基于GPS定位技术的车辆运行姿态检测

基于GPS定位技术的车辆运行姿态检测

系统的研究与设计

二零一五年四月

摘 要

实时地获得载体平台的姿态参数一直是测控领域一个很重要的研究方向，但 是传统测控方法在处理速度和成本等方面存在诸多弊端。随着GPS定位精度的日益提高，利用GPS进行平台测姿的技术应运而生了。论文针对基于GPS的单基线二维姿态测量技术进行了深入的研究，为利用GPS进行平台姿态测量提供了理论基础和实践依据。

文章首先简要介绍了GPS系统的组成，GPS定位的基本原理，载波相位测量 基本原理、GPS测量过程中的误差来源和相应的解决办法。然后对GPS姿态测量原理进行了详细论述，介绍了姿态参数解算将会用到的坐标系统及其之间的转换关系，给出了GPS姿态测量的观测方程。并对姿态测量中的关键问题——整周模糊度确定和周跳检测进行了论述。

在理论阐述的基础之上，文章提出了PC机(笔记本电脑)加PCI04工控机的 主从设计模式的二维姿态测量系统设计方案。该姿态测量系统的下位机由一个 PCI04 q-控机、两个OEM4 GPS接收机和两个701单频天线组成，文章对GPS 接收机数据的格式和预处理进行了详细的阐述。姿态测量系统的上、下位机软件 是用VB下开发的，文章给出了详细的软件设计思路和流程。

最后，通过实地测试来验证了论文所提出的姿态测量系统的性能。在静态条 件下，以专业的测向设备为基准设备进行对比测试，证明了所提出姿态测量系统 的正确性和可靠性，而且得到了令人满意的测量精度。然后分别测试了基线长度 和卫星高度掩角对测量精度的影响。动态测试表明姿态测量系统可以在动态条件 下稳定工作，但测量精度不是很理想。文章还充分考虑了姿态测量系统的成本因 素，通过实验验证了整合低成本GPS接收机的姿态测量系统的测量精度和稳定 性，实验结果表明该姿态测量系统在静态条件下可以解算出姿态参数，但在动态 条件下稳定性较差。

关键词：GPS，姿态测量，载波相位测量，整周模糊度，周跳检测

1 序论

1973年美国国防部组织陆海空三军，共同研究建立了新一代卫星导航系统 ——授时与测距导航系统／全球定位系统(NavigationSystem TimingandR．anging／GlobalPositioning Syst锄—-NAvSTAR／GPS)，称之为GPS。根据设计方案，该系统可以向配备有接收设备的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。GPS最初设计时主要用于精密定位和授时，但在系统开发的早期阶段，大家就认识到了将其用于平台姿态测量的可能性，由于GPS硬件开始发展相对缓慢，而且价格昂贵，因此当时利用GPS进行姿态测量仅限于仿真研究。随着GPS载波相位差分技术的快速发展，利用GPS技术来测量载体的姿态参数迅速成为GPS研究的又一热点。

1．1．课题的研究目的和意义

在中国这样一个地大物博、幅员辽阔的国家，铁路交通是最重要的交通工具，是国家运输体系的骨干，承担着远距离、大运量全天候的运输需求，具有受气候影响小、绿色环保、低排放的优势。在过去二十多年里，政府对铁路实行优惠政策，为加快铁路发展创造了有利条件。但与国民经济与社会发展的需要相比，我国铁路无论是规模还是质量都还有很大的差距。从数量上看，铁路路网密度仍处于较低水平，远落后于发达国家的平均水平；主要运输通道客货运输能力严重不足，制约了国民经济的发展。从质量上看，铁路的技术装备水平和管理水平与发达国家又较大差距，便捷性、舒适性、准时性、安全性等还远远不能满足旅客和用户的要求。随着我国铁路体制的改革，在未来很长的一段时间内，铁路建设将是我国经济发展领域中一个非常的亮点。

我们经常会看到世界各国发生列车脱轨翻车的意外事故，如大风、山体滑坡、铁轨弯曲变形等原因造成的列车脱轨、翻车事故层出不穷，造成极大的人身伤亡和经济损失。而新疆地区地处大漠戈壁，每年受西伯利亚、乌拉尔山冷空气的影响，大风频繁。强冷空气经过山口时产生狭管效应，风速加大。同时受新疆北高南低地形影响，大风顺坡而下，锋利强劲。尤其在兰新线西段百里风区（雅子泉至红旗坎站间）和南疆先百里风区（吐鲁番至鱼儿沟站间），瞬时风速高达64m/s。据不完全统计，新疆铁路运输因风沙造成的行车安全事故总计38起。因大风造成的列车停轮次数更是数不胜数，严重影响了铁路运输的效益。为防止此类事故的发生，迫切需要对机车车辆运行时姿态进行监测，并在车身发生倾斜时能够发出报警信息，提示列车处于不安全状态，提醒司机紧急制动，防止事故发生。

利用GPS干涉技术测定载体姿态是上世纪90年代的最新成果，GPS姿态测 量系统具有体积小、重量轻、成本低、精度不随时间变化等优点，是其它姿态测 量系统无法比拟的。除此之外，由于GPS本身就具备了导航定位的能力，GPS姿态测量系统在航路导航、精密着陆，自动驾驶等其它方面也可以广泛应用。这

意味着，一套GPS姿态测量系统就可以完成当今仪表仓内使用的半数以上设备的功能。而且GPS姿态测量不像红外那样受扫描范围限制，没有视场和黑夜的限制，

也没有陀螺漂移的问题。因此，GPS姿态测量具有巨大的应用潜力，是一个新的 姿态测量发展方向。

本项目实现原理为，在列车车厢中部安装监测站，监测站采用两对天线，对称安装在列车中部车辆中轴线两边，通过北斗/GPS接收机采集天线的数据，监测站将采集到的数据传输到数据监控中心平台，数据监控中心平台通过高精度姿态测量算法可计算列车横滚倾斜角度，当列车倾斜角度超过事先预置好的门限值之后，监控平台发出报警信息，提示相关人员列车运行处于危险状态，应立即采取措施。

1．2．国内外研究现状及动态

由于国外的GPS技术发展较早，美国在GPS系统实现民用化以前，就开始进行GPS姿态系统的研究了。20世纪90年代初，利用GPS载波相位进行运动载体 姿态测量不仅理论上日益成熟，而且Trimble、Adroit system、原Ashtech等公司以及Calgary大学相继研制出GPS姿态测量接收机的样机和产品，并进行了地面试验。1990年，Adroit system公司和美国战略防御组织(SDIO)研制了利用三个安放在一条直线上的单轴姿态测量系统GPS ADS进行方位角和俯仰角的测量，其精度可达0.0675°。1992年华盛顿大学应用物理实验室(APL)将原Ashte圮h公司的3DF ADU三姿态测量系统用于美国海军护卫舰VSS并用光学经纬仪和陀螺仪进行比较，姿态精度也达O.1°。这些系统的试验取得了令人满意的结果，而且上述的部分产品已开始销售，并在陆地和海洋的低动态用户中使用。

随着GPS姿态测量系统产品的问世，许多厂家和研究机构把研究重点转移到 提高系统的可靠性、精度、实时跟踪能力等方面。目前几个具有代表性的研究方 向为：

①算法研究：GPS姿态测量除了硬件设备条件外，关键技术是算法研究和软件实 现，特别是整周模糊度快速确定算法的研究。

②组合研究：充分发挥GPS姿态测量的优势，与其它姿态测量系统进行组合。 GPS的定位和姿态测量功能与惯性导航系统(INS)或平台罗经系统或其它导航仪 器进行组合，特别是全姿态组合和速度组合，可以发挥各自优势。GPS姿态测量 系统成本低、校准时间短，与INS可以组成价格低、性能高的组合系统。 ③超短基线的应用研究：由于GPS的姿态测量精度直接与天线之间的空间距离密 切相关。从理论上讲，基线越长，姿态测量精度就越高。但是基线太长，在使用 安装时会受到环境制约，从而限制了系统的应用范围。如基线太长，一般飞机和 卫星上难以安装，或者安装基线的刚度不够，刚度不够会影响计算精度和实时解 算，特别会影响模糊度解算和多路径效应。

④简化系统结构、进一步降低成本：Komfdd等人提出了用单一天线测量飞机的 姿态参数，这使得姿态测量系统的成本大大降低。该姿态信息与传统的基于机体 坐标系的纵摇和横摇不同，它是基于飞机速度轴的姿态角。试验结果证明，由单 一GPS天线提供的姿态信息可以作为飞机姿态测量的备份，也可用于原姿态测量

系统的故障诊断。