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1、-毕业设计（论文）-基于GPS的汽车动力性道路试验系统设计-第 32 页毕业设计说明书题 目: 基于GPS的汽车动力性道路试验系统设计 学院(直属系): 交通与汽车工程学院 年级、 专业: 2009级车辆工程 姓 名: 学 号: 312009110209223 指 导 教 师: 徐 晓 惠 完 成 时 间: 2013年5月28日 目 录摘要3Abstract41引 言51.1设计背景和意义51.2设计目的和主要内容51.3设计实现的方法及步骤62汽车动力性试验与评价介绍72.1道路试验方法72.1.1汽车道路试验方法通用条件72.1.2最低与最高车速测试72.1.3加速性能测试82.2室内试验
2、92.3评价方法92.3.1不同工况选择同一评价标准102.3.2不同用途汽车使用同一评价指标102.3.3三大指标评价方法的主要问题113GPS测量系统介绍143.1简介143.2GPS差分定位技术153.3试验用的GPS测试系统163.4GPS定位方法183.4.1GPS定位原理193.4.2GPS定位常用坐标系统213.4.3各坐标之间的转换234软件的设计274.1Labview介绍274.2软件的总体设计274.2.1程序流程图274.2.2界面设计294.2.3串口通讯304.2.4模拟试验324.2.5软件程序框图324.2.6历史数据查询335实车验证与结果分析345.1最低稳
3、定车速试验345.1.1试验方法345.1.2试验过程及结果分析345.2最高稳定车速试验355.2.1试验方法355.2.2试验过程及结果分析355.3直接档加速试验365.3.1试验方法365.3.2试验过程及结果分析365.4连续档加速试验375.4.1试验方法375.4.2试验过程及结果分析376结论39总结与体会40谢辞41参考文献42基于GPS的汽车动力性道路试验系统的设计摘要汽车动力性是指在良好、平直的路面上行驶时，汽车由所受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。所以，动力性是汽车各种性能中最基本、最
4、重要的性能，它代表了汽车行驶可发挥的极限能力。本文研究了汽车动力性评价的各种方法和评价指标，并针对汽车动力性道路试验的试验项目和试验方法做了详尽的阐述。为了得到汽车动力性道路试验评价指标，用GPS测试系统提取速度信号，并采用LabVIEW软件设计了一套汽车动力性道路试验系统。该测试系统能实时采集GPS测试系统的数据，以监测汽车的实时车速，结合汽车动力性道路试验国家标准，进行了汽车最低稳定车速试验、最高稳定车速试验、直接挡加速试验和连续挡加速试验。试验结果表明，该系统能很好的采集GPS测试系统的数据，并适时以波形图表和仪表盘的方式显示出来。在进行各试验项目测试时，该系统能很方便的操作和控制数据的
5、采集，并以波形图表的形式实时显示测量的数据，最后保存数据，使得各个试验项目能顺利完成。关键词：汽车，动力性，道路试验，GPS，LabviewDesign of Road Test System for Vehicle Dynamic Quality Based on GPSAbstractAutomobile power performance is the external force of longitudinal which is decided by the average speeds which the vehicle can achieve when driving on fla
6、t road. The vehicle is an efficient means of transportation, and the transport efficiency is high or low which depends on the power performance of the car. Therefore, the power performance of vehicle is the most basic and most important among the other performances. The performance of the vehicle re
7、presents the limit power. This paper studies evaluation methods and evaluation indicators of the vehicle performance, and has made the detailed elaboration to the trials of the path of automobile power performance test project and test method. In order to get the path of automobile power performance
8、 test evaluation index, the GPS measurement system has been used to extract velocity signal, and the LabVIEW software has been adopted to design a set of automobile power performance test system. This test system can collect real-time GPS data of the testing system for real-time monitoring of the ve
9、hicle speed. Combining with the path of automobile power performance test of national standard, we has conducted the lowest stable speed car test, stable high speed test, accelerated test directly and continuously accelerated test. The test results show that the system can be a very good collection
10、of GPS data of the testing system, and displayed in the form of waveform graphs and dashboard in time. When testing for each project, the system can be very convenient operation and control of data acquisition, and real-time display the measured data in the form of waveform diagram, finally save the
11、 data and make each test project work smoothly. Key Words：Vehicle，Dynamic quality，Road test，GPS，Labview1 引 言 1.1 设计背景和意义随着中国汽车市场的不断升温，汽车的品质越来越受到重视。汽车生产商为了提高汽车的品质，道路试验逐渐被上升到更重要的位置。然而，现如今市场上有很多类型的道路试验系统，但先进的技术大都掌握在国外一些企业手里1-3。我国大部分汽车企业主要还是用光电头作为速度传感器来进行汽车动力性道路试验4，也有部分企业还在沿用五轮仪作为速度传感器进行汽车动力性道路试验5。五轮仪由于
12、安装不方便和受道路影响比较大，很早就被光电头取代了。光电头测量原理是根据光照在路面的漫反射来计算得到速度，由此不仅数据处理量大，而且数据更新率不高，还会因为光电头的抖动有较明显的偏差。为了得到更高精度和更简单方便的测试系统，本文利用GPS设计了一套汽车动力性道路试验系统。GPS具有全天候高精度和无误差累计的优点，受到测试界广泛的关注6-8。并且利用Labview编写了能对GPS信号进行实时采集、处理、存储和显示的程序，满足汽车道路试验标准，构成了一套基于GPS的汽车动力性道路试验系统。该系统界面简洁清晰，操作方便，不仅能进行汽车动力性道路试验，还能对试验数据进行存储、查询分析和报表的生成。该系
13、统携带方便且可分析性强，采用LabVIEW软件设计的人性化界面，很好地发挥了虚拟仪器的数据采集、数据测试与分析以及结果输出显示的三大功能，能够实现实时车速显示、加速度显示及行驶路程显示及相关信号分析，并且在道路试验中可以直接得到测试结果。1.2 设计目的和主要内容本设计旨在设计一套基于GPS的汽车动力性道路试验系统。为提高测试效率、降低测试成本，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试要求，利用GPS结合NI公司的LabVIEW软件构建了汽车动力性道路试验系统。学习汽车动力性试验标准和方法以及评价指标，为本次设计提供一套合适的试验方法。利用LabVIEW软件编写一个基于G
14、PS的动力性试验系统，该系统能实现对GPS数据的采集、处理和显示，并能实时保存数据，并且能模拟车速以实现离线模拟试验的目的。1.3 设计实现的方法及步骤1) 认真学习汽车动力性试验标准和方法以及评价指标2) 认真学习基于LabVIEW软件的串口通讯技术和对数据的处理及保存，认真学习基于LabVIEW软件的程序界面制作。3) 认真学习GPS测试系统，其中包括GPS定位原理、GPS接收机与上位机的通讯、GPS输出数据格式的解读等。4) 认真学习WORD和PPT等办公软件以便能更精确完整的表达出该该设计。2 汽车动力性试验与评价介绍评定动力性的试验方法可分为两类，即室外试验道路试验；室内试验台架试验
15、9。汽车是在各种不同环境条件下的道路上行驶，因此，根据汽车道路行驶状况评定汽车的各种性能是最符合实际、最可靠、最基本的评定方法。在室内进行的台架试验不受或少受环境条件的干扰(如刮风、下雨、下雪、气温等)，具有试验条件相对稳定、操作简单、试验误差小等优点，是评定汽车性能的重要方法，也是评定汽车总成性能的基本手段。2.1 道路试验方法为使试验数据具有通用性、可比性、准确性，国内、外均用法规或标准统一规定汽车道路的试验条件、试验对象的状况以及试验方法。我国对汽车道路试验分项目制定了系列的国家标准10。2.1.1 汽车道路试验方法通用条件1) 气候条件：晴天或阴天，风速小于3ms，气温0-40，相对湿
16、度95。2) 道路条件：平直、干燥、清洁的沥青或水泥路面，路面宽不小于8m，纵坡不大于正负0.1。试验路段长2km-3km。3) 试验仪器：所用仪器设备须经计量检定，符合试验要求的精度。4) 试验对象：汽车的装备及调整状况应符合该车技术条件的规定；试验用的燃料和润滑油的牌号、规格应符合该车技术条件的规定；轮胎规格、气压应符合该车技术条件的规定，轮胎气压误差不超过10kPa；汽车各总成的热状态在试验时应符合该车技术条件的规定，如技术条件无规定时，应符合下列条件：发动机冷却水出水温度80-90，发动机润滑油温度50-90，变速器、驱动桥润滑油温不低于50，必要时可在试验前进行20min30min较
17、高车速的预热行驶，为达到上述热状况，允许采取保温措施，汽车试验时的装载质量应保持该车的额定装载质量，且分布均匀。2.1.2 最低与最高车速测试1) 试验应在符合汽车道路试验通用条件下进行。2) 试验路段设置在确定的试验道路上选定中间一段200m或500m为测速路段，其两端各设100m的准备路段，用以提示试验人员准备测试。3) 测试：a) 最低稳定车速测试：根据汽车加速性能的优劣，选定充足的加速区间，使汽车进入测速路段前已具有该档位下最低的稳定车速。测定汽车以该档位下的最低车速通过测速路段的时间，接连往返各测试一次。b) 最高稳定车速测试：根据汽车加速性能的优劣，选定充足的加速区间，使汽车进入测
18、速路段前已具有最高的稳定车速。测定汽车以最高车速通过测速路段的时间，接连往返各测试一次。4) 整理试验结果 根据测速距离及各次通过测速路段()的时间的平均值(t，s)，算出车速v，即：2.1.3 加速性能测试1) 试验应在符合汽车道路试验通用条件下进行。2) 试验路段设置在确定的试验道路上选定1.5km作为加速试验路段，两端各设100m为测试速度路段。3) 测试：a) 直接挡加速性能测试：以稍高于直接档的最小稳定车速为初速度(选5的整数倍，初速度偏差正负1km/h)，等速通过100m路段至加速度测试路段的起始点处，急速将加速踏板踩到底，加速至该档最高车速的80%-100%。试验往返各进行一次。
19、b) 汽车起步连续换档的加速性能测试：汽车停在加速路段起始点、从起步开始，加速踏板完全踩到底，以选择的最佳换挡车速，力求无声换档(一般换档时1s-1.5s)、直至最高档加速至1km终点试验往返各进行一次。4) 整理试验结果：a) 绘制直接档加速性能曲线：车速(km/h)-加速时间(s)曲线，车速(kmh)-加速行程(m)曲线。b) 绘制起步连续换挡加速性能曲线，求出通过1km试验路段的时间。2.2 室内试验室内的动力性试验主要是进行驱动力、滚动阻力系数和空气阻力系数的测定。汽车的驱动力是由汽车测功器来测量。通常使用的单鼓式汽车测功器，就是我们常见的转鼓试验台。试验时，汽车的驱动轮放在转鼓上，驱
20、动轮的中心与转鼓的中心在同一垂直平面内。转鼓轴端装有液力或电力测功器，能够产生一定的阻力并调节转鼓的转速（即试验时汽车的车速），由测力装置即可测出施加于转鼓的转矩，并依此计算出汽车的驱动力大小。汽车的滚动阻力系数是在轮胎转鼓试验台上完成。由电力测功器驱动的试验轮胎放在转鼓上，转鼓轴连接着作为制动装置的测功器，通过试验测出驱动轮胎的转矩和作用于转鼓的制动力矩，并由此计算出汽车的滚动阻力系数风洞是用来测量汽车空气阻力系数的试验装置。风洞就是用来产生人造气流（人造风）的管道。在这种管道中能造成一段气流均匀流动的区域。汽车风洞有模型风洞、实车风洞和气候风洞等。模型风洞较实车风洞小很多，其投资及使用成本
21、也相对小些，在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行试验，其试验精度也相对低些。实车风洞则很大，建设费用及使用费用极高。目前世界上的实车风洞还不多，主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司。气候风洞主要是模拟气候环境，用来测定汽车的一般性能（如空洞性能等）的风洞。国外的汽车公司在进行汽车开发时，其车身大都是先制成11的汽车泥模，然后在风洞中做试验，根据试验情况对车身各部分进行细节修改，使风阻系数达到设计要求，再用三维坐标测量仪测量车身外形，绘制车身图纸，进行车身冲压模具的设计、生产等技术工作。2.3 评价方法汽车动力性直接影响汽车平均技术速度，汽车动力性的好坏通常以汽车加速性、最高车速及最大爬
22、坡度等项目作为评价指标。动力性代表了汽车行驶可发挥的极限能力。在评价汽车动力性时，由于汽车用途和使用条件的不同，要求也不一样。如经常在公路干线上行驶的汽车，起主要作用的是汽车最大速度，而加速度的要求居于次位。而市内行驶的汽车正好相反，由于城市内交通繁忙，汽车在行驶中需要经常制动、停车和起步，汽车加速性能便成为评价这类汽车的主要指标。下面就讨论对于不同的工况选择同一评价标准。2.3.1 不同工况选择同一评价标准1) 良好路面主要在良好路面（路面质量为三级以上，坡度等符合高速公路条件要求）行驶的各类车辆，包括轿车、货车、越野车及客车，在良好路面，对于汽车的最高车速和加速时间有一定的要求，因而通过最
23、高车速和加速时间的测定，能主要反映汽车的动力性。但此时，通过汽车的爬坡度并不能纵向比较汽车的动力性。此时，汽车的爬坡度对于三指标评价汽车动力性而言，所占比重不大。2) 丘陵及山丘行驶汽车的实际使用工况主要是在丘陵及山区地带行驶的各类车辆，包括货车、农用汽车、越野车等。由于汽车行驶的路面坡度比较大，因此，发动机的后备功率主要是用来克服坡度阻力功率。此时，汽车的最高车速和加速时间并不能反映其所需的动力性。虽然汽车的最高车速在一定程度上反映了汽车的爬坡能力，但在这种工况下通过确定汽车的最高车速来确定汽车的动力性显然是不准确的，此时，爬坡度对于汽车的动力性评价比重，明显较大。3) 无路地区行驶对于主要
24、行驶在坏路、无路地区（如沙漠、泥泞沼泽地、矿区等）的车辆，包括越野车、矿用车等，由于路面的附着系数较小，此时，不要求车辆有很高的速度，在评价动力性时，爬坡度和加速时间所占比重应该比较大。4) 市区路面对于主要在城市内行驶的车辆，如公交车、各类公用车辆等，由于行车密度及城市交通的种种限制，此时，最高车速在评价汽车动力性时并没有多大意义，因为此时，汽车多以抵挡行驶，应加重加速时间的比重，以更好的评价汽车的实际使用动力性。2.3.2 不同用途汽车使用同一评价指标1) 客车大客车动力性指标的优劣主要通过汽车在良好路面上能够达到的最高车速、加速时间和满载时的最大爬坡度3个指标进行综合评价，但3个指标相互
25、独立，并没有综合的评价指标。对于客车的动力性评价增大比功率，对提高大客车的动力性、经济性，改善环保性能都将产生积极的影响。随着公路质量等级的提高和高速公路的迅速发展，客车设计中的最高车速应高于高速公路上规定的最高车速，实际上大多数大客车的设计最高车速已超过100km/h。超车加速时间短，可使超车时与被超车辆并行行程短，行驶亦安全。大型客车加速性能无论是对公交车辆的频繁起步，还是公路上的客运或旅游客车的超车都是非常实际的。2) 货车货车的主要功能在于运输，提高车速能提高运输数量，所以其动力性也应满足最高车速的原则，不同吨位的货车使用不同的发动机，其动力性用3个指标来评价不能说明汽车的动力性，因而
26、可以用比功率等检测参数进行评价。3) 轿车最高车速和加速时间是评价轿车动力性最常用的两个评价指标，虽然最高车速越高，加速时间越快，能在一定程度上说明轿车的爬坡度越好。但是同两款轿车，如甲轿车和乙轿车，如果最高车速一样，加速时间甲轿车大于乙轿车，而轿车的最大爬坡度远小于乙轿车，此时，我们并不能直观评判两者的动力性的优越。4) 越野车越野车主要采用四轮驱动形式，主要在无路等路面行驶，对动力性要求较高，由于对爬坡度要求很高。此时，如甲、乙两越野车，甲越野车爬坡度大于乙越野车，而乙越野车在最高车速和加速时间上大于甲越野车，我们也不能直观地评判两越野车的动力性优越。2.3.3 三大指标评价方法的主要问题
27、由于存在上述不同工况和不同用途的汽车，且三个指标互相独立，就无法用单一的评价指标直观地评判车辆的动力性好坏。正如轿车注重最高车速和加速时间，而越野车却注重爬坡度，不能简单的说越野车的爬坡度好，越野车的动力性能就优于轿车；反之，轿车的最高车速大，加速时间短，也不能简单地说轿车的动力性能好于越野车。同理，一辆在良好路面表现优越的汽车，并不能简单的说比在山丘路面表现优越的汽车动力性好，反过来说也同样不成立。这些情况就表现了三大评价指标的一大缺陷。此外在用汽车随着使用时间的延续、反映动力性的最高车速、加速能力和爬坡能力都会变差，如最高车速降低了，加速能力差了，最大爬坡能力小了，从而显示了具体在用汽车动
28、力性量标固有量值变差的动态是其技术状况衰退变差进程的反映。汽车使用者对所驾驶的汽车跑不快了、拉不动了、爬长坡的速度慢了的反映和体会，即是用这几个量标对所驾驶的汽车动力性状况的一种定性评定。尽管汽车的最高车速、加速能力和最大爬坡度通俗、直观、易于理解，可以直接测定，但要将测得的具体在用汽车的这几个量标的量值与其固有的量值比较对汽车动力性状况进行定量评价，就困难多了。首先新车定型时的这几个量标的额定值是在规定道路条件下试验确定，或者是经计算得出。要测得具体在用汽车的这几个量标值必须在符合定型试验条件的道路上进行试验，才具有可比性。而路试检测汽车动力性受试验条件制约，通用性差，不适于广泛应用。此外，
29、汽车使用手册提出的额定值未加界定，如最大爬坡度就未界定爬坡度的速度，若越测同类同型汽车虽然都能爬上使用手册给定的最大坡度但爬上最大坡度的速度却快慢不等。因此信息性差的量标就不适于用作在用汽车的检测参数。实践表明，汽车的最高车速、加速能力、最大爬坡度等量标随汽车技术状况恶化变差而变化的幅值小，体现汽车技术状况的能力差，难以反映技术状况的微小变化，灵敏性差。因此，不适于用作动力性检测参数，它们不能定量地评定汽车的技术状况。汽车使用手册提供的汽车动力性评价量标的额定值均是在规定条件下，经道路试验确定。由于道路试验和室内台架检测的条件不同，不可将道路试验确定的额定值用作室内台架检测评价汽车动力性的参照
30、值。而要建立各类型汽车的最高车速、加速能力的台架检测评价的通用限值体系，需要投入大量的资金进行大量的实车试验，在全而深入分析试验数据的基础上才能形成切合实际、普遍实用的限值。显然，开展这种基础性、仅具社会效益的工作在当前是相当困难的，也是不必要的。因此，汽车的最高车速、加速能力和爬坡能力用作台架检测参数受外部条件制约。当然，同一辆汽车可通过台架检测其最高车速或加速能力在维修前后或运行前后的变化对比评价其在维修前后或运行前后其动力性状况的变化。汽车技术等级评定标准JT/Tl9895规定汽车动力性可用发动机功率、底盘输出功率、汽车直接档加速时间3个参数中的任一参数评定，但只规定了发动机功率的限位，
31、未规定后两个参数的限值(JT/T198一95中的评定技术要求)，只规定将检测结果折算发动机功率后，再按发动机功率的跟值要求来评定。这样，虽然JT/T198-95规定了汽车动力性可用3个参数检测，由于未规定底盘输出功率和加速时间的限值，实质上JT/T198-95只是规定了发动机功率一个参数用作汽车动力性的检测参数。3 GPS测量系统介绍3.1 简介指挥用户机用户机用户用户管理站地面中心站标校机地面系统.卫星4卫星3卫星2卫星1空间段由前面介绍可知，GPS测量系统是本测试系统的硬件系统的重要组成部分，它主要由空间GPS卫星星座、地面监测和控制系统以及用户设备三部分组成，如下图3.1所示。图3.1
32、GPS组成1) 空间卫星星座空间部分如下图3.2所示，GPS卫星星座由24颗均匀分布在6个与赤道平面倾斜角为55的轨道平面内的卫星组成。其中有21颗工作卫星和3颗备用卫星，卫星高度为20200km11。卫星绕地球一圈约为l2小时，位于地平线以上的可见卫星数会随着时间和地点发生变化，至少可见到4颗，最多则有11颗。目前GPS卫星提供P码和C/A 码两种定位服务，其中P码仅供军方使用，C/A 码对全社会开放12。由于GPS 的C/A码免费开放，已被广泛用于各个领域的测量设备。2) 地面监测和控制系统在导航定位中，GPS卫星的位置是通过利用卫星发射的星历中描述卫星运动及其轨道的参数进行计算获得，该工
33、作主要由地面监控系统完成。地面监测系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，其中主控站通过收集本站和各监测站的数据，计算每颗卫星的星历和时钟差等参数，再传送到相应的注入站，转发至卫星。此外主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，保证各颗卫星统一时间标准。图3.2 GPS 星座分布图3) 户设备GPS的用户设备一般是指各类接收机。GPS接收机硬件主要由主机、天线和电源组成。其作用是：捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，获得相应的导航和定位信息，通过跟踪这些卫星的运行，然后对所接收到的GPS信号进行变换、放大等处理以完成导航和定位工作。3.2 GPS差分定位技术在地面被测点定位中需测量至少
34、4颗卫星，该过程中，主要存在三部分误差。一部分为公有误差，例如卫星钟误差、星历误差、大气对流程误差等；第二部分为传播延迟误差；第三部分为用户接收机固有误差，例如内部噪声、通道延迟等。为了提高精度，消除误差以满足人们越来越高的使用要求，出现了差分定位技术。GPS差分定位技术13-14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。以达到完全消除第一部分误差和大部分的第二部分误差目的，从而提高定位精度。差分定位主要分为位置差分、伪距差分和相位差分三类。这三类定位工作原理相同，都是通过基准站发送改正数，由用户站接收并改正其测量结果，以得到
35、精确的定位结果。所不同的是三类定位所发送的修正数的内容不一样。位置差分是通过基准站的GPS接收机解算得到基准站的坐标，获得基准站的位置偏差，并利用该偏差来来校准用户位置，提高了定位精度，该方法只适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。伪距差分是通过基准站的接收机计算它至可见卫星的距离，并将此距离与含有误差的测量值加以比较，利用一个-滤波器将此差值滤波并求出其偏差，然后用户利用此测距误差来改正测量的伪距，并使用该伪距解算本身的位置，以提高定位精度。载波相位差分定位技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，它是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，基准站通过数据链实
36、时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，该差分技术可达到厘米级的高定位精度。3.3 试验用的GPS测试系统本测试系统所使用的GPS接收机是某公司提供的OEM4系列产品。该类产品最多可以接收和跟踪12颗卫星，具有高数据更新率。并且能够快速捕获和快速重捕GPS卫星信号的特性，因此能较好地应用于高速运动和信号频繁中断的环境下。该GPS系统，主要由基站和移动站两部分组成，其中移动站主要用于对物体的位置直接测量，基站得到信息测量结果，通过RTK差分技术计算，进而对移动站所测结果进行修正15。由于本次设计的系统中
37、使用的GPS移动站在未使用差分时以达到测试系统精度要求，为减少成本，只使用了其移动站。（1）GPS系统移动站组成GPS移动站主要由GPS接收机、GPS天线、各种连接线、外部供电电源等设备组成。该GPS系统移动站采用的是ProPak-G2plus双频GPS接收机34，接收机采用内插固定PCB背板，有三个双向DB-9P接口，分别为COM1、COM2、AUX接口，其通讯波特率可达115200bps，以及一个I/O口，一个电源接口，一个天线输入端和一个OSC接口，以及电源指示灯，接收机的各接口的布置位置以及功能如图3.3所示。接收机和其他设备连线示意图如图3.4所示。12345671. 电源输入；2.
38、 COM1口，与终端设备通讯；3.COM2口，与电台进行数据传递；4. AUX接口，接受IMU数据或提供电源；5. I/O口，一般和某些设备一起使用；6.OSC-外部频标输入接口；7.接收天线接口图3.3 ProPak-G2 接口1.GPS接收机；2.GPS 700天线；3.GPS天线电缆；4.电源线缆；5.可选AC电源适配器或航空电源；6.DB9数据线缆；7.外部终端设备；8.DB9 Y型数据线缆图3.4 移动站子系统连线（2）GPS系统移动站技术指标该GPS系统移动站接收机（ProPak-G2）是一款能抗恶劣环境的高性能接收机，具有较好的性能和测量精度，其技术参数如下表3.2所示表 3.2
39、 GPS接收机技术参数技术参数ProPak-G2定位精度单点L1(SA off,GDOP2)1.8m CEP单点L2(SA off,GDOP2)1.5m CEPRT-20差分0.2m CEP首次定位时间热启动30s冷启动50s再捕获时间L10.5sL21s数据更新率20Hz时间精度20ns速度精度单点0.2m/s差分0.03m/s测量精度C/A码相位6cm RMSL1载波相位（差分）0.75mm RMSL2载波相位（差分）2mm RMS动态特性（最大范围）加速度4g速度514m/s高度18288m3.4 GPS定位方法GPS又称全球定位系统，是随着现代科学技术特别是电子技术的迅速发展而出现的精
40、密卫星定位系统。由于其准确、快速等优点使得其在军事、国民经济等领域被广泛应用，如下图3.5所示。GPS主要被用来对空间某一点的位置进行测量，其测量所获得点的位置坐标，是基于WGS-84世界大地坐标系的观测值，但通常在实际应用中，使用者需知道所测对象在当地坐标系中的坐标值，所以需要对所获得的坐标值进行转换。本节将主要介绍GPS的定位原理、几种不同坐标系，分析GPS各种坐标系之间的相互转换方法。图3.5 GPS的应用3.4.1 GPS定位原理GPS定位是在大地和大气测量技术、空间技术、数字通讯以及计算机技术等基础上发展起来的现代无线电导航技术。它采用三维定位，所测点的轨迹为球面，要大概确定所测点的
41、位置则至少需要三颗卫星。其原理如图2.2所示，以所测点至三颗卫星的距离为半径作三个球面，任意两个球面可以交汇形成一条空间曲线，三个球面交汇处为待定点的大概位置。在测量情况中，所需独立观察的结果数目一般取决于未知量的个数16，因此在测量中，为了提高测量精度和可靠性，同一时间用于定位的卫星数应大于四颗，且卫星数目越多，其定位精度越高。图3.6 GPS三维定位示意图由上分析可知，要测量所测点的空间位置，至少需要3颗卫星。如果知道这3颗卫星的地球坐标为，和，以及各自到GPS接收机的距离，如图3.6所示，通过下列方程可以求解出接收机的三维位置。（3.1） 卫星1卫星3卫星2图3.7 三颗卫星的情况其中上
42、式中的为测量的伪距，即通过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计算得到。由于卫星和接收机存在时间偏差、传播的延迟和其他误差，因此不能测出实际距离，所以称为伪距。卫星4卫星3卫星1卫星2图3.8 四颗卫星的情况正是因为GPS时间与用于测量信号传播时间的接收机时间不同步，所以至少需要四颗卫星才能确定接收机与 GPS 之间的时钟偏差，才能正确定位，如图3.8所示。接收机的时钟偏差和位置可通过下列四个方程求解。（3.2） 其中：，和卫星的已知位置；测量的伪距；c电磁波的传播速度；和GPS接收机时钟偏差；dt卫星时钟偏差；3.4.2 GPS定位常用坐标系统在空间导
43、航定位测试中，坐标系是基础，GPS 定位中常用的坐标系如下：（1）世界大地坐标系（WGS-84）目前国际上统一采用的坐标是WGS-84世界大地坐标系如图3.9所示，坐标以地球质心作为坐标原点；以指向零子午面和地球赤道的交点方向作为X轴方向；平行于地球极轴方向作为Z轴方向；Y轴垂直于X和Z轴，构成右手坐标系。BIH定义的零子午圈1984.0地球质心CTP赤道图3.9 WGS-84 世界大地坐标系（2）大地坐标系起始子午面A(B,L,H)）)HL0B赤道MIA大地坐标系是以参考椭球面为基准面，以起始子午面和赤道面为参考面，如图3.10所示。该坐标系是通过大地经度（L）、纬度（B）和海拔高（H）来确
44、定地面点的位置。纬度为过球面上的一点的椭球法线与椭圆赤道面的夹角，其中位于赤道面以北，称为北纬，以南称为南纬；经度则是空间点与参考椭球的自转轴所在面与参考椭球的起始子午面的夹角， 0度子午面以东为东经，以西为西经；大地高是空间点沿参考椭球法线方向距离椭球面的距离，大地坐标的表示形式为（B，L，H）。 图3.10 大地坐标系（3）高斯平面直角坐标系平面直角坐标系是采用数学投影变换的方法，将空间坐标映射到平面上。该投影变换的方法有很多，如Lambuda投影、UTM投影等，我国大地测量中主要采用高斯-克吕格投影，即为高斯投影，如图3.11所示。LK中央子午线N母线S母线L?K?0图3.11 高斯克吕
45、格投影3.4.3 各坐标之间的转换（1）WGS-84与空间大地坐标系之间的变换对于GPS接收机测得的地球上任一待测点的基于WGS-84坐标系的点坐标（X，Y，Z），可通过以下方程式转换为大地坐标系的经纬度和海拔高度（B，L，H）：（3.3）其中各参数含义如下： 卯酉圈的半径 （3.4） 地球椭球偏心率 （3.5） 其中 a为椭圆的长半轴，b为短半轴。由式3.5可知：（3.6） 首先假定N=a，进行迭代计算，即可求出B，再确定H。（2）大地坐标系到高斯平面坐标系的转换由空间大地坐标系转换到高斯平面坐标系，需进行高斯克吕格投影变换17，由于高斯克吕格投影有长度变化，因此为了控制长度变形将地球椭球面
46、按精度差划分成若干投影带，如图3.12所示。通常按照经差6或3进行分带。我国一般使用6分带法，将全球分为60个带。图3.12 高斯-克吕格投影分布带（3）高斯-克吕格投影公式高斯投影分正算和反算，由WGS-84坐标系的经纬度(B，L)计算高斯-克吕格平面坐标(x，y)，称为正算。而由平面坐标（x，y）求经纬度（B，L）则称为反算。在GPS定位导航中主要用到高斯投影正算，其计算公式为：（3.7）（3.8）上式中各参数含义及计算如下： 高斯投影比例因子，； 通过待测点的卯酉圈曲率半径； 待测点经度（）与中央子午带经度之差； 待测点纬度； 纬度偏移值，单位为，； 当时，从赤道起算的子午线弧长。（3.9）其中系数仅与椭球体本身相关。分别为:其中：，为椭球第一偏心率舍去式（3.7）和（3.8）中7 次以上的高次项，同时可将式（3.9）中的8次以上的项省去，化简得到正算公式分别为下式（3.10）和（3.