一種車載gps實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，包括載體車輛，以及安裝在載體車輛上的車載GPS系統(tǒng)和PC機(jī)。本發(fā)明所述車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)定性差、維護(hù)難度大和測(cè)量精度低等缺陷，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好、維護(hù)難度小和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0003]近年來(lái)，隨著全國(guó)人均收入的不斷提高，車輛的普及率也在不斷提升，車輛漸漸的成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N必需品。當(dāng)然，作為一種出行常用的交通工具，人們?cè)谧⒅仄浣?jīng)濟(jì)美觀的同時(shí)，對(duì)車輛的安全性、穩(wěn)定性也有了更高的要求，尤其是在事故頻發(fā)的當(dāng)下，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注車輛的安全性能。
[0004]GPS技術(shù)為車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量提供了一種新的方法。車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)來(lái)自太空的GPS衛(wèi)星的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行不斷地采集和處理，并以此判斷出車輛當(dāng)前所在的位置。車輛產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今中國(guó)不斷發(fā)展的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，在人們的日常工作和生活起著日益突出的作用[7]。
[0005]國(guó)內(nèi)有人也已經(jīng)開(kāi)始了利用GPS對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始研宄。如張金柱等人開(kāi)發(fā)的基于GPS的車輛主動(dòng)安全控制系統(tǒng)[16]，在結(jié)合GPS和INS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上已能夠整體的測(cè)量車輛的側(cè)傾角等信息。付江華等人也提出了一種利用車載GPS與INS系統(tǒng)相結(jié)合的車輛運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試方案。以上這些研宄大多通過(guò)測(cè)量定位精度十分高的GPS系統(tǒng)，或者以多個(gè)GPS系統(tǒng)進(jìn)行組合作為研宄的硬件基礎(chǔ)，這也導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)成本較高，安裝復(fù)雜，并不適用于在普通車輛上大量生產(chǎn)和裝備。
[0006]利用GPS技術(shù)對(duì)車輛狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的研宄是一個(gè)新興的研宄課題，國(guó)外已經(jīng)有不少研宄成果，且隨著GPS成本的降低，國(guó)外的GPS技術(shù)的研宄已經(jīng)從導(dǎo)航、定位、監(jiān)控發(fā)展到了 GPS作為一個(gè)測(cè)量核心為車輛自動(dòng)控制系統(tǒng)提供車輛實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且現(xiàn)在整個(gè)GPS測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)用到了輔助駕駛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等方面[18-21]。GPS的姿態(tài)測(cè)量和控制在國(guó)外經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)比較成熟。國(guó)內(nèi)對(duì)基于GPS車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的研宄起步較晚，國(guó)內(nèi)GPS系統(tǒng)用于車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)還處于初級(jí)階段。
[0007]要通過(guò)GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)，還需要解決諸多的技術(shù)難題。與此同時(shí)在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的研宄中使用的硬件主要還是載波相位接收機(jī)。雖然載波相位接收機(jī)能夠較為精確地對(duì)物體進(jìn)行定位，但是載波相位接收機(jī)也存在著明前的缺點(diǎn)導(dǎo)致它在商用車輛上很難普及。例如:儀器笨重，現(xiàn)場(chǎng)布置困難，天線復(fù)雜等缺點(diǎn)。但是隨著GPS電子硬件的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的不斷解禁，使普通類型的單天線GPS接收機(jī)通過(guò)一些處理也能夠得到亞米級(jí)的測(cè)量精度，再結(jié)合一些適當(dāng)算法的結(jié)合，有望進(jìn)一步提高GPS的測(cè)量精度。
[0008]GPS測(cè)量精度的不斷提高為通過(guò)GPS測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而進(jìn)行車輛控制提供了可能性。同時(shí)為了解決基于GPS進(jìn)行車輛控制的問(wèn)題，還必須對(duì)GPS系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)與檢測(cè)，由此推算出更加全面的車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)信息，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析與論證，進(jìn)而推算出車輛是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)，為車輛主動(dòng)安全控制系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)支持，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的車載GPS系統(tǒng)將是一個(gè)集定位導(dǎo)航，車輛姿態(tài)管理和穩(wěn)定性分析以及車輛控制的大系統(tǒng)。
[0009]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在穩(wěn)定性差、維護(hù)難度大和測(cè)量精度低等缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好、維護(hù)難度小和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，包括載體車輛，以及安裝在載體車輛上的車載GPS系統(tǒng)和PC機(jī)。
[0012]進(jìn)一步地，所述車載GPS系統(tǒng)，包括車載GPS信號(hào)接收器；
所述車載GPS信號(hào)接收器，由GPS衛(wèi)星廣播電文接收芯片和其外圍電路組成，其中GPS衛(wèi)星廣播電文信號(hào)接收芯片采用天寶公司的接收芯片。
[0013]本發(fā)明各實(shí)施例的車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，由于包括載體車輛，以及安裝在載體車輛上的車載GPS系統(tǒng)和PC機(jī)；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)定性差、維護(hù)難度大和測(cè)量精度低的缺陷，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好、維護(hù)難度小和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。
[0015]下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
圖1為本發(fā)明中車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，如圖1所示，提供了一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。
[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案中，車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的構(gòu)建及工作原理: 車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)主要由以下三個(gè)大部分組成:車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的載體車輛、車載GPS系統(tǒng)、PC機(jī)組成。
[0020]載體車輛是整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境。車載GPS全球定位系統(tǒng)除了受到GPS接收機(jī)收到的外部固有噪聲(多路徑效應(yīng)、電離層誤差、衛(wèi)星及接收機(jī)鐘差干擾)外還會(huì)受到啟動(dòng)的載體車輛本身所受到的一些干擾，如由于發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)而引起的車輛車身小幅度震動(dòng)導(dǎo)致車載GPS接收天線也一直處于小幅度震動(dòng)之中，因此GPS接收機(jī)接收到的GPS數(shù)據(jù)也不可避免的存在一定得偏差。與此同時(shí)車輛在行駛的過(guò)程中必定也會(huì)隨著行駛路面的凹凸性產(chǎn)生一定的沿車輛垂向方向上的震動(dòng)，這種震動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致GPS接收到的高程方向上的信息不準(zhǔn)確。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案采用的GPS全球定位系統(tǒng)。GPS定位采用絕對(duì)定位原理進(jìn)行定位。從定位原理上來(lái)說(shuō)這是一種基于空間距離后方交會(huì)原理的一種定位方法。在GPS定位系統(tǒng)中首先得到的是一顆衛(wèi)星的位置以及衛(wèi)星到待測(cè)點(diǎn)的距離(又稱為偽距)，然后這一顆以衛(wèi)星為中心，以偽距為半徑做球面，則待測(cè)點(diǎn)在球面上。如果此時(shí)我們能夠測(cè)得三顆衛(wèi)星，按照同樣的方法，我們便得到了三個(gè)球面，這三個(gè)球面有一個(gè)共同的焦點(diǎn)，即為待測(cè)點(diǎn)。從理論上來(lái)說(shuō)由這三顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)即可求出待測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值。但是實(shí)際測(cè)量中，由于GPS接收機(jī)和GPS衛(wèi)星都存在著鐘差的問(wèn)題，所以通過(guò)這種方法求得的待測(cè)點(diǎn)到GPS衛(wèi)星之間的距離并不完全等于他們之間真實(shí)的距離，在這個(gè)距離中含有一個(gè)鐘差未知數(shù)引起的不確定因素，為了解決這個(gè)未知數(shù)，又必須有第四顆衛(wèi)星被觀測(cè)到。所有衛(wèi)星參數(shù)可以組成四個(gè)四元一次方程，解這些方程即可得待測(cè)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。
[0022]車載GPS信號(hào)接收器主要由GPS衛(wèi)星廣播電文接收芯片和其外圍電路組成，其中GPS衛(wèi)星廣播電文信號(hào)接收芯片采用天寶公司的接收芯片。由該芯片為核心組成的系統(tǒng)能夠自動(dòng)接收GPS文星電文中的全球定位數(shù)據(jù)(GPGGA)、衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)(GPGSA)、衛(wèi)星狀態(tài)信息(GPGSV)、運(yùn)輸定位數(shù)據(jù)(GPRMC)四種GPS數(shù)據(jù)。這四種數(shù)據(jù)按照GPS NMEA-0183協(xié)議進(jìn)行解析能夠得出車輛的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
[0023]本發(fā)明的技術(shù)方案采用的PC。在車載GPS信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中PC機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和車輛姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示中心。PC機(jī)針對(duì)GPS接收機(jī)采集到的數(shù)據(jù)。通過(guò)Visual C++軟件編程的方式由串口采集GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的有效GPS語(yǔ)句按照相關(guān)協(xié)議進(jìn)行解析，對(duì)解析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和卡爾曼濾波等處理，對(duì)處理出的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，得出更加全面的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，如速度、加速度、航向角、航向角速度、等信息以表格或者曲線的形式顯示到PC機(jī)上以此估計(jì)出車輛行駛狀態(tài)。
[0024]車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)個(gè)硬件組成及聯(lián)系如圖1所示。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)方案采用Trimble公司的GPS接收機(jī)作為系統(tǒng)的信號(hào)接收設(shè)備，研宄了車載GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)造實(shí)際的系統(tǒng)和實(shí)車試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論，提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉且結(jié)果可靠的實(shí)時(shí)測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方案。同時(shí)本發(fā)明的技術(shù)方案還論述了車載GPS和實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的GPS在接收數(shù)據(jù)時(shí)受到不同干擾時(shí)運(yùn)行的不同結(jié)果。并通過(guò)卡爾曼濾波的方法提高車載GPS提供的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使之能夠?qū)崟r(shí)反映車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。GPS系統(tǒng)因其種種特性，雖已成為一種主流的導(dǎo)航、定位、監(jiān)控手段。但是遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出GPS系統(tǒng)強(qiáng)大的作用，GPS系統(tǒng)雖然只提供確定的車輛的實(shí)時(shí)位置，以及車輛的瞬時(shí)速度、航向角等等，但卻可以通過(guò)車輛定位參數(shù)(經(jīng)度、瑋度、高度等)的分析，進(jìn)一步分析估算得出車輛的加速度、航向角、航向角速度、俯仰角、轉(zhuǎn)彎半徑等一系列參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)的估計(jì)，可以估算出車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而推算出車輛當(dāng)前是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)，是否需要進(jìn)行相應(yīng)的控制以提高車輛的操作性、安全性和舒適性。切實(shí)有效的提高駕駛員對(duì)車輛的控制，提高車輛行駛中的安全性減少車輛交通事故。與此同時(shí)GPS設(shè)備現(xiàn)在集成度比較高，模塊化程度高，體積小，安裝方便，并且數(shù)據(jù)傳輸速度快，如果能與車輛控制器部分相結(jié)合，可以有效地提高車輛駕駛的操控性和安全性。
[0026]本發(fā)明的技術(shù)方案針對(duì)車載GPS信號(hào)的采集與處理進(jìn)行研宄，重點(diǎn)通過(guò)GPS接收機(jī)硬件的選型和配置、串口實(shí)時(shí)信號(hào)的采集、以及相關(guān)Visual C++軟件的編程、GPSNMEA-0183協(xié)議的解析[22]、通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行和結(jié)果分析，進(jìn)而推算出更加全面、準(zhǔn)確的車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，客觀反應(yīng)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以求達(dá)到通過(guò)車載GPS系統(tǒng)研宄車輛主動(dòng)安全控制的目的。具體包括:
①車載GPS系統(tǒng)定位原理及其誤差來(lái)源、車載GPS系統(tǒng)所受到的噪聲干擾種類、與車輛主動(dòng)安全控制相關(guān)的參數(shù)。
[0027]②車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的硬件相關(guān)組成。
[0028]③GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理及車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)估計(jì)的軟件編程。編程采用Visual C++編程。主要包括通過(guò)串口連續(xù)采集GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)信號(hào)[23]，并按照GPSNMEA-0183協(xié)議格式將其解析，同時(shí)提取出相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理和濾波，并推算出車輛的加速度、航向角、航向角速度等信息。
[0029]④系統(tǒng)的測(cè)試。主要包括實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的靜態(tài)對(duì)比測(cè)試、實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況下的對(duì)比測(cè)試、運(yùn)動(dòng)中的實(shí)車動(dòng)態(tài)測(cè)試。
[0030]⑤對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定型。
[0031]車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要GPS信號(hào)接收器和信息處理器(PC)組成。其中這里的GPS信號(hào)接收器主要由GPS衛(wèi)星廣播電文接收芯片和其外圍電路組成，其中GPS衛(wèi)星廣播電文信號(hào)接收芯片采用天寶公司的接收芯片。由該芯片為核心組成的系統(tǒng)能夠自動(dòng)接收GPS文星電文中的全球定位數(shù)據(jù)(GPGGA)、衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)(GPGSA)、衛(wèi)星狀態(tài)信息(GPGSV)、運(yùn)輸定位數(shù)據(jù)(GPRMC)四種GPS數(shù)據(jù)。這四種數(shù)據(jù)按照GPS NMEA-0183協(xié)議進(jìn)行解析能夠得出車輛的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)(速度、航向、坐標(biāo)、高度)。
[0032]車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)軟件構(gòu)成主要通過(guò)Visual C++軟件編程的方式由串口采集GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的有效GPS信息按照相關(guān)協(xié)議進(jìn)行解析，對(duì)解析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和卡爾曼濾波等處理，對(duì)處理出的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，得出更加全面的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)估計(jì)出車輛行駛狀態(tài)。
[0033]整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試方案包括系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)方案試和實(shí)車動(dòng)態(tài)測(cè)方案。其中靜態(tài)測(cè)試包括車輛啟動(dòng)/未啟動(dòng)對(duì)比測(cè)試，道路動(dòng)態(tài)測(cè)試包括直線勻速/加速/減速測(cè)試、上坡/下坡測(cè)試、彎道測(cè)試。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)與車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相符性和系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。
[0034]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，包括載體車輛，以及安裝在載體車輛上的車載GPS系統(tǒng)和PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，所述車載GPS系統(tǒng)，包括車載GPS信號(hào)接收器； 所述車載GPS信號(hào)接收器，由GPS衛(wèi)星廣播電文接收芯片和其外圍電路組成，其中GPS衛(wèi)星廣播電文信號(hào)接收芯片采用天寶公司的接收芯片。
【文檔編號(hào)】G01S19/42GK104459714SQ201410763081
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月13日
【發(fā)明者】潘盛輝, 郝東亞 申請(qǐng)人:廣西科技大學(xué)