户，用户在测出的伪距p 上加改正，求出经改正后的伪距： p ：= 【( 一局) 2 + ( 】，一昂) 2 + ( z 一面) 2 】“2 + c 簖+ v i( 1 - 1 4 ) 其中，出为钟差，为接收机噪声。 伪距差分是目前应用最广的一种差分，其优点如下： ( 1 ) 由于计算的伪距改正数是直接在w g s 一8 4 坐标系上进行的，这就是说得到的是直接改正数， 不用先变换为当地坐标，因此能达到很高的精度。 ( 2 ) 这种改正数能提供却和和。，这使得在未得到改正数的空隙内，继续进行精密定位。这达 到了r t c m s c - - 1 0 4 ( 国际海事无线电委员会) 所制定的标准。 ( 3 ) 基准站能提供所有卫星的改正数，而用户可允许接收任意4 颗卫星进行改正，不必担心两者 完全相同。因此，用户可采用具有差分功能的简易接收机即可。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了 系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的，但对于应用于小地域的系统米说，这种误差可 以忽略。与相位差分相比，伪距差分虽然精度不如相位差分，但实现成本远远低于相位差分。 单站差分g p s 系统结构和算法简单，技术上较为成熟，主要用于小地域的差分定位工作。差分 定位的关键技术是高波特率数据传输的可靠性和抗干扰问题，在后面的章节里，会有进一步的研究。 1 3 ，3 差分g p s 定位误差估计 d g p s 消除了g p s 卫星时钟偏差的精度损失，能够显著地减小甚至消除电离层对流层效应和星 历误差的精度损失，使定位精度大大提高，在移动单元距基准站距离1 0 0 k m 左右时，用c a 码作 d g p s 测量的精度估计如表1 - 2 所示。 东南大学硕士学位论文 表卜2c a 码伪距单点定位和d g p s 测量的精度估值( r n ) 类型误差名称g p sd g p s 卫星时钟误差3 oo 0 空间卫星摄动误差1 00 0 其他( 热辐射等) 误差 0 50 0 星历预报误差 4 20 0 控制 其他( 如起飞加速器性能等) 误差0 9o o 电离层时延误差5 o0 对流层时延误差1 50 用户接收机噪声误差 1 52 1 多路径误差 2 52 5 其他( 波道间偏差等) 误差0 50 5 用户测距误差总误差( r m s )8 13 3 用户二维位置误差( 2 d r m s ，h d o p = i 5 ) 2 4 39 9 2 d r m s = 2 h d o p m 。 1 4 本章小结 本章对g p s 和d g p s 的定位原理和技术进行了讨论，并对基于c a 码的伪距测量定位进行了 误差分析，结合系统实际情况，探讨了消除和减弱误差的方法。结果表明，对于汽车试验场这样一 个小地域的监控，采用单站伪距实时差分，可以基本消除卫星时钟偏差和星历误差，能够显著地减 小甚至消除电离层对流层效应和星历误差的精度损失，显著提高了基于c a 码的定位和测速精度， 本章的工作为实现基于c a 码和低成本语音电台的高精度汽车试验监控系统提供了理论基础。 东南大学硕士学位论文 第二章坐标转换算法 2 1 概述 g p 8 接收机所测的的数据，是基于w g s 一8 4 世界大地坐标系的观测值，而本系统显示监 控目标的电子地图采用的是地方坐标系统，这就必须进行坐标变换。对于静态测量来说， 坐标转换工作可在时候处理时进行，而本系统是基于差分的实时监控系统，要求实时给出 地方坐标，这就使坐标转换工作更显重要。 2 2 坐标系统 2 2 1w g s 一8 4 世界大地坐标系 m s 一8 4 世界大地坐标系( w o r l dg e o d e t i cs y s t e m ) 属地心坐标系统。地心坐标系中的“地 心”指地球的质心，根据应用需要可表达为大地坐标( b ，l ，h ) 和空间直角坐标( x ，y ，z ) 。 g p s 卫星导航定位的测量成果，于1 9 8 7 年1 月1 0 日开始采用m s 一8 4 世界大地坐标系，而在此以前， 是采用精度较低的w g s 一7 2 世界大地坐标系。w g s 一8 4 世界大