（车辆工程专业论文）基于gps与陀螺仪的汽车运动性能测试.pdf

西华大学硕士学位论文 基于g p s 与陀螺仪的汽车运动性能测试 车辆工程专业 研究生付江华指导教师巢凯年 随着车速的提高，人们对汽车主动安全性的要求越来越高，汽车性能测试 在世界各国受到了普遍重视。为了适应新时期汽车试验的高精度、高效率的测 试要求，本文进行了基于g p s 和陀螺仪的汽车运动性能测试系统的研究。 诺瓦泰公司的g p s 产品n o v a t e ld l - 4p l u s 和p r o p a k g 2 ，具有快速捕获 和再捕获g p s 卫星信号，能较好地应用于动态测试中。姿态航向参考系统 x w - a h r s5 1 0 0 采用可靠性和稳定性很高的i m e m s 传感器，在恶劣的环境 下仍具有很高的可靠性。本文根据国际国内最新试验标准，使用诺瓦泰公司 g p s 接收机和姿态航向参考系统x w - a h r s5 1 0 0 等仪器，在l a b v i e w7 1 软 件开发环境中采用模块化设计思想，开发了基于g p s 和陀螺仪的汽车运动性 能测试系统。该系统可分为动力性试验、制动性试验、操纵稳定性试验和汽车 运动参数测试四大模块。 在对g p s 定位数据和陀螺仪数据处理中，通过高斯一克吕格投影变换将 g p s 解算出的经纬度变为平面坐标x 、y ，由x 、y 值和时间求出汽车的速度 和加速度；同时将姿态航向参考系统x w - a h r s5 1 0 0 发送过来十六进制代码 进行数据解码，由解码后的汽车航向角可知汽车纵轴线所在位置。该纵轴线与 汽车质心速度方向的夹角即为汽车质心侧偏角，根据质心侧偏角和汽车质心速 度可求出汽车纵向速度和侧向速度。 本系统操作简便，界面美观，测试过程中能实时绘制汽车行驶轨迹，汽车 运动参数以数据和曲线两种方式显示，这将直观形象地展示汽车测试过程中各 运动参数。将仪器x w - a h r s5 1 0 0 测试出的加速度与由g p s 定位信息求解出 的加速度相对比，两者吻合。本系统能基本满足试验要求，但在实时性处理方 面存在一定的滞后，这有待于进步完善。 关键词：g p s ，陀螺仪，汽车，性能测试，数据同步，l a b v i e w 西华大学硕士学位论文 t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c et e s to fa u t o m o b i l e b a s e do ng p sa n dg y r o a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fa u t o m o b i l ev d o d t y ；, t h ea c t i v es a f e t yo fv e h i c l ei s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n dt h ep e r f o r m a n c et e s to fa u t o m o b i l ei sp u te m p h a s i s o na l lo v e rt h ew o r l d t om e e tt h en e e do f h i g h e rp r e c i s i o na n db e t t e re f f e c t i v e n e s s ， t h ep e r f o r m a n c et e s ts y s t e mf o ra u t o m o b i l eb a s e do ng p sa n dg y r oi ss t u d i e di nt h e t h e s i s n o v a t e ld l - 4p l u sr e c e i v e ra n dp r o p a k g 2r e c e i v e r ，t h ep r o d u c to fn o v a t e l c o m p a n y , c o u l dc a p t u r et h eg p ss a t e l l i t es i g n a lq u i c k l ya n dr e g a i ni tw h e nt h e s i g n a li si n t e r r u p t e d ，w h i c hi sf i tf o rt h ed y n a m i c t e s t t h ex w - a h r s510 0c o u l d b eu s e di nt h et e s to fb a de n v i r o n m e n t ，i nw h i c ht h e r ei sa ni m e m ss e n s o rw i t h h i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h er e c e n tt e s ts t a n d a r d sh o m ea n d a b r o a d ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c et e s ts y s t e mo fa u t o m o b i l eb a s e do nt h eg p sa n d g y r ow h i c hi sc o n s i s t e do fp o w e rt e s t , b r a k i n gt e s t ，c 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 a n dt h em o b i l ep a r a m e t e rt e s to fv e h i c l e ，h a sb e e nd e v e l o p e di nt h el a b v i e w s o f t w a r ee n v i r o n m e n tw i t hm o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n ga n ds o m ei n s t r u m e n t ss u c h a sx w - a h r s510 0 ，n o v a t e ld l - 4 p l u sr 喇v e ra n dp r o p a k - g 2r e c e i v e ra r eu s e d i nt h i ss y s t e m i nt h ed a t ap r o c e s s i n go fg p sa n dg y r o ，t h et r a n s f o r mo fg a u s s - k r u g e ri s a p p l i e dt oc h a n g et h el o n g i t u d ea n dl a t i t u d et ot h ex y v a l u ei nt h ep l a n ec o o r d i n a t e , a n dt h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fv e h i c l ec a nb ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h i s ；a t t h es a m et i m et h eh e xd a t u mc o m i n gf r o mt h ex w - a h r s510 0a l ed e c o d e d ，w h i c h c o u l dt e l lt h ed i r e c t i o na b o u tt h el o n g i t u d i n a la x i so fv e h i c l e t h ea n g l eb e t w e e n t h i sa x i sa n dv e l o c i t yd i r e c t i o ni st h es i d e s l i pa n g l eo fa u t o m o b i l e ，f r o mw h i c ht h e l a t e r a lv e l o c i t ya n dl o n g i t u d i n a lv e l o c i t yc o u l db ew o r k e do u t t h ew i n d o wo ft h es 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 no fi ti se a s y v r h e n t h es y s t e mi sr u n , t h et r a c ko ft e s tp r o c e s si sd i s p l a y e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h e 西华大学硕士学位论文 a 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 r t 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 c o m p a r e dt h ea c c e l e r a t i o ng o tf r o m c a l c u l a t i o nw i t ht h ev a l u et e s t e db yt h ex w 二j 埙r s510 0 ，t h e yi n o s c u l a t ee a c h o t h e rv e r yw e l l a l t h o u g ht h e r ei ss o m ed e l a yi nt h ed a t ap r o c e s s i n gw h i c hs h o u l d b ei m p r o v e di nt h ef u t u r e ，t h i ss y s t e mc o u l db ea p p l i e di nt h ep e r f o r m a n c et e s to f a u t o m o b i l e k e yw o r d s ：g p s ，o y r o ，a u t o m o b i l e , p e r f o r m a n c et e s t ，s y n c h r o n i z a t i o no fd a t a , l a b v i e w i i l 西华大学硕士学位论文 申明 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 d 卜 6 月 月 舌年 年 哪形 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近代自然科学中许多重大的科学成果都是依靠新的试验手段获得的，拥有 先进的科学试验手段是科学技术现代化的一个重要标志。同样地，汽车性能测 试试验的发展与试验设备的完善有着密切的关系【l 】。 随着电子技术的发展，出现了各种数据采集、变换、放大、存储、处理、 控制等方面的仪器。将这些仪器运用到汽车试验中，汽车试验得到了较大的发 展。目前，电测技术在现代汽车试验中占有十分重要的地位。电测技术把一些 非电量的信号如速度、加速度、压力、应力和力矩等物理量变换成电信号进行 测量，使许多试验项目成为可能。此外，计算机的应用对汽车试验的发展起到 了巨大的作用，它在汽车性能测试、强度计算等方面运算快速、准确。计算机 既是计算工具，又是试验手段，为试验数据的采集处理和分析提供了有力的工 具。汽车试验测试装置将朝着高集成度、便携式方向发展。随着科技的进步， 汽车试验仪器精度越来越高，所用试验仪器的范围也将越来越广【2 】。 g p s 卫星定位技术作为一套全天候、全球性和高精度的连续导航与定位 系统，在车辆监控管理方面的应用已经有相当大的规模。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。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映快速，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。 充分研究并利用各种新型传感器和电子测试装置，使车载测试设备向更高 的水平发展是今后长期的研究和开发的工作。g p s 车载测试设备具有体积小、 重量轻、功能强、操作简便、功耗小等特点。g p s 卫星定位技术的日益成熟 使之有可能成功地应用于汽车性能测试。 1 2 国内外研究现状 最初的汽车试验都是利用现有道路来进行的，8 0 年代以后电测量技术和 传感器技术有了更大的发展，一般将汽车试验现场测试数据记录到磁带机上， 西华大学硕士学位论文 再将数据回放到专用仪器设备上进行分析处理。但随着汽车工业的迅速发展， 公路交通流量的日益增大，这种公路行驶的试验方法渐渐地被试验场试验所取 代。美国道奇公司在1 9 1 5 年最早建成椭圆形汽车跑道，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，世界上已建有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。有些大型综合性试验场均带有国家的性质，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。我国到目前为止已经建成海南、定远、襄 樊、通州、农安和安亭等七个汽车试验场。 汽车试验中，国内已往广泛使用的“汽车拖拉机综合测试仪”仅能测试直 线状态下的动力性。“操纵稳定性测试仪 和单向车速仪仪器精度偏低，即使 将两者组合使用仍无法测试评价汽车作曲线运动时的轨迹、航向角、质心侧偏 角等重要运动状态参数。汽车工业的飞速发展，道路状况的改善，汽车车速的 大幅度提高，人们对汽车主动安全性的提高越来越迫切，传统汽车道路试验仪 器和试验方法已不适应于现代汽车的检测，汽车试验的试验方法与检测手段急 需加强【3 1 。 近年来，车辆的导航定位技术目前发展较快，特别是g p s 技术、新型惯 性测量系统等。由于其军用和民用的需求而迅猛发展，许多技术通过适当变化 可以用于汽车的性能测试并组成相应的测试系统。 全面、准确地测量汽车运动性能是一项复杂而困难的工作，测试方法的不 同将直接影响测试系统的成本、复杂程度以及使用的便捷性，这对汽车试验的 效率和成本有重要的影响。目前将g p s 应用于汽车运动性能测试方面的研究 还比较少。 1 3 研究目的和意义 汽车性能测试在世界各国受到了普遍重视，一是为了提高汽车的主动安全 性和乘坐舒适性；二是为了满足日益严格的节能和环保的要求【4 】。无论是在汽 车研发阶段还是在汽车修理的过程中，汽车运动性能的测试非常重要。随着中 国汽车保有量迅速增长、进口车型增多、车种复杂，现代汽车的结构和使用条 件的日趋复杂，传统的汽车性能测试手段已难以满足需要。传统的汽车道路试 2 西华大学硕士学位论文 验仪器不能对试验数据进行在线测试、分析和处理，需要先把测试的数据采集 保存起来，待实验结束在室内通过专用的信号分析仪器进行分析处理。 + 为适应汽车测试技术的发展趋势，本文根据汽车行业最新国标，从获得高 精度汽车试验数据的实际需求出发，结合学院四川省车辆工程重点学科“汽 车主动安全性试验方法研究”项目的实际情况，提出汽车运动性能测试新方案。 该方案中，把g p s 卫星定位技术应用于汽车试验，研制用于汽车动力性、制 动性和操纵稳定性试验的“基于g p s 与陀螺仪的汽车运动性能测试与分析 软件。该系统除了具备常规非接触式汽车性能测试仪的功能，还具有运动轨迹 实时显示功能，这在汽车产品设计和开发中具有一定实用价值【5 】。此外，利用 g p s 车载设备在任何试验场地如松滑路面、松软土壤等路面都可以进行汽车 运动性能的测试，使用灵活方便。 总之，本文研究目的是将g p s 应用于汽车性能测试领域，获得高精度试 验数据，研制经济实用的基于g p s 和陀螺仪的汽车运动性能测试软件，让汽 车运动性能测试工作变得准确、方便而又简单。 1 4 研究内容 本文根据g p s 定位数据和陀螺仪数据，得出汽车速度、横摆角速度、侧 倾角、俯仰角、侧向加速度、纵向加速度等汽车运动状态参数。通过对以上参 数的时间特性进行测量和分析，达到高效、准确地评价汽车的动力性、制动性 和操纵稳定性性能的目的【6 】。 以往的操纵稳定性标准并未对车辆行驶时的轨迹和姿态作具体的要求，而 位移、轨迹、速度、加速度和横摆角速度等是汽车运动性能的主要描述参数， 可以很好地显示汽车的运动状况。上述各运动状态参数对于转弯、转弯制动等 工况更显得重要，我国目前还未对转弯制动以及其他主动安全性试验制订相应 的试验标准。本文对以上运动状态参数进行测试与分析，并研发了相应的汽车 运动性能测试系统。该系统试验参数设置方便灵活，能进行直接档加速能力、 起步连续换档加速能力、最高车速、最低稳定车速、滑行试验、制动性试验。 在试验过程中对这些数据进行实时监测，动态显示汽车行驶轨迹并绘制其他运 动状态参数曲线以便试验人员观察汽车真实的运动轨迹及试验数据变化的趋 势和特征。 3 西华大学硕士学位论文 第二章g p s 系统及其应用 2 1 概j 丕 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 ) 简称g p s ，是美国从2 0 世纪7 0 年代开始研制，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维 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：被美国列为重点空间计划，成为继阿波罗登月计划、航天飞机计 划之后的第三代庞大的空间计划，是迄今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 应用于汽车性能测试并组成相应的测试系统。 2 2g p s 系统 2 2 1g p s 系统的构成 g p s 系统由导航卫星、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。g p s 系统由2 4 颗卫星组成， 分布于3 个轨道上，每个轨道均匀的分布着8 颗卫星。轨道距地面的平均高度 大约1 2 个恒星时( 1 1 小时5 8 分钟) 绕地球一周，这种布局可以保证全球的任 何一点在无障碍物阻挡的情况下任何时刻均能收到4 颗以上的卫星信息。每颗 卫星上都安装有轻巧的频标原子钟、微型计算机、电文存储器和信号接收与发 射装备，并由太阳能电池提供电源，在卫星上带有少量的燃料，用以调节卫星 的轨道位置与姿态。 g p s 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。主控站设在加 利福尼亚州的范登保空军基地和关岛，遥远的监控站是在主控站直接控制下的 无人值守的数据采集中心。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 4 西华大学硕士学位论文 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。 g p s 用户接收机是真正的用户设备，现已为用户研制出了多种类型的接 收机，从简单的单通道接收机到1 2 通道甚至1 8 通道接收机。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 2 2g p s 系统定位原理 ，利用g p s 进行定位的方法有很多种，按照参考点的位置不同可以分为绝 对定位和相对定位两种。绝对定位是指在地球协议坐标系中确定观测站相对地 球质心的位置，这时可以认为参考点和地球质心重合；相对定位是指在地球协 议坐标系中确定观测点和某一地面参考点之间的相对位置。按照用户接收天线 在测量中所处的状态，可以分为静态定位和动态定位。静态定位是指在定位的 过程帆g p s 接收机是固定的，处于静止状态。静止状态通常是指特定点的 相对其周围的点位置没有发生变化或者变化极其缓慢以致在观测期( 例如数天 或数星期) 内可以忽略；动态定位是指在定位的过程中g p s 接收机是处于运 动状态，在绝对定位和相对定位中都可以包含静态和动态方式。 卫星向用户不间断地发送它的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息 之后经过计算得出g p s 天线的三维位置，三维方向，运动速度和时间信息， 这就是g p s 的基本定位原理。 g p s 卫星信号中包含有多种定位信息，根据不同的要求可以从中获得不 同的观测参数，主要有伪距测量法、载波相位测量法、多普勒测量法和干涉法。 伪距测量法根据码相位观测得出伪距，即测量g p s 卫星发射的测距码信号 ( c a 码或p 码) 达到用户接收天线的传播时间，也称为时间延迟测量；载 波相位测量法根据载波相位观测得出伪距，o l j 狈t j 量g p s 接收机接收到的具有 多普勒频移的载波信号和接受机产生的参考载波信号之间的相位差，它是目前 最精确的观测方法【_ 刀；多普勒测量法是由积分多普勒计数得出伪距，因观测时 5 西华大学硕士学位论文 间较长，没有被广泛采用；干涉法是指使用干涉法测出伪距。 下面只讨论伪距定位原理，从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，可以得到卫星到接收机的距离。 如果接收机接收到多个发射机的信号，便可以测算出接收机的位置。由于卫星 和接收机间的时钟偏差、传播延迟和其他误差，测出的是伪距而不是实际距离。 为了确定接收机的位置，接收机需要知道跟踪卫星的伪距和卫星的位置。视信 号传播时间乘以光速的值为伪距，信号传播时间由接收机的卫星码和内部产生 的复制码相匹配所需的测量时间偏差决定，这就是“修正。在所有的测量情 况中，需要独立观察的结果数目取决于未知量的个数【8 】。 如图2 1 ，为了测量接收机的三维位置，需要至少3 颗卫星 9 1 。求解下列 方程可以确定接收机的三维位置( x ，y ，z ) 。 吐= 瓜二百j f 而 d ：= 厄二丁石j y 瓦= 了( 2 - 4 ) d ，= 瓜二丁面j y 瓦j y 式中：( x 1 ，y l ，z 1 ) ，( x 2 ，y 2 ，乞) 和( x 3 ，y 3 ，z 3 ) 一卫星的已知位置； 盔，以，喀测量的伪距。 卫墨1 卫星2卫差3 f i g2 1t h r e es e c o n d a r yp l a n e t s 图2 - 1 三颗卫星的情况 6 西华大学硕士学位论文 用于测量信号传播时间的接收机时钟与g p s 时间不同步，因此必须确定 接收机时间与g p s 时间之间的时钟偏差，利用第四颗卫星可计算该参数，如 图2 2 。按照g p s 系统的设计，所有卫星时钟利用精确的原子钟同步。如果 接收机时钟与卫星时钟精确地同步，时间的测量就变得非常简单。但是，在实 际应用中并没有采用价格昂贵的原子钟，而是采用便宜的晶体管振荡器。这样 就不可避免地引入了时间偏差( 时钟偏差) ，所以必须考虑偏差在计算中的影 响。接收机时钟偏差就是接收机的时间偏差，接收机与每颗卫星之间的时钟偏 差都是相同的，所以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 = ( x x 1 ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( z - - z 1 ) 2 + c ( d t d 互) d 2 = ( x x 2 ) 2 + ( y y 2 ) 2 + ( z z 2 ) 2 + c ( d t d 疋) d 3 = ( x 一屯) 2 + ( y y 3 ) 2 + ( z - z 3 ) 2 + c ( d t - d r 3 ) ( 2 5 ) ，_ 或= 4 ( x - x 4 ) 2 + ( y - y 4 ) 2 + ( z z 4 ) 2 + c ( d t d r , ) 式中：( 而，y 1 ，z 1 ) ，( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，( x 3 , y 3 ，z 3 ) 和 4 ，y 4 ，z 4 ) 一卫星的已知位置； d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 一测量的伪距； c 一电磁波的速度； 媚，码，识和识g p s 接收机时钟偏差项； 出卫星时钟偏差项，可以从广播导航信息( 卫星星历) 中计算出。 卫量l 卫墨2卫量3卫叠4 f i g2 - 2f o u rs e c o n d a r yp l a n e t s 图2 - 2 四颗卫星的情况 7 西华大学硕士学位论文 上述方程中，为了简化起见忽略了某些误差项。例如，由于电离层延迟和 对流层延迟造成的狈耀误差可用大气模型估算。 2 2 3g p s 的定位误差 g p s 定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现 的，要获得地面点较精确的三维坐标，必须对4 颗卫星进行测量。在定位过程 中存在着三部分误差。第一部分是与卫星有关的对每一个用户接收机所公有 的，如星历误差、钟差、相对论效应，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、 对流层误差等；第二部分与信号传播有关，如电离层误差、对流层误差和多路 径误差等；第三部分与接收机有关，如接收机钟差、接收机噪声误差和天线相 位中心误差。在高精度的g p s 测量中，如地球动力学研究还应考虑与地球整 体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等的影响。表2 1 给出了g p s 测量的误差分类及各项误差对距离测量的影响【l 。 表2 - 1g p s 测量误差及对距离影响 a b l e2 1g p sg e o d e s i ce r r o ra n dt oa f f e c tt h ed i s t a n c e 误差分类误差来源 对测量距离的影响( m ) 星历误差； 卫星部分 钟误差； 1 5 1 5 相对论效应 电离层； 信号传播对流层； 1 5 1 5 多路径效应 钟的误差； 信号接收位置误差； 1 5 巧 天线相位中心变化 地球潮汐； 其它影响 1 0 负荷潮 西华大学硕士学位论文 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。无论从误差的大小还是从对定位结果的危害性来 讲系统误差都比偶然误差大得多，它是g p s 测量的主要误差源。但系统误差 有一定的规律可循，因此可以采取一定的措施加以消除。 2 3g p s 差分定位技术 美国政府在g p s 设计中提供两种服务。一种为标准定位服务s p s ( s t a n d a r d p o s i t i o n i n gs e r v i c e ) ，利用粗测距码( c a 码) 定位，精度约为2 0 m ，提供给 普通用户使用；另一种为精密定位服务p p s ( p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e ) ，利用 精测距码( p 码) 定位，仅提供给军方和特许用户使用。由于c a 码定位信号 的接收设备成本低廉而且不受限制，应用十分广泛，但定位误差较大。汽车性 能测试试验需要高精度的位置信息，因此必须尽量消除g p s 定位误差 1 1 。 r a d r e c i f f e f e c t i e t _ ：o r r e e j e v zo 嘟议 f i g2 - 3t h ed i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n go fg p s 图2 - 3 差分g p s 定位 、，_、，!t ，、+ 。ri! ， f ，、，、， ，o ， 1 v ， 。 西华大学硕士学位论文 随着g p s 技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视 利用差分g p s 技术来改善定位性能。g p s 差分定位技术实际上是在一个测站 对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的 两次观测量之间进行求差，利用实时或事后处理技术，就可以在用户测量时消 去公共误差源，提高定位精度。在船舶、车辆、飞行器的运行过程中，经常采 用差分定位技术提高定位精度。该技术的优点是定位精度高，目前g p s 差分 定位最好的定位精度可达到厘米级；缺点是需要两台接收机，成本高。 g p s 差分定位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。如图2 3 ，g p s 单基准站差分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。由于本系统的性能测试试验所用试 验场地范围较小，所以选用单基准站差分定位。 g p s 差分定位就是在一个已知地心坐标的基准点上安置基准站接收机， 连续不断地接收g p s 卫星信号。通过已知坐标和任一观测卫星的星历坐标可 得出基准站和观测卫星之间的几何距离，将其与实测伪距相减而得出该历元的 伪距差分改正，并通过修正数据通信链路把这一改正参数发送到设在运动载体 上作同步观测的移动接收机，并改正其实测伪距。经过伪距差分改正，解算得 出移动站坐标。 g p s 差分定位按基准站发送的信息方式分类可分为位置差分、伪距差分 和载波相位差分三种 1 2 1 。这3 种差分方式的工作原理是相同的，都是由基准 站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结 果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 伪距差分定位是目前用途最广的一种定位技术，几乎所有的商用d g p s 接收机都采用了这种技术。它有以下优点：一是伪距改正参数是在w g s 8 4 坐 标系上进行计算的，这就是说不用先将它变换为当地坐标便可得到直接改正参 数，采用该技术能达到米级的定位精度；二是这种改正参数能提供p 山和 j d ，这使得在未得到改正参数的空隙内能继续进行精密定位并达到 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；三是基准站能为所有 卫星提供改正参数，用户可以接收任意4 颗卫星的改正参数进行改正，因此用 户可以使用具有差分功能的简易接收机进行差分定位。缺点是随着基准站与用 户接收机的距离的增加仪器会出现系统误差，这种误差是任何差分方法都不能 1 0 西华大学硕士学位论文 消除的。 载波相位差分定位技术又称r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 技术，是实时处 理两个测站载波相位观测量的差分方法。实现载波相位差分定位方法分为两 类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给 用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发 送给移动站进行载波相位求差，在结算移动站坐标值。前者为准r t k 技术， 后者为真正的r t k 技术。只要移动站接收机和基准站接收机均可以观测4 颗 以上的在视g p s 卫星，就可以结算出移动站的三维位置u 引。 高精度的g p s 测量必须采用载波相位观测值，它能够实时地提供测站点 在指定坐标系中的三维定位结果，最高精度可达到厘米级。r t k 技术的关键 在于数据处理技术和数据传输技术，r t k 定位时要求基准站接收机实时地把 观测数据( 伪距观测值，相位观测值) 及已知数据传输给流动站接收机，数据 量比较大，一般都要求9 6 0 0 b p s 的波特率，这在无线电上不难实现。 如果在一个广阔的地区内提供高精度的差分定位服务，可以将一个差分基 准站与一个或多个主站组网。基准差分站接收来自各监测站的差分g p s 改正 信号，然后将其组合，以形成在扩展地域内的有效差分g p s 改正信号，通过 无线数据链路把扩展g p s 改正信号传送给移动站，这就形成了扩展差分( 或 称广域差分) ，。这种差分技术不仅加大了差分g p s 的有效工作范围，而且保证 了在该地域的定位精度。，本系统进行汽车性能测试试验时，采用载波相位差分 定位方式。 2 4g p s 在汽车性能测试中的应用 随着全球定位系统的不断改进，软硬件的不断完善，g p s 卫星定位技术 的应用领域正在不断地扩大。除了航空航天定位导航，g p s 在普通定位导航、 调度指挥、车辆监控管理的应用已经相当成熟。 汽车性能测试试验需要高精度的位置信息，要把g p s 技术用于汽车的性 能测试并组成相应的测试系统就必须尽量消除g p s 定位误差。使用差分技术， 可以完全消除卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差，绝大程度上 消除传播延迟误差。因此，可以将差分定位技术应用于汽车性能测试中来提高 汽车定位数据的精度。 西华大学硕士学位论文 在汽车性能测试的过程中，首先将g p s 提供的高精确经纬度通过高斯一 克吕格坐标转换可以将经纬度变为平面坐标x 、y 值，然后把通过坐标转换得 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出汽车在该点的速度和加速度。 2 5 本章小结 本章对g p s 定位原理进行了阐述，并对基于c a 码的测量定位进行误差 分析。结果表明，采用载波相位差分定位，可以基本消除卫星时钟偏差和星历 误差，提高了定位精度，可以满足汽车试验的精度要求。 1 2 西华大学硕士学位论文 第三章测试系统的硬件架构 3 1 系统总体架构 为了获得更高的试验精度，满足现代汽车高速、行驶工况复杂的要求，新 系统采用性能更优良、精度更高的g p s 接收机设备来替换原有的非接触式汽 车性能测试仪。 本测试系统是一套车载测试系统，在汽车行驶过程中能实时测试汽车试验 数据。差分定位时移动站g p s 接收机根据基准站发送过来的差分修正信息修 正其实测伪距，然后将修正后的定位信息能过串口传送给笔记本电脑。陀螺仪 同样是通过串口将其相应的数据传送至笔记本电脑，电脑在接收数据后通过相 应的软件对它们进行数据处理。汽车运动性能测试系统的硬件架构如图3 1 所 示。 厂卫星定位系统 l 广系统硬件十陀螺仪 汽车运动性能 il 测试与分析系统1l 笔记本电脑( 数据采集) l l厂串口程序( r s - 2 3 2 ) l 系统软件一 l 试验项目 f i g 3 - 1t h es t r u c t u r eo f t 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 3 2g p s 接收机 本系统使用诺瓦泰公司g p s 产品n o v a t e ld l - 4p l u s 和p r o p a k ( 3 2 。该类 产品具有快速捕获和再捕获g p s 卫星信号，能较好地应用于动态和信号经常 中断的环境中。本系统硬件部分主要包括基准站g p s 子系统和移动站g p s 子 系统，还有一个用于实时传输g p sr t k 差分数据的数据链子系统。基准站g p s 接收机及天线得到的位置精确测量结果将用于计算的差分修正信息，其任何差 错都将影响移动站的定位解算，因此基准站要采用比移动站稍高一级的g p s 设备。 西华大学硕士学位论文 如图3 2 ，g p s 差分系统分为g p s 子系统和数据链子系统两部分。g p s 子系统包括基准站和移动站两部分，数据链子系统同样包括由基准站和移动站 两部分。g p s 子系统的基准站通过数据链子系统基准站部分将差分修正数据 传送给数据链子系统移动站，g p s 子系统移动站根据数据链子系统移动站传 送过来的差分修正数据对定位信息进行修正，从而得到理想的定位信息。 广 l 藿 藿 l 一一一一一一一一一1 主数据链子系 蕾叠i 铲磅二一一ii ， 2 纛羹逛_ 二? 一：i 一 一 ：三 o- t 尹 io 二 0g罕； l 兰 嚣 喜妻 露 1 ，i | 面 避涵 o ：。m _ 强鞠圈豳嚣跪l ；。l 瑟 侈动站掣劳 1 9 矽譬i ”堡 、 竺c f w l 兰， f s - j 毒譬1 f i g 3 - 2t h ef r a m eo f r t ks y s t e m 图3 - 2r t k 系统框架图 3 2 1g p s 子系统 g p s 子系统分为g p s 基准站部分和g p s 移动站部分，两部分的组成设备 基本一致，主要包括n o v a t e lg p s 接收机、n o v a t e lg p s 天线、同轴天线线缆、 各种连接线、外部供电电源设备、笔记本电脑。 该产品是一类高性能、高精度和高数据更新率的g p s 接收机，采用了多 1 4 o o；一广，o，o，o，一 西华大学硕士学位论文 项专利技术，将高性能的微处理器和脉冲孔径相关技术( p a c ) 相结合，使得 接收机能够更有效地削弱多路径效应影响，从而具备高精度、高可靠性实时动 态性能、高采样率等优点。图3 3 为n o v a t e ld l 4p l u sg p s 接收机，与 p r o p a k g 2 相比d l 4p l u s 前面板另有c f 卡、l c d 显示、电源开关、e n t 和 e s c 等按钮。 f i g 3 3n o v a t e ld l - 4p l u sg p sr e c e i v e r 图3 - 3n o v a t e ld l - 4p l u sg p s 接收机 f i g 3 _ 4p r o p a k - g 2 p l u sr e c e i v e r 图3 - 4p r o p a k g 2 p l u s 接收机 采用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 西华大学硕士学位论文 量和其它动态定位中，本系统使用图3 5 所示g p s7 0 2 天线。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。 f i 9 3 5g p s7 0 2 a n t e n n a 图3 5g p s7 0 2 天线 同轴天线线缆的两端接头均为t n c 接头，用于传输g p s 卫星信号，同时 可以对g p s 天线供电；n o v a t e lg p s 接收机用来处理g p s 卫星信号，完成g p s 定位解算；外部供电电源设各主要对g p s 接收机进行提供+ 7 18 vd c 电压， 其中g p s 天线一般由g p s 接收机的r f 接口通过同轴线缆供电；笔记本电脑 主要用来设置或查看g p s 接收机的工作状态，同时用于记录g p s 数据。 3 2 1 1 基准站设置 使用三脚架和光学对中基座架设基准站g p s 天线，将g p s 天线架设在安 全、平稳，对天空无遮挡、视野开阔的地方，保证g p s 天线水平，并对准已 知坐标点。如果无需将天线架设在己知点上，只须g p s 天线水平即可。 如图3 - 6 所示，正确、牢靠地连接g p s 接收机的电缆与其它设备，对基 准站g p s 接收机加电、开机，使用g p s o l u t i o n 4 e x e 软件设置接收机，具体设 置指令方法如下： 使用g p s o l u t i o n 4 e x e 软件连接g p s 接收机的c o m l 串口，在命令栏中先 输入命令p o s a v eo 0 1 ( 取0 0 1 小时内的平均位置作为基准站已知值) 或使用 f i xp o s i t i o n 命令输入基准站已知点的坐标，然后输入 西华大学硕士学位论文 i n t e r f a c e m o d ec o m 2n o n er t c a t o mt o m 21 9 2 0 0 ( n81no f f ) 设置c o m 2 口发送r t c a 格式的差 分改正信息； 设置c o m 2 口的串口波特率，该值 与电台的串口波特率一致； 静 f i g3 - 6t h eb a s es t a t i o no fg p ss u b s y s t e m 图3 - 6 基站g p s 子系统 1d l 4 p l u s 双频g p s 接收机；2g p s7 0 0 天线；3g p s 天线电缆； 41 2 v 电源线缆；5d b 9 y 型数据线缆接电台 l o gc o m 2r t c a r e fo n t i m e10 l o gc o r n 2a c a o b so n t i m e2