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西华大学硕士论文 异常工况下汽车稳定性试验与分析 车辆工程专业 研究生李宗迅指导教师巢凯年 随着汽车技术的巨大进步，汽车数量的增多，车速的提高，交通事故已成 为严重的世界性的问题。为了降低交通事故的发生率，减小交通事故造成的损 失，尽可能的避免人员的伤亡，对交通事故的研究受到了各国的普遍重视。目 前对交通事故的研究不再局限于被动安全性和主动安全性的研究，开始关注与 研究事故发生的成因，以及在发生交通事故前的几秒钟的汽车的运动规律，为 驾驶员提供正确的操作方法，尽可能的避免或减小交通事故造成的损失。为了 研究汽车在异常工况下的运动规律，本文进行了基于g p s 和陀螺仪的汽车道 路测试系统的研究，以及汽车在不同附着系数路面上的制动试验和分析。 通过分析g p s 定位原理和陀螺仪的特性，应用g p s 子系统和陀螺仪建立 了汽车道路试验系统，利用m a t l a b 的平台开发了数据处理软件。 根据差分g p s 子系统和陀螺仪组合的道路试验系统，进行了汽车道路试 验，利用数理统计的方法进行了误差分析，验证了差分g p s 子系统具有较高 的定位精度，并对汽车的运动轨迹、速度、航向角进行了对比分析，证明了该 系统满足了汽车道路试验的精度要求。 汽车行驶在附着系数不同的路面上制动时，左右的制动力不等，在回转力 矩的作用下汽车将发生转向。本文应用道路测试系统，主要进行了两侧车轮在 不同附着系数路面上的制动试验，设定的异常工况为：( 1 ) 汽车在胎压正常时 的对开试验；( 2 ) 汽车右前轮胎压降低为0 1 m p a 时的对开试验；( 3 ) 汽车右 后轮胎压降低为0 1 m p a 时的对开试验。最后进行了汽车右前轮为0 2 m p a 和 ，气压为0 1 m p a 时的对比试验以及胎压正常状态下的对接试验。 试验表明，该道路测试系统具有使用方便，处理数据速度快，精度高等特 点。 t 两华大学硕士论文 通过试验分析，在附着系数不同的路面上制动，汽车向附着系数高的一侧 发生转向；右前轮气压为0 1 m p a 并且起始制动速度较高时，右前轮在低附 着系数路面上开始制动，汽车驶出低附着系数路面时将会发生侧翻。汽车右后 轮胎压为0 1 m p a 时，并且右侧车轮在高附着路面上制动时，汽车发生甩尾， 侧偏位移较大，右侧车轮在低附着路面上制动时，汽车向左转向，但侧偏位移 较小。 关键词：g p s ，陀螺仪，汽车，道路试验，交通事故 i i 两华大学硕士论文 v e h i c l es t a b i l i t yt e s ta n d a n a l y s i su n d e r a b n o r m a ll 0 n n l t l o n s 1 a b s t r a c t w i t ht h et r e m e n d o u sp r o g r e s si na u t o m o t i v et e c h n o l o g y , t h em i g h t yi n c r e a s e i nt h en u m b e ro fc a r s ，t h ei m p r o v e m e n to ft h ec a rs p e e d ，t r a f f i ch a sb e c o m ea s e r i o u sg l o b a lp r o b l e m i no r d e rt or e d u c et r a f f i ca c c i d e n t sa n dl o s s e sc a u s e db y t r a f f i ca c c i d e n t s ，a sf a ra sp o s s i b l et oa v o i dc a s u a l t i e s ，as t u d yo ft r a f f i ca c c i d e n t s h a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho nt r a f f i ca c c i d e n t sa r en ol o n g e r l i m i t e dt op a s s i v es a f e t ya n da c t i v es a f e t y r e s e a r c h e r sb e g i nt op a ym o r ee f f o r t so n t h ec a u s e so fa c c i d e n t s ，a sw e l l 鹪t h em o v e m e n to fv e h i c l e si ne v e n t saf e w s e c o n d sb e f o r ea c c i d e n t sh a p p e n e d t h er e s e a r c hr e s u l tc a ng i v em o r ec o r r e c t m e t h o do fo p e r a t i o nt ot h ed r i v e r ，嬲m u c ha sp o s s i b l et oa v o i do rr e d u c el o s s e s c a u s e db yt r a f f i ca c c i d e n t s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec a l i nt h em o v e m e n to f a b n o r m a lc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rc o n d u c t e das t u d yo fv e h i c l er o a dt e s ts y s t e mb a s e d o ng p sa n dg y r o s c o p e s ，a n da u t o m o b i l eb r a k et e s t i n ga n da n a l y s i si nd i f f e r e n tr o a d a d h e s i o nc o e f f i c i e n t b ya n a l y z i n g t h ep r i n c i p l eo fg p sp o s i t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f g y r o s c o p e s ，t h i sp a p e ru s i n gg p ss u b s y s t e ma n dg y r o s c o p e ，e s t a b l i s h e dv e h i c l e r o a dt e s ts y s t e m , u s i n gm a t l a b p l a t f o r md e v e l o p e dd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t i a lg p ss u b s y s t e ma n dg y r o s c o p e so f t h er o a dt e s ts y s t e m s ，w ec o n d u c tav e h i c l er o a dt e s t , u s i n gt h em e t h o d so f m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sc a r r i e do u te r r o ra n a l y s i s ，v e r i f yt h ed i f f e r e n t i a lg p s p o s i t i o n i n gs y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o n , c a l t yo u tac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e t r a j e c t o r i e so fv e h i c l e s ，s p e e d ，h e a d i n ga n g l ea n di ts h o w s t h a tt h es y s t e mm e e t st h e a c c u r a c yr e q u i r e m e n t so f c a rr o a dt e s t s w h e nt h ec a ro nd i f f e r e n tr o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n tb r a k e s ，t h eb r a k i n gf o r c e i nt h et w os i d e si sn o te q u a l ，t h e nt h ec a l w i l lh a v eat u r nu n d e rt h er o t a r yt o r q u e i i i 西华大学硕士论文 i nt h i sp a p e r , u s i n gt h er o a dt e s ts y s t e m ，b r a k i n gt e s ti sm a i n l yc o n d u c t e dw h e n b o t hs i d e so ft h ew h e e la rei nd i f f e r e n tr o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n t , a b n o r m a l w o r k i n gc o n d i t i o n sa r es e tt h a t ：( 1 ) b r a k i n gt e s to ns e p a r a t et tr o a d 、航廿ln o r m a l p r e s s u r e ；( 2 ) b r a k i n gt e s to ns e p a r a t epr o a d 谢t 1 10 1m p ap r e s s u r eo fr i g h tf r o n t w h e e l ；( 3 ) b r a k i n gt e s to ns e p a r a t epr o a dw i t ho 1m p ap r e s s u r eo fr i g h tr e a rw h e e l f 砌l y ，c o n t r a s tb r a k i n gt e s tw a sc a r r i e do u tw h e nt h er i g h tf r o n tw h e e li s a t p r e s s u r e0 2 m p aa n d0 im p a a sw e l la sd o c k i n ge x p e r i m e n ta tn o r m a lp r e s s u r e t e s t ss h o w e dt h a tu s eo ft h er o a dt e s ts y s t e m s ，d a t ap r o c e s sq u i c k l yw i t hh i 曲 p r e c i s i o n t h r o u g he x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，b r a k i n go l lt h ed i f f e r e n ta d h e s i o nc o e f f i c i e n t r o a d ，t h ec a rt u r n st ot h es i d eo fah i g ha d h e s i o nc o e f f i c i e n t w h i l et h er i 咖f r o n t w h e e li so nt h el o wa d h e s i o nc o e f f i c i e n tr o a d 谢lo 1m p a p r e s s u r e ，b r a k i n gw i l l m a k et h ec a rr o l l o v e rw h e ni tp a s s e st o w a r d sh i g ha d h e s i o nc o e f f i c i e n tr o a df r o m l o wa d h e s i o nc o e f f i c i e n tr o a d ；w h e nr i g h tr e a rw h e e li s a to 1m p ap r e s s u r ea n d r i g h ts i d ew h e e li sa th i g ha d h e s i o nc o e f f i c i e n tr o a d ，b r a k i n gm a k e st h ec a rf l i c k w i t hl a r g el a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，t h ec a l t u r n sl e f tw h e nt h er i g h tr e a rw h e e la tl o w a d h e s i o nt o e 伍c i e n tr o a dw i t hl i t t l el a t e r a ld i s p l a c e m e n t k e y w o r d s ：g p s ，i m u ，a u t o m o b i l e ，r o a dt e s t ，t r a f f i ca c c i d e n t s w 西华大学硕士论文 声明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加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，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 导师签名： 其 理e i f 只踟 西华大学硕士论文 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，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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：劣鲁童乙 指导教 日期：z 咖 、功 日期 西华大学硕士论文 l 绪论 1 1 引言 汽车作为一种方便快捷的交通运输工具，广泛的应用于社会生活得各个领 域。汽车的广泛应用促进了汽车工业的发展，截止2 0 0 9 年3 月，我国的汽车 保有量超过了6 4 8 9 万辆，任何事物都带有两面性，汽车在改善人们生活质量 同时也带来了危害。我国公路的建设速度远远落后于汽车的发展，使公路交通 越来越明显的呈现两个特点：汽车行驶的高速化，车流密集化。随着汽车数量 的增加，道路的拥挤，随之而来的道路交通事故成了一大社会公害。2 0 0 8 年 我国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，因交通事故死亡7 3 4 8 4 人，3 0 4 9 1 9 人受 伤，直接造成的经济损失1 0 1 亿元【l 】。我国是世界上交通事故最严重的国家之 一，严峻的现实使人们开始重视汽车交通事故的研究。正确地处理汽车交通事 故，分析事故产生的原因，不仅可以合理判定当事各方的责任，而且可以从事 故中引出许多有益的教训，为对交通安全进行更深入的分析和研究提供许多宝 贵的、用其它方法难以获得的数据和教育素材，也可为汽车主动安全设计提供 重要的资料。 目前的汽车试验主要是研究汽车在良好的状态下的性能，主要为动力性、 燃油经济性、操纵稳定性及制动性等。随着电子技术的发展，在汽车试验研究 上已经有了精确的测试仪器和试验方法。随着人们对安全性的要求越来越高， 对汽车的安全性研究越来越被关注。汽车的安全问题分为两大类，一类为主动 安全性，一类为被动安全性。早期的安全研究主要是在被动安全性研究，针对 汽车发生交通事故时对驾驶员和成员的保护。近年来，主动安全性的研究主要 是在汽车的控制上，通过电子控制系统使汽车跟踪理想路径，尽可能的减少交 通事故。通过安全性的研究，在很大程度上降低了交通事故的发生率，减少人 员的伤亡。然而通过被动安全性和控制方面的主动安全性研究并不能彻底的避 免交通事故的发生。道路交通是一个复杂的人、车、路混合系统，只有解决 了三方面的问题，才能根除交通事故的发生，然而一步解决所有的问题是不现 实的。大部分交通事故都是汽车速度过高，遇到危险情况驾驶员来不及做出反 应或者采取了错误的操作造成的。据统计我国拥有驾驶证的人数超过1 8 亿， 而且呈现驾驶员非职业化的趋势。这就有必要研究汽车在异常工况下的运动规 西华大学硕士论文 律，为在各种异常工况下的操作提供理论依据和操作方法。 我国的交通事故研究起步比较晚，缺少详实的事故数据，没有完整的道路 交通事故分析数据库。用各种车辆进行模拟危险状态下汽车的运动，提取汽车 的运动参数，再现交通事故的现场，不失为建立我国交通数据库较好的办法。 本文就是利用先进的g p s 和陀螺仪组合的汽车道路试验系统，研究某些异常 工况下的汽车运动规律，建立一个交通事故数据库平台，这个平台的建立，可 以为科研机构、交警部门、道路规划、医疗保险机构等提供交通事故研究数据， 同时也为非职业驾驶员指导在异常工况下采取何种操作可以将危害降至最小。 1 2 国内外研究的现状 对于交通事故的研究远远落后于对汽车试验的研究，国外起步于2 0 世纪 3 0 年代，对汽车安全性的研究最早出现在美国和欧洲，日本对汽车安全性的 研究比欧美落后十年左右。由于我国的汽车工业整体水平落后，对交通事故的 研究2 0 世纪末才发展起来。 国外对汽车被动安全性的研究有了很长的时间，但对于造成交通事故的成 因的研究要落后被动安全性的研究几十年。最早成立的事故调查小组是1 9 6 9 年成立的沃尔沃卡车事故调查小组，其主要目的是调查并了解各种事故发生的 原因。自从成立之日起，调查了3 6 0 0 0 多起事故，创建了一套研究模型和方法 预测碰撞发生前和发生中的连锁反应，建立详细的事故调查信息库。美国，波 兰等国家的很多科研院校进行了汽车爆胎试验的研究，研究汽车爆胎后汽车的 运动规律。奥地利交通事故再现软件p c c r a s h 通过回推事故发生前的汽车运行 状态，分析事故原因。2 0 0 7 年，沃尔沃交通事故研究中心在泰国建立交通事 故研究中心，促进了对交通事故原因的研究以及研究在事故发生前的几秒钟和 事故发生时几秒钟的应急操作【2 】。 我国对交通事故的研究刚刚起步。最早对汽车安全性研究的是吉林大学， 主要研究的是汽车的被动安全性。2 0 0 5 年大众汽车与同济大学联合进行交通 事故的研究，主要是通过对汽车安全设施、交通道路和驾驶行为的改变来提高 中国道路交通的安全性。该研究不仅是调查发生交通事故的车辆和道路情况， 还要研究驾驶者及其驾驶者的行为以及其他交通事故涉及的人员【3 l 。清华大学 2 西华大学硕士论文 研制了道路交通事故再现分析系统，沃尔沃汽车、卡车和客车公司拟在中国建 立联合交通事故研究中心，这些将加快我国对交通事故的研究。到目前为止， 我国还没有建立完善和统一的交通事故数据库，对于一些特定的危险行驶工况 还缺少试验分析。 1 3 研究的目的和意义 我国是汽车数量增加最快的国家，而且我国的道路交通是一个车、人、路 的混合系统，这些特点造成了我国是一个交通事故最严重的国家之一。我国的 驾驶员平均驾龄在2 5 年，缺少驾驶经验，尤其在遇到危险的情况下，驾驶员 往往惊慌失措，采取不适当的操作，加重了交通事故造成的损害程度。目前， 我国对交通事故的研究还在起步阶段，还没有统一的标准和完善的交通事故分 析数据库。中国的驾驶员在拿到驾驶证以前几乎没有驾驶过汽车，拿到驾驶者 以后就要面对中国复杂的道路交通系统，而且没有交通事故数据库可以查询在 各种异常工况下的应急操作方法，因此十分有必要研究在不同异常工况下的汽 车运动规律。 本课题研究的目的在于通过汽车试验研究在不同危险工况下的汽车运动， 分析汽车的运动规律，再现交通事故发生前的汽车运动状态，研究在不同的异 常工况下应采用怎样的操作才能避免交通事故、避免人员伤亡、尽可能的减小 交通事故造成的损失，同时为交通事故的分析提供数据依据。 本课题研究的意义通过试验进行交通事故的研究，有利于找出交通事故发 生的原因，探索降低交通事故发生率的对策，减少人员的伤亡以及国家的损失。 通过试验再现交通事故发生前几秒钟的运动状态，还可以检验汽车安全性能的 高低，发现汽车在安全方面的缺陷，得到解决问题的新方法，以及衍生新的科 技产品，推动汽车在安全领域的发展以及科技的进步。目前很多保护驾驶员和 乘客的安全设备已被广泛的应用，例如安全气囊、安全带、侧面防碰撞装置等， 以及提高汽车稳定性的电子设备例如a b s 、e s p 等。 1 4 主要研究的内容 1 利用g p s 、陀螺仪和笔记本电脑组合成汽车道路试验数据采集系统。 3 西华大学硕士论文 2 根据g p s 和陀螺仪的数据结构确定软件的基本算法，进行软件界面的 设计，编写程序代码以及调试测试程序。 3 利用整车试验，检测试验系统的正确性。 4 模拟典型的交通事故，进行汽车道路模拟试验，从采集的数据中提取 测量试验汽车在特点状态下的速度、横摆角速度、侧倾角、俯仰角、侧向加速 度、纵向加速度等运动状态参数。通过对以上参数的研究，分析汽车的运动规 律，研究发生交通事故的原因，为交通事故的分析研究积累数据，研究在交通 事故发生前几秒如何操作能将伤害和损失降至最低。 4 西华大学硕士论文 2g p s 系统原理及应用 2 1 引言 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称，是随着现代化 科学技术的发展而建立的新一代精密卫星定位系统，是继阿波罗登月计划和航 天飞机计划后的又一空间技术成果。全球定位系统是美国政府从2 0 世纪7 0 年代开始研制，历经2 0 年，于1 9 9 4 年建成并投入使用，它具有全球性、全天 候、连续性和实时性的三位导航定位和定时的功能；具有全球范围内连续覆盖、 实时定位、定位精度高、应用广泛等特点。随着全球定位系统的不断改进，软 硬件的不断完善，g p s 系统已经广泛的应用在军事、交通运输和测量等。目 前，g p s 已经广泛的应用在汽车的导航上，随着g p s 差分的应用，定位精度 的提高，差分g p s 系统在汽车性能测试上得到了推广。g p s 技术的产生和发 展，是空间信息技术的重大突破，不但是传统测量理论和方法发生巨大的变革， 而且对其他相关信息技术领域产生深远影响1 4 - 5 j 。 2 2g p s 系统的组成 2 2 1 g p s 系统的构成 g p s 系统由三部分组成：空间部分即g p s 卫星星座、地面监控部分和g p s 用户部分网。这三个部分对g p s 系统的正常工作所起的作用各不相同，缺一 不可。 2 2 2 空间部分 空间部分由2 4 颗g p s 卫星组成，这也是g p s 系统中关键的部分。其中 2 1 颗为工作卫星，3 颗为备用卫星。每颗卫星都配备4 个原子钟，为卫星提供 高精度的时间标准。这2 4 颗卫星均匀的分布于6 个轨道平面上，每个轨道面 均匀的分布着4 颗卫星。轨道面相对赤道面倾角为5 5 0 ，相邻轨道的升交点赤 经各相差6 0 0 。轨道距地面的平均高度约2 0 2 0 0 k m 。一天绕地球运行两周，每 周运行时间约1 2 个恒星时( 1 1 小时5 8 分钟) 1 5 j 。这种布局的优点就是当截至高 度角取1 5 0 时，可以保证全球的任何一点在无障碍物阻挡的情况下任何时刻均 能观测到4 颗以上的卫星。 5 西华大学硕士论文 f i g2 - 1f i g u r eo f t h es a t e l l i t e so r b i t 图2 - 1g p s 卫星轨道图 g p s 卫星的功能： 向用户连续的广播用于进行导航定位的测距信号和导航电文； 接收地面监控站的指令，维持空间部分的正常运行； 对定位信息进行预处理。 2 2 3 地面监控部分 g p s 的地面监控部分的任务是跟踪g p s 卫星，确定卫星运行的轨道及卫 星钟的偏差，把这些信息按照规定的格式编制成导航电文，通过注入站传送给 g p s 卫星。它由1 个主控站、3 个信息注入站、5 个监测站和辅助系统组成。 主控站位于科罗多州的联合空间工作重心，是整个地面监控系统的技术中 心。其主要功能是：根据各监测站的观测资料，计算和预报卫星轨道卫星钟差， 并计算大气层的修正参数，把这些数据编制成导航电文传送给注入站；提供全 球定位系统的时间基准，调整卫星轨道，维持整个系统的正常运行。 监测站是无人值守的数据自动采集中心。其主要功能是：通过气象传感器 测定并记录气象因素；对视场中的g p s 卫星进行伪距测量；对测量和记录的 数据传送给主控站。 注入站是向g p s 卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。其主要任务 是在主控站的控制下将主控站计算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他 控制指令等注入到g p s 卫星中，并检查注入星系的正确性。 通信和辅助系统主要是指数据传输以及其他辅助服务。 6 两华大学硕士论文 2 2 4 用户部分 用户部分主要指的是g p s 接收机，根据需要的不同，现已为用户研制出 了多种类型的接收机，一般可分为导航型、测量型和授时型。按硬件分为天线 单元和接收单元。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。 g p s 接收机的功能：搜索卫星、接收g p s 卫星发射的信号、获得导航和 定位信息以及观测量，经过简单的数据处理，实现实时的卫星导航和定位。 2 3g p s 系统定位原理 g p s 卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信息 资源。陆地、海洋和空间的用户，只要持有一种能够接受、跟踪、变换和测量 g p s 的接收机，就可以全天时，全天候和全球性的测量运动载体的状态参数 和姿态参数。g p s 系统定位根据参考点的不同，可分为绝对定位和差分定位。 无论那种定位方法，都是g p s 卫星连续的向用户发送它的测距信号和导航电 文等信息，用户接收到根据卫星星历所给出的观测瞬间卫星的星历和位置等， 经过处理这些信息之后得出g p s 天线的三维位置，三维方向，运动速度和时 间信息【4 】“阴。 2 3 1 绝对定位原理 绝对定位又称为单点定位，是以地球的质心为参考点，确定接收机天线在 w g s 8 4 坐标系中的绝对位置。该方法的优点定位实现简单，仅需要一台g p s 接收机，数据处理也较为简单。根据接收机的运动状态，绝对定位分为静态绝 对定位和动态绝对定位。 g p s 采用高轨测距体制，以观测站和卫星之间的距离作为测量值。为获 得距离观测量主要有两种计算方法：一是测量卫星发射的测距码( c a 码或p 码) 信号到达用户接收机的距离；二是测量接收机接收到的具有多普勒频移的 载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。无论测距测量还是载波 相位测量，g p s 定位的方法实质上测量g p s 卫星与接收机的距离，。 已知三个互不相关的三个观测点，为了确定空间一点的坐标，求解三个独 7 西华大学硕士论文 立的距离就可以确定。由于卫星时钟与用户接收机的时钟难以保持严格的同 步，实际上观测的接收机和卫星之间的距离，存在着因时钟影响引起的误差， 这种测量叫做伪距离测量。卫星时钟通过卫星导航电文中提供的相应钟差参数 加以修正，而接收机的钟差难以预先准确测定。为了消除接收机时钟的影响， 一个接收机至少必须同步观测到4 颗卫星f l o 】【1 3 j 。 伪距离测量该方法的优点定位实现简单，但是定位精度较差。设： 露表示卫星f 发射信号时的理想g p s 时刻； r 。表示卫星i 发射信号时卫星钟时刻； 疋表示接收机收到该卫星信号时的理想g p s 时刻； r 表示接收机收到该卫星信号时接收机钟时刻； f 表示卫星z 的信号到达接收机的传播时间； & 表示卫星钟相对于理想g p s 时间的偏差； 缸表示接收机钟相对于理想g p s 时间的偏差。 以理想g p s 时间为标准，则有： = 聪+ f z = t + a t 卫星信号传输时间为： 下= t 一瓦= t 一瑶+ a t 一岔 卫1 1卫墨2 卫量3 卫量 f i g2 - 3s i n g l ep o s i t i o n 图2 - 3 单点定位 8 西华大学硕士论文 再计入信号传播过程中经历电离层、对流层以及多经延迟等误差，得到： f = t 一巧+ a t a t l + 岔二+ & 二+ & 二 将上式两边同乘光速c ，得到 p 。= r + c a t + c a t c a t l + c a t i s o n + c f 幺+ 出名 ( 2 一1 ) 式中r7 = 一x7 ) 2 + o y 甲+ q z 7 ) 2 ，是接收机至卫星的空间距离， 西，弘z ) 、( x7 ，夕，z ) 分别为接收机和卫星f 在地球质心空间直角坐标系中的三 维坐标。p 是实际上可测得的接收机距g p s 卫星f 观测量。由于卫星钟差岔 可由地面监控系统测定并通过卫星广播的导航电文提供给用户，电离层、对流 层和多路径的传播延迟础二、础乞和出二口，可以通过导航电文提供的参数 模型进行校正，因此方程( 2 1 ) 中有x ，y ，z ，a t 四个未知参数，若g p s 接收机能同时对四颗卫星进行观测就可以解出四个未知量，那么待测点的坐标 就可比较精确的求解出来了。 2 3 2g p s 差分定位技术 2 3 2 1g p s 差分定位的发展 由于g p s 定位系统在军事上有很重要的作用，美国政府实行s a 政策， 把未经美国政府授权的广大用户的实时单点定位精度降低到如下水平：平面位 置的误差小于或等于1 0 0 m ( 置信度为9 5 ) ；高程误差小于或等于1 5 6 m ( 置 信度为9 5 ) ，以确保美国的国家安全利益不受侵害。自2 0 0 5 年，美国政府 取消了s a 政策，但单点定位的精度只能到达2 0 一- 4 0 m ，定位精度过度，极大 的限制了应用范围和用户数量。 差分g p s 就是在消除美国政府s a 政策的背景下建立起来的。差分定位 大幅度提高了实时单点定位精度，并取得了重大的进展。目前，大部分g p s 接收机已具备了实时差分的功能。商业性的差分g p s 服务系统的建立，也标 志着差分g p s 已进了使用阶段。 差分g p s 技术具有较快的发展速度。从仅能提供坐标修正数或距离修正 数发展为目前的能将各种误差影响分离出来，向用户提供卫星星历修改、卫星 钟钟差改正和大气模型等各种改正信息。数据通信通道从无限电台发展为利用 广播电视部门的空闲信号或利用卫星通信，大幅度的增加了信号的覆盖面。差 9 西华大学硕士论文 分修正信号的结构、格式和标准日趋完善。差分g p s 系统也从最初的单基准 站差分系统发展到多个基准站的区域差分和广域差分系统 2 3 2 2 差分g p s 原理 影响g p s 实时单点定位的因素主要有：卫星星历误差、电离层延迟误差、 对流层延迟误差、卫星钟的钟差等，如果两个接收站相距较近，那么上述误差 具有较好的相关性，因此，如果已知一个观察点的坐标，那么就可以确定g p s 定位时的误差。 利用上述思想，财g p s 差分定位的原理：在差分定位系统钟中，先确定 一个己知地心坐标的基准站，基准站与观测站同步观测相同的g p s 星座，同 时基准站通过广播信号或卫星信号不断的发送误差信息，各个观测站在接受 g p s 信号的同时还要接受基准站的信号，消除上述因素造成的误差，解算出 精确定位坐标。基准站是静止的，可以通过统计的方发进行确定，定位误差达 到厘米级，( 置信度为9 5 ) 。 差分g p s 系统根据构成基准站的个数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。根据信息的发送方式又可分为伪距 差分、相位差分及位置差分，这三种差分的原理基本是相同的，由基准站发送 修正数，由用户站接收并对其测量结果进行修正，以获得精确的定位结果。所 不同的是，发送修正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。相位差分 定位精度较高，伪距差分定位精度次之，位置差分定位精度最低。下面就以单 基准站相位差分( d g p s ) 为例说明差分定位的原理【4 jo 】。 单基准站载波相位d g p s 测量，其基准接收机测得的载波滞后相位为： 圳+ 九q + 巾j o ) = p ；o ) + 掣九+ 舡；一饵纠 ( 2 - 2 ) j 式中： 九g p s 载波波长，单位为米； ：基准接收机对g p s 卫星作载波相位测量的波数； c ：( f ) 在时元r 的多普勒计数； q ：o ) - 在时元f 的小于一个周期的观测值，单位为m 。； 1 0 西华大学硕士论文 p ；0 接收机至观测卫星的真是距离； z p ) 电离层效应影响系数； 厂载波频率，单位为h z ； 饵o ) 接收机钟差； 魂：o ) 卫星钟差； c 光速。 由已知基准站的三维坐标和第f 颗g p s 在时元f 的轨道位置，可以求解出 基准站至第f 颗g p s 在时元矿的真是距离p ：，可求得g p s 载波相位测量的 校正值： 叩；o ) = p ：( 痧一队彬+ 九c ：0 + 巾：o ) 】 = 一掣九一c k ：o ) 一d r ( t ) ，】( 2 - 3 ) 动态接收机所测得的载波滞后相位为： 州+ 蟛o + 9 = p ：o + 学九+ c 阢i o ) 一犯纠 动态接收机接受基准站发来的g p s 载波相位校正值p ；d 后， 得的载波滞后相位为： p ：o ) + 九( j 吒一：) + 九【c 蠢( 力一c ：o ) 】+ b ：) 一甲：( 明： ( 2 - 4 ) 则它所测 p ：o ) + 睾1 4 ；o ) 一4 0 ) 】一c a r k ( t ) 一a f r o + c h ：( f ) 一班；纠 ( 2 5 ) j 则移项得： p ：o ) + 九o 吒一；) + 九【c ；o ) 一c ；o ) 】+ i p ；( 力一9 ；( 劫一c h ：( 力一a t ( 纠： k o ) 一x 。( f ) 】2 + 【y o ) 一e o ) 】2 + 【z ( d z 。o ) 】2 + 却。 ( 2 6 ) 式中： p ；o ) = k 。( f ) 一x 。o ) 】2 + k ，o ) 一e ( f ) 】2 + 【z ，( 痧一z 。o ) 】2 西华大学硕士论文 d q ) k - 拿k o ) 一4 啡把o ) 一皿例 从上式的可知，除了x o ) ，y o ) ，z 外，就只有( m 一矿) 为未知 量，按g p s 载波相位测量的解算方法，即可以解算出波数差( 以一n ；) 。因 此，要结算出用户的空间三位坐标，就需要动态接收机和基准站均观测到4 颗以上的卫星。 2 4 本章小结 本章简单介绍了g p s 发展的历史和特点，主要阐述了g p s 系统的组成、 和g p s 定位原理。根据g p s 定位原理详细分析了g p s 单点绝对定位和差分定 位的计算方法。单点动态定位的精度低，根据导航电文进行修正，仍不能满足 汽车试验测试的要求，单点绝对定位的精度可以达到厘米级，但缺陷是g p s 的天线是相对大地固定的。为了建立精度比较高的汽车动态测试系统，结合单 点绝对定位和单点动态定位的优点，采用载波相位差分定位，可以消除卫星时 钟偏差和星历误差，提高了定位精度，该系统满足了汽车试验的精度要求。 1 2 西华大学硕士论文 3 测试系统的硬件组成 3 1 测试系统的总体框架 本测试系统是一套车载测试系统，在汽车的行驶过程中，实时的采集试验 汽车的数据。该传统由三个子系统组成，其硬件分别为差分g p s 系统、惯性 测量系统陀螺仪和笔记本电脑，其软件为数据采集软件和数据处理软件两部 分。 本测试系统与非接触汽车性能测试仪相比，可以获得较高的试验精度，而 且十分方便和精确的确定汽车的运动轨迹，满足了现代汽车使用条件复杂，行 驶速度高的要求。利用差分g p s 能描绘出汽车的运动轨迹，这是非接触式测 试仪器所不具有的功能，这也解决了汽车速度难以测定的问题。 汽车动态_试系统_彳?了i件 差分g p s 系统 姿态参考系统 笔记本电脑 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m o t i v et e s ts y s t e m 图3 1 汽车运动性能测试系统组成 本系统的工作流程为：g p s 基站和移动站搜索g p s 卫星，接受g p s 卫星 信号，基站在接受卫星信号的同时，通过电台发送差分修正信息；移动站在接 受g p s 卫星信号，同时接受基站发来的修正信息修正其实测伪距，然后将处 理后的定位信息传送给笔记本电脑。姿态参考系统测量汽车的横滚角、俯仰角、 航向角、绕x 、y 、z 三个轴的转动角速度以及在x 、y 、z 三个轴向上的加速度， 同时通过r s - 2 3 2 串口将汽车的状态参数传送至笔记本电脑。由于g p s 和姿 态参考系统的时钟不同，采样的频率也不相同，则要求在试验时同步读取串口 数据。然后经过数据处理，计算出汽车的速度，加速度，航向角等状态参数。 1 3 集 理 采 处 据 据 数 数 西华，l = 学硕十论文 3 2 差分g p s 系统 差分g p s 系统是汽车动态测试系统的主要硬件部分，该子系统由基准站 g p s 子系统、移动站o p s 子系统和实时传输g p sr t k 差分数据的数据链子系 统组成，如图( 3 - 2 ) 所示。该试验系统采用的是诺瓦泰公司o p s n o v a t e l d l - 4 p l u s 产品。g p s 信号接受机能够快速的捕获和中断后再捕获o p s 信号，能够 较好的应用在信号经常中断的环境中。d l - 4p l u s 将高性能的微处理器和脉冲 孔径相关技术( p a c ) 相结合，从而使得接收机能够更有效的削弱多路径效应的 影响，减小定位误差。基准站和移动站的设备基本相同，主要包括n o v a t o l g p s 接收机、n o v a t e lg p s 天线、同轴天线线缆、各种数据线、外部供电电源设各、 笔记本电脑。电台的设备主要包括发射天线，接受天线、基准站电台、电台电 源以及信号传输线。 f i g 3 - 2t h ef r a m eo f r t ks y s t e m 圈3 - 2r t k 系统框絮图 1 4 西华大学硕士论文 3 2 1g p s 天线 天线由g p s 天线和前置放大器两部分组成，g p s 天线的作用是将极弱的 卫星信号电磁波能转化为相应的电流，前置放大器的作用是放大g p s 信号电 流。 f j 9 3 3g p s7 0 2 a n t e n n a 图3 - 3 g p s7 0 2 天线 本系统基站和移动站采用的天线是一样的，为n o v a t e lg p s7 0 0 系列天线， 该天线具有稳定的零相位中心，并配有环境密封的天线罩，自身带有扼流圈， 能够削弱多路径效应的影响，可用于测量和其它动态定位中。扼流圈的独特结 构在很大程度上也减少了g p s 信号中的多路径效应影响，这主要是因为它降 低了天线低仰角信号的增益，而低仰角的信号中包含有多路径误差的影响。通 过减少多路径效应引起的测量误差，可以提高定位结果计算的准确性。 天线和接受机之间的数据传输线为同轴线缆，线缆的两端均为t n c 接头， 在传输g p s 信号的同时，可以对g p s 天线供电。 3 2 2g p s 接收机 o p s 接受机的主要功能是：对经过放大和变频处理的信号进行跟踪、处 理和测量。本系统的基站和移动站的接受机基本相同，其基本组成单元如图 ( 3 - 4 ) 所示。 j ， l 疹 _夕 两华大学硕十论文 f i 9 3 _ 4 ( 3 p ss t n l c t u r e o f t h es i g n a lr e c e i v e r 图3 - 4g p s 信号接收机的基本构成 本系统基站的接收机型号为n o v a t e | d l - 4p l u s ，如图( 3 - 5 ) 所示：其前 面板有l c d 显示和键区，键区包括e n t 和e s c 按钮。 f 培3 - 5n o v a t e ld l - 4p l u sg p sr c e e i v e r 图3 4 n o v a l e l d l - 4p l i l s g p s 接收机 d l 4p l u s 接通电源后首先进行自检。它有两种低功耗模式：睡眠模式和 省电模式，这两种模式的区别在于开始和终止工作的方式不同，但在电力消耗 上没有差异。d l - 4 口l u s 具有以下的特点：接通电源后首先进行自检，开机后 自动记录数据以及进行系统监控。 移动站的