（电力电子与电力传动专业论文）汽车行驶监控系统的研究.pdf

a b s t r a c t t h ev e h i c l et r a v e l i n gm o n i t o r i n gs y s t e m ( v e h i c l ed a t at r a v e l i n g r e c o r d e r ( v d t r ) ) a p p l i e st h ec o n c e p t i o no ff l i 曲tr e c o r d e rt ov e h i c l e i t c a l lr e c o r d sv e h i c l e s r e a l - t i m et r a v e l i n gi n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s p e c i a ls o f t w a r ew h i c hc a l la n a l y z e sd a t ao nt h ev d t r ，t h et r a v e l i n g s t a t eo fv e h i c l ei ss i m u l a t e d ，t h u sp r o v i d i n gs c i e n t i f i ca n da u t h e n t i cb a s i s f o rt h ea n a l y s i sa n dd e a l i n gw i t ht r a f f i ca c c i d e n t s m o r e o v e r , t h ev d t r c a l li n t e g r a t e sw i t ht h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) t or e c o r da n d m o n i t o rt h ev e h i c l et r a v e l i n gc o n d i t i o n t h i st h e s i sm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo fv t d rm a i n f r a m e t h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do f v t d ri si n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h e nd o m e s t i ea n do v e r s e a d e v e l o p m e n ts t a t u sq u oo fv t d r i ss u m m a r i z e d , a c c o r d i n gt ow h i c ht h e a i mo fv t d rd e v e l o p m e n ti ss e tf o r t h i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，a f t e r c o m p a r e dd i f f e r e n tp l a n so fe a c hf u n c t i o nm o d u l e ，t h et h e s i sd e s i g nt h e s y s t e mf i n a ls c h e m e i nt h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g n , t h et h e s i sp r o b e si n t o t h et r a n s p l a n tp r o c e s sa n dm e t h o do fi _ t c o s i io p e r a t i n gs y s t e mo nt h e a ：i a i e g a l 2 8c p u a sp e rt h ef i m c t i o no fr e c o r d e r se a c hm o d u l e a d e t a i l e dd e s c r i p t i o no nt h ed e s i g np r o c e s so fe a c ht a s ko ft h er e c o r d e r s y s t e mi sg i v e n i n t h ew h o l es y s t e md e s i g n , s e v e r a lm e a s u r e s o f a n t i - j a m m i n ga r ea d o p t e d i nt h es y s t e md e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， w h i c he n h a n c e st h er e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yo f t h es y s t e m i nt h el a s tc h a p t e r , s o m ep r o b l e m sf o u n dd u r i n gt h ed e b u g g i n gs t e p a r ed e s c r i b e da n da n a l y z e di nd e t a i l s t h et h e s i sg i v e sas u m m a r i z a t i o n o nt h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l es y s t e ma sw e l la sa p r o s p e c tf o rt h ef u t u r ew o r ka n dd e v e l o p m e n to f t h er e c o r d e r k e yw o r d se m b e d d e ds y s t e m ，v e h i c l et r a v e l i n gr e c o r d e r ， p c o s i i 原创性声明 本人声明，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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其它单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：雄日期： 耳也牡日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：冱叁焘导师签名作者签名：鱼雌 导师签名d 年月卫日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车行驶监控系统的研究背景和意义 1 1 1 汽车行驶监控系统的研究背景 汽车行驶监控系统( 简称记录仪1 ，是安装在车辆上能够记录、存储、显示 和打印车辆运行速度、时间、里程以及有关车辆运行安全的状态信息的数字式电 子记录装置。 汽车记录仪已在全世界范围内广泛使用。早在1 9 9 0 年以前，当时的欧共体 就通过了在汽车上安装记录仪的立法。目前美国、日本等国家也在大量使用记录 仪。统计资料表明，使用汽车行驶记录仪后，交通事故显著下降，减少了人员伤 亡和财产损失，产生了明显的社会效益与经济效益。在我国目前，交通事故发生 率比以前有较大的上升，给各方面造成越来越多的经济损失。因此，国家制定出 汽车行驶记录仪的国家标准g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，并已于2 0 0 3 年9 月1 日开始实施 【l 】。汽车行驶记录仪的使用，对遏制疲劳驾驶、车辆超速等交通违章，约束驾驶 人员的不良驾驶行为，保障车辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定具有重要 韵作用。所以，研制汽车行驶记录仪具有很重要的现实意义。 从十九世纪，卡尔奔驰在世界上第一次创造出汽车到二十一世纪，汽车工 业在飞速发展，全球的汽车保有量呈几何基数增长。伴随汽车工业的发展，交通 事故也开始大量发生。据资料显示，二十一世纪九十年代以来，全世界由于机动 车造成的直接死亡人数每年高达5 0 多万人，平均每分钟就有一人死于道路交通 事故。这一死亡数字，超过当年全世界局部战争造成的死亡人数的总和。在中国， 由于交通事故的直接死亡人数高达1 0 8 万人，相当于一个中等城市人口的总量。 仅2 0 0 0 年，全国公安交通管理部门共受理道路交通事故6 1 7 万起，造成人员死 亡9 4 万人，伤4 1 9 万人。 长期的实践证明：哪里有管理，哪里的交通事故就极大地得到遏制。遵循这 样的理念，欧共体在七十年代后期提出给每一辆车安装上“电子警察 - - 汽车行 驶记录仪，使驾驶员的任何操作都被“电子警察”自动记录，特别是超时和超速这 样的交通事故的大敌被严格监控。 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 研制汽车行驶记录仪的现实意义 汽车行驶记录仪能够为驾驶员提供其驾驶活动的反馈信息，为道路运输企业 提供良好的管理工具。它的使用对保障道路交通安全起到直接的作用，产生显著 的社会效益和经济效益。 首先，汽车行驶记录仪在车辆超速或超时行驶时能发出报警声，督促司机安 全行车。而且，司机保持车辆中速行驶，对延长车辆使用寿命、节约燃料、减轻 耗损都起到重要的作用，可减少企业经营成本。 其次，汽车行驶记录仪能真实、准确反映车辆运行中的实际状况，记录相关 的数据。其存储的数据可作为企业加强对车辆的使用、运行、调度的科学管理的 依据。 另外，汽车行驶记录仪记录的数据，对交通事故的原因和责任分析，也有 定的作用。正因为此，研制汽车行驶记录仪具有重大的现实意义。 1 2 汽车行驶监控系统的发展现状和发展趋势 ， 早在1 9 3 4 年，德国就发明了世界上第一台纸盘式行驶记录仪。为了保障道 路交通安全运输，1 9 5 3 年，德国政府开始对载重超过7 吨的货车和客车强制推 行纸盘式行驶记录仪。自1 9 7 0 年起，当时的欧共体就通过立法形式，强制推行 行驶记录仪。同时，欧共体还制定了相应法规，以规范记录仪的日常使用和管 理【2 圳。 欧盟自1 9 9 2 年成立以来，已制定颁布了分别规范驾驶员驾驶时间、纸盘式 记录仪技术性能、数字式记录仪技术性能、监督企业和实施路面执法的5 个主要 法规，1 5 个成员国5 0 0 多万辆商用车安装了纸盘式行驶记录仪。目前，欧盟是 世界上最早强制推行使用记录仪的地区，也是使用记录仪数量最多以及相关法律 法规最完备的地区。2 0 0 3 年，欧盟颁布新的规定：自2 0 0 4 年8 月起，在欧盟注册 的毛重超过3 , 5 吨以上的商用车强制安装使用i c 卡技术、有打印功能的数字式 行驶记录仪。 近年来，日本也在大力推动汽车行驶记录仪的应用。在有关机动车的法律法 规中，涉及记录仪的就有道路运输法、道路运输车辆法、货车运输事业法 三项，分别规定了运营里程超过1 0 0 公里的客运车辆和城市的出租汽车均应安装 汽车行驶记录仪，记录的数据和图表应至少保存一年，以供执法部门检查；还明 确规定了运输车队必须设置车辆运行管理员，专门负责对记录仪的记录数据进行 汇总、统计、管理。同时，日本还公布了模拟式行驶记录仪的型式指定基准 和数字式行驶记录仪的型式指定基准，规定了记录仪产品的技术标准和测试 2 硕士学位论文 第一章绪论 方法，以及记录仪市场准入的规则等内容。 在亚洲的马来西亚、新加坡、印度、香港等地都正在以各种不同的方式推行 汽车行驶记录仪的应用。为了便于世界范围内推广记录仪，国际电气和电子工程 师协会( i e e e ) e 于2 0 0 4 年颁布了代号为i e e e s t d l 6 1 6 的汽车行驶记录仪的标 准【1 1 。可以预见，随着人们对汽车行驶记录仪作用的逐步认识，记录仪在全世界 范围内的广泛推广指日可待。 随着微电子与计算机技术的发展，早期的纸盘式模拟记录仪由于其自身的缺 陷而正在被更先进的电子数字式汽车行驶记录仪所取代。目前国外普遍使用的是 具有i c 卡技术和打印等功能的数字式行驶记录仪。这种数字式记录仪采用大容 量存贮器实时存贮车辆行驶数据，并具有显示、报警、打印和数据管理等功能。 从发展的趋势来看，汽车行驶记录仪向大容量、模块化、系统化、智能化、数据 无线传输和数据集成处理的方向发展，汽车行驶记录仪势必将与汽车其它电子系 统( 如g p s 定位、通讯、报警、测重、测温、故障诊断等) 相结合，最终使它成为 确保现代道路交通运输安全和高效物流动态营运管理的不可或缺的记录处理、显 示和数据传送的综合装置，也必将成为智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分 自上世纪8 0 年代后期，国内一些科研机构及企业开始自主研制数字式记录 仪。目前国内市场上汽车行驶记录仪的产品也比较多，常用的包括：公安部第一 研究所研制的s d 7 9 0 型记录仪、上海本安仪表系统有限公司的v r 2 0 2 型记录仪 等。而国内的汽车行驶记录仪基本上是按照g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 的要求进行设计。 但由于在国内记录仪的使用情况正处于起步阶段，所以目前国内市场上的汽车行 驶记录仪功能较为简单，记录的数据量不大，数据的读取显示不够方便，并且所 设定的记录参数相对固定，无法灵活地进行系统的移植或扩充。同时由于安全、 可靠性能不高使得记录仪的普遍性和适用性不强，不利于大范围推广使用p s j 。 车辆行驶记录仪的未来发展趋势如下： 1 g p s 定位技术将和记录仪结合，可以实时地加强对车辆的全过程动态安全 管理，提高车辆事故与安全的预防和分析能力，减少交通事故的发生，提高用户 对车辆动态的管理水平： 2 车辆的故障诊断与预警技术将在今后的记录仪中得到体现，使交通事故防 患于未然，并为汽车维修提供及时、准确的信息： 3 远程数据通信如g p r s ，c d m a 及短程无线数据通讯如蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 等也将进一步被应用，他们将车辆违章数据或交通事故信息实时传送回当 地交通管理，从而彻底改变过去交警路查只能依靠手工的被动执行局面，变为更 为主动的更为节省警力的局面 4 视频监控技术得到应用，可对车辆交通事故场景真实、直观的回放，将为 硕七学位论文 第一章绪论 交警处理分析交通事故，迅速做出判定提供十分准确、公正、科学、有效的原始 数据资料； 5 指纹模块技术的应用，更为科学、准确的解决驾驶员身份的识别，也能应 用于防盗功能的实现 6 肪火防撞材料的应用，使数据记录芯片完好得保存下来，为事故分析提供 有力的原始数据。 1 3 汽车行驶监控系统的组成和功能 1 3 1 记录仪的组成 目前，在市场上所开发的汽车行驶记录仪主要由记录仪主机( 包括微处理器、 数据存储器、实时时钟、显示器、操作键、打印机、数据通信接口、i c 卡等装 置) 、速度传感器和g p s 定位这几个部分组成。 1 3 2 汽车行驶记录仪的功能： 1 全程监控记录：汽车行驶记录仪可以全程采集记录车辆行驶和司机操作的 各种信息数据，能以不大于l m i n 的时间间隔持续记录并存储车辆在最近3 6 0 h 内的行驶状态数据，利用配套使用的管理软件可以输出全程行驶曲线，使管理者 能对车辆行驶和司机驾驶情况进行全面了解掌握； 2 司机疲劳驾驶记录：记录仪自动统计记录同一驾驶员在最近两个日历天内 疲劳驾驶记录；管理软件可以自动统计同一个驾驶员在最近1 5 日内任意时间段 的疲劳驾驶记录； 3 事故疑点记录：记录仪以0 2 秒的时问间隔，记录车辆停车前2 0 秒时间段 内和实时时间相对应的车辆速度和各种状态作为事故疑点数据；利用管理软件可 输出事故疑点曲线； 4 司机识别功能：利用i c 卡实现驾驶员的身份识别。i c 卡内设置有驾驶员 代码、驾驶证号码等项内容，插入记录仪内，记录仪可以自动识别( 亦可根据需 求采用其他识别措施) ； 5 交通警察现场执法功能：记录仪可以显示车辆停车前1 5 分钟内每分钟的 平均速度和最近两个日历天内驾驶员疲劳驾驶记录，警察以此来判定司机是否超 速和疲劳驾驶；连接打印机可以打印出超速和疲劳驾驶记录作为执法依据； 6 数据通讯功能：记录仪配有u s b 口和r s 2 3 2 两个数据通讯接口。利用笔 记本电脑或掌上电脑可以对记录仪进行参数设置；记录仪也可以向笔记本电脑、 4 硕士学位论文第一章绪论 掌上电脑或u 盘直接传输记录的行车数据 9 - 1 2 j ； 7 显示功能：实时时间、车辆行驶速度。最近1 5 分钟内每分钟的平均速度、 最近两个日历天内的疲劳驾驶记录、驾驶员代码及其驾驶证号，车辆特征系数等： 8 管理功能：可按运营单位、管理部门、驾驶员等不同方式生成各种曲线和 统计报表，便于进行管理； 9 无线传输、定位和实时跟踪( 选用功能，针对已安装了g p s 、g s m 模块) ： 详细记录车辆行驶轨迹，很好地约束驾驶员按规定的路线行驶，实时跟踪定位车 辆所处位置并存储行驶路线，实时传输车辆的状态信息，便于车辆的管理和监 控： 1 0 超速报警和超速记录：当车速超过记录仪内设定的速度限制标准时，记 录仪以声的形式报警，提醒司机及时减速；在报警的同时记录下超速的全部过程， 包括：超速的起止时间、里程、速度、驾驶员驾驶证号码、车牌照号码、车辆 分类等 1 3 3 数据分析软件功能 记录仪的数据分析软件全部使用中文界面并具有一定的兼容性，能在通用的 中文操作系统中安装使用。 上位机管理分析软件要实现的功能是： 1 系统管理 对记录仪系统参数进行设置与管理，包括用户权限的管理、驾驶员信息的管 理、汽车信息的管理以及车辆特征系数的设定等。 2 数据查询分析 对来自于主机的源数据进行查询( 可以设置多种查询条件) ，并以图形与表格 的方式进行结果分析，如生成事故疑点数据曲线图、一般行驶速度记录曲线图、 数据列表等。 3 擞据统计 按照一定的统计规则，将结果数据进一步地统计分析，以得出相应的数据规 律，为进一步提高安全行驶提供技术基础。 4 数据传输 包括r s 2 3 2 串行接口的通信以及u s b 磁盘数据的读写，即完成数据上载( 从 记录仪传输到p c 机) 与数据下传( 从p c 机传输到记录仪) 。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 4 记录仪数据安全性 记录仪应防止数据被更改或删除，应从记录仪硬件和数据分析软件系统两 个方面来实现记录仪数据安全性： 硬件上，应在记录仪上或其它适当的地方采取可靠安全措施( 如铅封) 防止 数据存储器等重要器件被更换。记录仪内车辆行驶速度、里程、驾驶时间等原始 数据不能通过外部设备进行任何修改或删除操作。 分析软件上，对车辆识别号、车辆牌号、车牌分类、车辆特征系数、驾驶 员代码、驾驶员号码等重要参数，一般情况下应设置为只读，不能更改和删除。 在记录仪初始化调试、校准、维修或其它特殊情况下需对上述重要参数进行设置 操作时，需经操作授权。 1 4 相关术语 1 车辆特征系数 车辆行驶每公里里程时驱动速度传感器的转数( r k i n ) 这是车辆固有的、每 行驶l k m 时车辆齿轮箱所输出的用于驱动速度传感器的转数，该系数乘以速度传 感器每一转输出的脉冲数，即为车辆每行驶l k m 输出的脉冲信号数。 有的车辆给出的是里程比k ( 通常以1 ：k 的写法给出) ，即车辆每行驶0 1k m 齿轮箱传感器所输出的脉冲数为k 个脉冲。里程比和车辆特征系数之间的关系是 固定的，可以互相换算。 2 连续驾驶时间 同一驾驶人员在相邻的、时间超过2 0 r a i n 的休息时段之间的驾驶时间总和。 连续驾驶时间可分为几种情况：一是在一次驾驶中始终未停车；二是驾驶了一段时 间后停车休息，但停车时间没有超过规定的最短时间2 0 m i n 又接着驾驶车辆，那 么两段驾驶时间因中间休息未超过2 0 m i n 的时间也将被视为连续驾驶时间：只有 两段驾驶时间中间的休息时间超过2 0 r a i n 以后，这两个时间段才不被视为连续驾 驶时间。 3 日历天 以北京时间计算从0 0 ：0 0 点到2 4 ：0 0 点的一整天。 4 上载 记录仪把特定数据信息按约定的格式发送给外部设备。在数据通信时，记录 仪在接到数据传输指令时向上位机发送数据，此过程称为上载。 5 下传 外部设备把特定的数据信息按约定的格式发送给记录仪。上位机对记录仪进 6 硕士学位论文 第一章绪论 行各种参数设定的过程称为数据下传。 1 5 本文的主要工作 本论文研究的内容如下： 1 介绍了多功能汽车行驶记录仅的科研背景、国内外发展情况、项目技术基 础等，在对市场需求进行分析的前提下，讨论了开发多功能汽车行驶记录仪的必 然性以及所具有的重要意义。 2 开发多功能汽车行驶记录仪的理论基础g p s 技术，完成了开发本系统的理 论研究。 3 分析了信号采集系统，包括数字信号、模拟量信号，分别介绍了各信号量 的采集过程。 4 分析了多功能汽车记录仪硬件系统的开发过程，讨论了汽车行驶记录仅各 模块的设计过程，对记录仪主机及相关硬件设备作了描述。 5 详细论述了底层软件的设计，首先介绍了嵌入式实时操作系统，t t c o s i i 的内核，然后介绍了各功能模块运行的流程图，最后还对记录仪进行了r a m s 分析。 6 阐述了系统在软、硬件测试过程中碰到的各种问题进行了讨论，并对进一 步的工作进行了展望。 硕士学位论文 第二章g p s 定位系统 2 1g p s 定位技术 第二章g p s 定位系统 随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理 调度，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统中的一个重要问题。过 去，用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员 发出调度命令，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏 地带或在夜间则无法确认自己的方位甚至迷路。因此，从调度管理和安全管理方 面，其应用受到限制。g p s 定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位 提供了具体的实时的定位能力 1 a - l s 。通过车载g p s 接收机使驾驶员能够随时知 道自己的具体位置。通过车载电台将g p s 定位信息发送给调度指挥中心，调度 指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来。 g p s 在车辆监管中的具体应用：。 1 车辆等移动目标跟踪监控作用：利用g p s 和电子地图可以实时显示出车辆 的实际位置，还可以实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪，实现对重要车辆和 货物的跟踪运输。 2 防盗安全监控作用：公共汽车上安装g p s 后，此系统会对盗窃等不法行为 进行抓拍，并将现场图像快速准确地传送到1 1 0 指挥中心，使警务人员在第一时 间内赶赴现场。同时对数据加以储存记忆，实现了对惯犯的有效监控。家庭安装 了g p s 后，此系统的远程监控功能可使主人通过手机或上网对家里进行现场监 控。 3 事故紧急救援作用：通过g p s 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生 事故的车辆进行紧急援助。 4 重要场所监控作用：在金融、政府等重要场所安装g p s 后，系统会将每一 个出入人员做详细记录，从各方面保障重要场所的安全性。 除以上功能外，g p s 机动车监控联网报警系统还具有以下服务内容：网上查 车、手机查车、车载电话、超速监控、市区路况通报、车载黑匣子、医疗救助、 越界报警、在线导航、远程实时查看车内情况、行车轨迹回放、远程开关车门等。 2 1 1g p s 的组成部分 空间部分：2 l 颗工作卫星，3 颗备用卫星。 8 硕士学位论文第二章g p s 定位系统 地面支撑系统：1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。 用户设备部分：接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经 数据处理，完成导航和定位工作。g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 卫星轨道倾角5 5 度，两个轨道面之问在经度上相隔6 0 度，每个轨道面上分布放 4 颗卫星，因此在地球上任意地方，至少同时可以见到4 颗卫星。卫星的主要任 务是对空间卫星系统进行监测、控制，并向用户发送导航电文。 g p s 的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用 户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度 和时间信息。g p s 定位原理图如图2 1 所示。 定位图中的公式就是g p s 芯片如何将卫星的位置信号转换成自己的坐标的 算法，其中需要注意的是卫星时间和接收机时间有差别。 卫皇2e 星3 4 n 埘 图2 1 定位原理图 【( 而一工) 2 + ( 乃一j ，) 2 + ( 毛一z ) 2 】啦+ c ( 1 ，f i 心) = 嘎 篙：麓二荠二譬二嚣麓习耋 【( 弓一妒+ ( 乃一力2 + ( 乙一z ) 2 】怛+ c ( 气一v f 0 ) = 弓 、 【( 矗一功2 + ( j 一j ，) 2 + ( z j z ) 2 】牡+ c ( v 1 一心) = 以 下面把公式( 2 1 ) 四条方程式中各个参数的含义说明一下： 待测点坐标x 、y 、z 和。为未知参数，其中a , - = c a t , ( i - l 、2 、3 、4 ) 。 z ( i - l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间的距离。 ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接收机所 经历的时间。c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 、月、弓( i - 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空 间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 v i i ( i - - 1 、2 、3 、分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差，由 卫星星历提供。v t 。为接收机的钟差。 9 硕士学位论文第二章g p s 定位系统 由以上四个方程联立即可解出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差v t o ，而接 收机也正是这样做的。 g p s 能为全球用户提供精确的位置、速度和时间修正，位置精度可达到 1 0 m ，速度精度约为0 i m s 。而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分g p s 技术：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，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户 接收机在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果 进行改正，从而能够提高其定位精度。按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相 对定位( 差分定位) 。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位 置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位( 差 分定位) 是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方 法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用 相位观测值进行相对定位。用后者同样可以进行车辆的定位，在g p s 观测量中包 含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还 要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削 弱，因此定位精度将大大提高。 2 2g p s 信号接受机及分类 用于g p s 的芯片由两个主要部分组成：一个是接受g p s 信号的天线，i n g p s 信号接受机；一个就是将g p s 信号( 射频信号) 转换成r s 2 3 2 信号的数据传输转换 器，该芯片会最终将信号传送到c p u 。其中信号接收机属于目前做得比较完善的 一个部件。它的工作原理就是通过接收导航卫星的位置信号，再进行一系列的计 算，最终得到自己的坐标。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能 够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收设备，即g p s 信号接收机。可以在任 何时候用g p s 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的g p s 信号接收机也各有差异。 按接收机的用途分类： 1 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速 度。这类接收机一般采用c a 码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为 士2 5 m m ，有s a 影响时为+ 1 0 0 m m 。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领 域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型一用于车辆导航定位；航海型 一用于船舶导航定位；航空型一用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因 此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。星载型一用于卫星的导航定位。 l o 硕士学位论文第二章g p s 定位系统 由于卫星的速度高达7 k m s 以上，因此对接收机的要求更高。 2 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结 构复杂，价格较贵。授时型接收机这类接收机主要利用c p s 卫星提供的高精度时 间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 而如果按接收机的载波频率分类： 1 单频接收机 单频接收机只能接收l l 载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不 能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线( 1 5 k i n ) 的精密定位。 2 双频接收机 双频接收机可以同时接收l l ，l 2 载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样， 可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公 里的精密定位。 按工作方式分为： 1 相关码接收机 这种接收机采用相关接收技术，对卫星信号进行解码，然后根据卫星信号中 的信息进行定位。其优点是费用较低，精度也低。 2 载波相位观测接收机 这种接收机通过对卫星信号载波相位的观测进行定位，而不需要了解信号的 内容( 除卫星的位置外) 。其优点是精度高，但费用昂贵。本设计采用的是导航型 双频相关码接收机，可以在上百公里的高速公路上比较精确地确定运动汽车的位 置。基本上满足高速公路上的导航定位要求。 2 3 差分g p s 差分g p s 根据其系统构成的基准站个数可以分为单基准差分、多基准的局部 区域差分和广域差分。无论何种差分，其工作原理基本相同，都是由用户接收基 准站发送的改正数，并对其测量结果进行改正以获的精密定位的结果。 影响g p s 定位、测速和授时精度的因素来自于空间卫星、电波传播途径、接 受设备和人为因素，包括卫星钟误差、卫星星历误差、s a 引入误差、电离层和 对流层延迟误差、多路径效应以及接受机噪声、通道偏差和信号处理引入的测量 误差。影响定位精度的主要误差来源有四个：( 1 ) 空间卫星的误差；( 2 ) 电波传播误 差；( 3 ) 接收机误差；( 4 ) s a 引入误差。 美国国防部1 9 9 2 年宣布在所有g p s 卫星上实施选择可用性( s a ，s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 技术，但却降低了c a 码的水平定位精度和垂直方向上的定位精度。 硕士学位论文第二章g p s 定位系统 这种采用s a 技术的c a 码的定位精度被称作标准定位服务精度( 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 ) 。由于s a 的影响，引起的等效伪距测量误差大约为3 0 m ，这 是影响g p s 定位精度的最主要因素。 为了尽量降低s a 政策对定位精度的影响和尽可能的消除或减少上面的误 差，人们提出了差分g p s 技术。差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一 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。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参 数。它使用一台g p s 基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术， 就可以使用户测量时消去公共的误差源一电离层和对流层效应。 根据差分g p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 定位分为三类，即：位置 差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基 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。 2 3 1 位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种g p s 接收机均可改装和组成这种差 分系统。 安装在基准站上的g p s 接收机观测4 颗卫星后便可进行三维定位，解算出 基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、s a 影响、大气影响、多径效 应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基 准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐 标进行改正，g p s 差分定位图2 2 所示。 图2 - 2 g p s 差分定位 g p s 差分定位系统由基准台、流动台和无线电通讯链三部分组成。 基准台：接收g p s 卫星信号，并实时向流动台提供差分修正信号。 流动台：接收g p s 卫星信号和基准台发送的差分修正信号，对g p s 卫星信 硕士学位论文 第二章g p s 定位系统 号进行修正，并进行实时定位。 无线电通讯链：将基准站差分信息传送到流动台。 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫 星轨道误差、s a 影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站 和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在 1 0 0 k i n 以内的情况。其数学模型为； a x - - x 6 0 一= + a x 缈= 记一z = 只+ 缈( 2 2 ) a z = 芯一z gz ：= 乙+ z 式中： 、记、之一基准站已知坐标； 、j 1 6 、见、一分别为基准台、用户台单点定位结果； z 、矿、z 经修正后的用户台坐标： 顾及用户接收机位置改正值的瞬时变化，式( 2 2 ) 可进一步写成 r = + a x + d ( a x ) d t ( t t o ) 矿= 只+ a y + 矗( 缈) d t ( t t o ) ( 2 3 ) z = z j + a z + d ( a z ) d t ( t t o ) 式中：t o 为校正的有效时刻。 位置差分精度可达5 l o m 。但是位置差分要求用户台接收机单点定位所用 的卫星，与基准台求修正值时所用的卫星完全一致。若有一颗卫星不一样就可能 产生4 5 m 以上的误差。 2 3 2 伪距差分( r t d ) 原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分g p s 接收机均 采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的r t c ms c 1 0 4 也采用了这种技术。 利用基准站已知坐标和卫星星历求卫星到基准站的几何距离，作为距离精确 值足o 。将此值与基准站所测伪距值以求差，作为差分修正值，通过数据链传给 流动台。流动台接收差分信号后，对所接收的每颗卫星伪距观测值进行修正，然 后再进行单点定位。式( 2 2 ) 、式( 2 _ 3 ) 为差分数学模型。 基准站发布的差分信息，是某时刻t 卫星s 的伪距修正值印：和伪距修正值 的变化率印：。基准站至卫星距离为震k ，可以用基准站坐标和卫星广播星历求 得。 嚷：硌一砖碱：丝坐掣( 2 - 4 ) 硕士学位论文第二章g p s 定位系统 流动站伪距修正模型为： o = + 歧+ 畋血 ( 2 5 ) 由于伪距差分是对每颗卫星伪距观测值进行修正，所以不要求基准站和流动 台接收的卫星完全一致，只要有4 颗以上相同卫星即可。其差分精度取决于差分 卫星个数、卫星空中分布状况及差分修正值延迟时间。伪距差分精度为3 1 0 m 。 基准站距流动台距离可达2 0 0 3 0 0 k m 。近年来又发展利用相位观测值精化伪距 值以提高差分精度，称为相位平滑伪距差分，其差分精度可达到l m 。 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。用户和基 准站之间的距离对精度有决定性影响。 2 3 3 载波相位差分原理 测地型接收机利用g p s 卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精 度( 1 0 6 1 0 - 8 ) 。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或 更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。 差分g p s 的出现，能实时绘定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下 测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地 用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术。 载波相位差分技术又称为两个测站的载波相位基础上的度，r t k 技术( r e a l t i m ek i n e m a t i c s ) 。它能实时提供观测点的三维坐标，是建立在实时处理并达到厘 米级的高精度。 与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实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g p s 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，能实时给出厘米级的定位结果。实现 载波相位差分g p s 的方法分为两类：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用户台进行求差解算坐标。前者为准r t k 技术， 后者为真正的r 1 k 技术。 如果不采用差分g p s 技术，通常误差会有1 6 0 m 左右，这样运用在车载监控系 统中就很难确定汽车的真实位置。特别是在高速公路上。这种误差是不容许的。 r t k 技术可应用于海上精密定位、地形图和地籍测绘。该技术也同样受到基 准站至用户距离的限制，为解决此问题，发展了局部区域差分和广域差分定位技 术。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。 1 4 硕士学位论文 第三章车辆信号处理 第三章车辆信号处理 本系统的输入信号较多，大致可分成三类：模拟信号、数字信号以及开关量 信掣m 7 1 ，不同种类的信号采用不同的采集方式。 车辆信号包括车速传感器信号、曲轴传感器信号以及8 路车辆制动状态信 号。车速传感器信号用于计算车辆速度和行使里程，曲轴传感器信号用于确定发 动机运行状态，制动状态信号为行驶状态数据的重要组成。 3 1 传感器信号处理 车辆传感器信号包括车速信号、转速信号、轮胎气压信号、水温信号和油压 信号。前两项分别由主控单片机的外中断i n t o ，i n t i 控制，后三项分别由主控 机的l 控制。 3 1 1 车速传感器信号 车速传感器直接使用车辆齿轮箱自带的传感器，一般车辆的齿轮箱传感器都 已标准化为霍尔传感器。当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两 个霍尔传感器将产生同样的输出信号。无论该磁场的绝对强度有多大，它们之间 的差值总为零。然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个 齿隙，如果两个霍尔单元之间存在磁场梯度，那么将产生一个差值信号，并在芯片 上放大 车速脉冲信号先通过滤波钳位后输入到电压比较器l m 2 1l ，连接到c p u 的计 数器的输入捕获引脚上，通过脉冲计数来算出车辆速度。车速传感器信号处理电 路如图3 1 所示。 图3 - 1 速度信号处理电路 ， 齿轮箱传感器的输出脉冲和车辆特征系数有对应关系，通过计算一段时间内 的脉冲数，即可算出车速和行驶里程。 硕士学位论文第三章车辆信号处理 3 1 2 曲轴传感器信号处理 曲轴传感器用磁电式传感器，磁电式转速传感器是利用磁场作为媒介或利用 永磁体的各种物理效应来实现转速测量，也是一种非接触式转速传感器，它由固 定于被测转轴上的旋转齿轮和永久磁铁磁芯及感应线圈等组成，图3 2 为磁电车 速传感器。汽车车轮滚动时，带动齿轮以一定的转速旋转，当磁电传感器对准齿 顶时，磁电传感器感生电动势增强，同理当磁电传感器对准齿槽时，磁电传感器 感生电动势减弱，由于磁阻的变化，磁电传感器输出的电压信号为交变信号。信 号电势的频率随转轴角速度变化，角速度越快，电势幅值越大。但因信号较弱( 一 般在3 m v 左右) ，所以必须经过信号放大及整形电路，将交变信号变为脉冲信号， 送入c p u 输入口，以获取车速信号。 3 1 销子2 绕组3 永久磁铁4 脉冲电压 图3 - 2 磁电车速传感器工作示意图 磁电式转速传感器由于具有结构简单、安装方便、价格适中等优点，且一 般不受油污、粉尘及杂光的影响，所以一直被广泛应用于车辆的自动控制系统中。 1 n t i 为单片机外中断，设置为低电平触发。当发动机熄火时，曲轴不转动，传 感器的输出电压为0 ，q 1 处于截止状态，此时i n t i 处为高电平，不产生中断。 当发动机运行后，磁电传感器不断的输出高电平和低电平，输出高电平时q 1 导 通，致使i n t l 处电平被拉低进而产生中断。串接的二极管用于滤掉负脉冲，r c 网络则用于去除干扰。 曲轴传感器用于发动机运行状态的确定，发动机状态判断在o 2 s 中断程序 中执行，因此只要保证发动机在1 0 0 转分的转速下能输出5 h z 的脉冲即可，一 般磁电传感器都能达到此精度。发动机在1 0 0 转分或者更低的转速下不能稳定 运转，可认为发动机处于停止状态 1 6 硕士学位论文第三章车辆信号处理 3 1 3 轮胎压力传感器 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，车胎独特的工作环境