高精度機動車GPS測速儀模擬校準技術(shù)研究*

白　銀　孫　橋　杜　磊　于　梅　白　杰

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

高精度機動車GPS測速儀由于其測速精度高，對天氣環(huán)境要求較低，而且安裝簡便，正在逐漸被計量機構(gòu)用作對機動車測速儀工作器具進行現(xiàn)場校準的標準器具。由于目前在國內(nèi)廣泛使用的標準器具是光電式非接觸測速儀，有研究者將高精度機動車GPS測速儀與其進行比對試驗。結(jié)果表明，高精度機動車GPS測速儀的測速精度及響應(yīng)速度、信噪比等性能都能夠滿足機動車現(xiàn)場測速對標準器的需求[1,2]。因此對其校準技術(shù)的研究需求也在逐漸增長。目前國內(nèi)對于高精度機動車GPS測速儀的研究大多集中在測速方法研究以及標準器具的研制上[3-6]。在GPS信號模擬器的溯源技術(shù)研究方面，瑞士國家計量院(METAS)利用標準器具比對的方法來對GPS測速儀模擬器進行校準[7]，我國的研究者對GPS信號模擬器的校準方法也已經(jīng)有一定研究成果[8]。為此，本文對同一臺高精度機動車GPS測速儀，分別使用兩種模擬校準系統(tǒng)進行模擬測速誤差校準，介紹了高精度機動車GPS測速儀的模擬測速誤差校準技術(shù)，驗證了模擬測速誤差校準能夠作為高精度機動車GPS測速儀量值溯源的有效途徑。

1　高精度機動車GPS測速儀工作原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)具有全球、全天候、連續(xù)、實時的精密三維導(dǎo)航與定位能力。GPS測速儀通過安裝在運動載體上的GPS接收器獲取GPS信號，從而得到運動載體的運動速度。GPS測速方法可分為單點測速、基于位置差分解算測速、基于速度修正差分測速、基于載波相位中心差分測速和基于原始多普勒頻移解算測速。其中，前四種方法的測速準確度不僅與載波相位觀測值的準確度有關(guān)，而且受到載體運動狀態(tài)的影響。如果載體不是勻速運動，其速度測量準確度必定受影響，速度變化越大，速度測量誤差就越大，所以這四種方法在測速精度要求較高的實際應(yīng)用中并不多見[9]。

基于原始多普勒頻移觀測值的解算方法是一種普遍使用的高精度GPS測速方法，基本不受載體運動狀態(tài)的影響。多普勒頻移是觀測者接收到的GPS衛(wèi)星載波頻率fr與GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波頻率fs之間的頻率差fd，有：

(1)

(2)

根據(jù)GPS單點定位的數(shù)學(xué)模型，對站星偽距進行微分后，得到單點測速的數(shù)學(xué)模型：

(3)

在式(3)中，只有測速儀的三維速度和測速儀鐘速4個未知數(shù)。理論上，如果能夠觀測到4顆或4顆以上的衛(wèi)星，就可以利用最小二乘法求得載體的速度。

2　基于GSS6700的模擬校準系統(tǒng)

2.1　系統(tǒng)構(gòu)成

Spirent公司生產(chǎn)的GSS6700多功能GNSS模擬器(型號GUSA-0120)具有GPS信號模擬、記錄和回放功能，能夠使用自行編制的測速模擬程序創(chuàng)建與真實使用環(huán)境相近的場景，對高精度機動車GPS測速儀進行校準。本文利用這一功能，結(jié)合衛(wèi)星信號場模擬裝置構(gòu)建的校準系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示[10]，校準系統(tǒng)如圖2所示。

圖1　使用GSS6700的模擬校準系統(tǒng)工作示意圖

圖2　使用GSS6700的模擬校準系統(tǒng)圖

2.2　試驗與分析

被校高精度機動車GPS測速儀(型號Racelogic VBOX III，刷新率100Hz)在20～200km·h-1范圍內(nèi)的模擬測速誤差校準結(jié)果如表1所示，模擬校準過程中衛(wèi)星數(shù)量9顆，每個速度點校準400次。為了檢驗校準裝置是否符合機動車測速儀標準器校準的要求，測量誤差的計算依照JJF 1193—2008《非接觸式汽車速度計校準規(guī)范》的規(guī)定：不大于50km·h-1時，計算絕對誤差，km·h-1；大于50km·h-1時，計算相對誤差，％。

表1　基于GSS6700的模擬校準系統(tǒng)校準結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，使用基于GSS6700的模擬校準系統(tǒng)對被校儀器進行校準，各個速度點的模擬測速誤差均為負誤差，且不大于-0.05km·h-1或-0.05％，相對誤差隨被測速度增加而降低。各個速度點的重復(fù)性誤差均不大于0.01km·h-1或0.01％。

2.3　不確定度評估

以測量誤差及測量重復(fù)性誤差最大的60km·h-1作為參考速度值，進行不確定度評定。按照輸入量的不確定度來源及評定，列出輸出量的標準不確定度分量，見表2。

表2　基于GSS6700的模擬校準系統(tǒng)不確定度分量表

由于各標準不確定度分量相互無關(guān)，故合成標準不確定度為：

(4)

合成相對標準不確定度為0.011％，故相對擴展不確定度為0.022％，k=2。

3　基于Labsat的模擬校準系統(tǒng)

3.1　系統(tǒng)構(gòu)成

Racelogic公司生產(chǎn)的LabsatGPS信號模擬器(型號Labsat)同樣具有GPS信號模擬、記錄和回放功能，工作示意圖如圖3所示。本文利用Labsat信號模擬器運行自行編制的測速場景模擬程序，結(jié)合衛(wèi)星信號場模擬裝置構(gòu)建的校準系統(tǒng)如圖4所示。

圖3　使用Labsat的模擬校準系統(tǒng)工作示意圖

圖4　使用Labsat的模擬校準系統(tǒng)圖

3.2　試驗與分析

被校高精度機動車GPS測速儀(型號Racelogic VBOX III，刷新率100Hz)在20～200km·h-1范圍內(nèi)的模擬測速誤差校準結(jié)果如表3所示，模擬校準過程中衛(wèi)星數(shù)量9顆，每個速度點校準400次。測量誤差的計算同表1。

表3　基于Labsat的模擬校準系統(tǒng)校準結(jié)果

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，使用基于Labsat的模擬校準系統(tǒng)對被校儀器進行校準，各個速度點的模擬測速誤差均為正誤差，且小于0.05km·h-1或0.05％，測速誤差隨被測速度增加而增加。重復(fù)性誤差均不大于0.01km·h-1或0.01％。

3.3　不確定度評估

為了更好的與GSS6700模擬校準系統(tǒng)進行比較，以60km·h-1作為參考速度值，進行不確定度評定。按照輸入量的不確定度來源及評定，列出輸出量的標準不確定度分量，見表4。

表4　基于Labsat的模擬校準系統(tǒng)不確定度分量表

由于各標準不確定度分量相互無關(guān)，故合成標準不確定度為：

(5)

合成相對標準不確定度為0.015％，故相對擴展不確定度為0.030％，k=2。

4　結(jié)束語

本文對同一臺高精度機動車GPS測速儀分別使用兩種模擬校準系統(tǒng)進行了模擬測速誤差校準，并進行了不確定度分析：

1)校準結(jié)果顯示兩種模擬校準系統(tǒng)均能夠在20～200km·h-1范圍內(nèi)進行有效校準，不同速度點的模擬測速誤差均在±0.05km·h-1或±0.05％范圍內(nèi)，校準不確定度分別優(yōu)于0.024％(k=2)和0.030％(k=2)。

2)上述結(jié)果表明，高精度機動車GPS測速儀模擬測速誤差校準法的不確定度小于高精度機動車GPS測速儀最大允許誤差絕對值(0.1km·h-1)的三分之一[12]，因此能夠作為高精度機動車GPS測速儀量值溯源的有效途徑。在實驗室完成高精度機動車GPS測速儀測速范圍和模擬測速誤差等關(guān)鍵計量指標的校準項目，避免了繁瑣危險的現(xiàn)場實車高速試驗，科學(xué)合理、溯源明確、可操作性強。經(jīng)過模擬測速誤差校準的高精度機動車GPS測速儀作為機動車測速標準器具使用，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

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