CN107632316A - 一种利用卫星定位测量车身姿态的方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用卫星定位测量车身姿态的方法及其结构，该方法在车体上安装能利用卫星定位的车载主机和车载辅机，并以车载主机和车载辅机来建立基准坐标系，基准坐标系结合卫星定位信号来测量车载主机和车载辅机之间实时的基线长度、车体行驶方向实时的方向角、车体在垂直方向实时的俯仰角，以基准坐标系结合六轴惯性传感器来测量车体在左右方向实时的横滚角，将获得的卫星定位坐标值和实时时间信息通过移动通讯网络发送到数据中心服务器，数据中心服务器根据基线长度、方向角、俯仰角、横滚角变化值来反映和监测车身姿态，对监测到的异常车身姿态的车体进行位置预警，本发明不仅能够准确监测车辆的实时姿态，还能监测其位置及位置变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用卫星定位测量车身姿态的方法及结构，属于卫星定位技术领域。
背景技术
顺应未来智能驾驶、自动驾驶技术的发展，对行驶中的汽车姿态精密测量和实时数据反馈与处理的需求越来越明确，车身姿态能直接反应车辆的安全状态，同时，随着经济的增长车辆数量越来越多，城市交通和城际交通均面临着车流量大、车速快、事故多发等安全问题，车辆在发生严重交通事故时，车身姿态往往发生严重形变，但有时后续车辆不能及时知道前车发生严重事故的信息，从而导致连环相撞重大交通事故的发生，这种情况在高速公路行车过程中时有发生，尤其是天气状况恶劣的情况下，其根本原因是没能及时发现车辆发生交通事故的地点并进行预警，因此，实时了解车辆的行驶姿态，并在发生严重形变的情况下及时将信息发送和广播出去是非常必要的。
现有技术中，有根据车身高度传感器来检测车身姿态的变化，利用车身悬架摆臂角度的变化反映车身姿势的变化，通常的做法是采用设置在车身悬架摆臂上的加速度传感器来采集车身悬架摆臂角度的变化的物理信号，将其转化为电信号，提供给车身控制系统，用于控制调节汽车前大灯的角度，使无论车身姿势角度如何变化，照射的距离能够保持不变，从而有利于安全驾驶，其虽然起到一定的有益效果，但其检测车身姿态变化采用加速度传感器，需要车体产生加速度运动，而无法对静止、匀速运动等情况下车身的姿态变化进行检测，适用性差。
即：通过测量车辆自身某个部件的变化量来推算车辆姿态的相对变化，受车辆自身机械状况的影响，所测数据的准确性、可靠性、连续性都不高，难以满足车辆在行驶、加速、减速、匀速、静止等多种状态下的测量要求，难以获得车辆不均匀变形时的变化量，更不能获得车辆相对于大地坐标的绝对坐标值以及绝对角度值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用卫星定位测量车身姿态的方法及结构，不仅能够准确监测车辆的实时姿态，还能监测其位置及位置变化情况，可以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：一种利用卫星定位测量车身姿态的方法，及其结构，该方法在车体上安装能利用卫星定位的车载主机和车载辅机，并以车载主机和车载辅机来建立基准坐标系，基准坐标系结合卫星定位信号来测量车载主机和车载辅机之间实时的基线长度、车体行驶方向实时的方向角、车体在垂直方向实时的俯仰角，以基准坐标系结合六轴惯性传感器来测量车体在左右方向实时的横滚角，车载主机将基线长度、方向角、俯仰角、横滚角的数据信息通过数据计算微处理器(ARM)综合解算，并将获得的卫星定位坐标值和实时时间信息通过移动通讯网络发送到数据中心服务器，数据中心服务器根据基线长度、方向角、俯仰角、横滚角变化值来反映和监测车身姿态，对监测到的异常车身姿态的车体进行位置预警。
上述的基线长度、俯仰角和方向角通过车载主机和车载辅机同时接收到的卫星定位信号来测量。
上述的卫星定位信号包括码相位、伪距观测值和载波相位观测值。
上述的车载主机可接收卫星定位信号，可接收卫星定位地基增强信号，可接收星基增强卫星定位信号，将这些信号综合解算后，得到的卫星定位坐标值以经度和纬度的形式输出。
上述用来综合解算基线长度、方向角、俯仰角的算法包括载波相位测量、载波双差法结合检验校正用的最小无偏估计法。
该结构：在车体的车头和车尾分别安装有与蓄电池相连的装车载主机和车载辅机，在车载主机和车载辅机的正上方均设有天线，在车载主机与车载辅机均设有可接收卫星定位信号的卫星定位装置和六轴惯性传感器，车载主机与车载辅机有线连接和无线连接，在车载主机上设有计算微处理器(ARM)，车载主机通过通信装置与数据中心服务器连接，数据中心服务器与公路广播系统相连。
现有技术比较，本发明利用卫星定位测量车身姿态的方法及其结构，这样的方法及其结构不仅能够准确监测车辆的实时姿态，通过卫星定位坐标，还能监测其位置及位置变化情况，在发生交通事故的情况下能对发生交通事故的车辆位置进行公布，避免后续车辆追尾的情况；其以具体的绝对坐标值以及绝对角度值来反映车身姿态，具体的，若车载主机与辅机之间的基线长度发生变化，则认为车体的头部与尾部发生长度变化，若显著变长，则认为车头与车尾发生解体；若显著变短，则认为车体沿X轴方向压缩，可能发生碰撞；车体方向角反映车辆的行驶方向，该方向根据大地坐标计算出相对于正北方向的绝对方向值，如果方向角实时变化量瞬间显著变化，则认为车辆可能发生碰撞导致其方向瞬间变化；车体俯仰角变化反映车辆在垂直方向的变化情况，视车体为一个相对固定的坐标系，则俯仰角变化量反映车体在垂直方向的形变程度，如果俯仰角变化量显著增大，则认为车头与车尾之间在垂直方向发生了变形；车体横滚角反映了车体在左右方向的变化角度，如果车载主机与车载辅机的横滚角变化差不为零，则认为车头与车尾之间发生了沿X轴方向的左右扭曲，横滚角变化差绝对值越大，则扭曲越严重；
基线长度、俯仰角和方向角通过车载主机和车载辅机同时接收到的卫星定位信号来测量，卫星定位信号包括码相位、伪距观测值和载波相位观测值，利用这些观测值能对车身姿态变化进行测量；
车载主机可接收卫星定位信号，可接收卫星定位地基增强信号，可接收星基增强卫星定位信号，将这些信号综合解算后，得到的卫星定位坐标值以经度和纬度的形式输出，这样在将这些信号综合解算后，获得误差小于±1米的卫星定位坐标值。
用来综合解算基线长度、方向角、俯仰角的算法包括载波相位测量、载波双差法结合检验校正用的最小无偏估计法，因为通常情况下经过载波双差之后，误差值都能降到mm级，且残差服从正态分布，但是载波周跳发生的历元无法通过上述载波双差法剔除，而历元间周跳的存在会导致形变解算不准确。因此，引入了一种无偏估计法对载波双差数据进行检验并校正，无偏估计法直接采用方差衡量测量数据的可靠性，即方差越小测量数据的可靠性越高。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2为车载主机与辅机安装示意图。
图3为车辆坐标系示意图。
图4为车载主机、辅机与卫星之间的几何关系图。
图5车辆姿态角测算流程图。
具体实施方式
实施例1.
如图1所示，一种利用卫星定位测量车身姿态的方法及结构，该方法在车体上安装能利用卫星定位的车载主机和车载辅机，并以车载主机和车载辅机来建立基准坐标系，其中，车载主机可接收卫星定位信号，可接收卫星定位地基增强信号，可接收星基增强卫星定位信号，将这些信号综合解算后，得到的卫星定位坐标值以经度和纬度的形式输出；利用基准坐标系结合卫星定位信号来测量车载主机和车载辅机之间实时的基线长度、车体行驶方向实时的方向角、车体在垂直方向实时的俯仰角，在测量基线长度、俯仰角和方向角时，通过车载主机和车载辅机同时接收到的卫星定位信号来测量，所述的卫星定位信号包括码相位、伪距观测值和载波相位观测值；以基准坐标系结合六轴惯性传感器来测量车体在左右方向实时的横滚角，车载主机将基线长度、方向角、俯仰角、横滚角的数据信息通过数据计算微处理器(ARM)综合解算，其中，解算基线长度、方向角、俯仰角的算法包括载波相位测量、载波双差法结合检验校正用的最小无偏估计法；并将获得的卫星定位坐标值和实时时间信息通过移动通讯网络发送到数据中心服务器，数据中心服务器根据基线长度、方向角、俯仰角、横滚角变化值来反映和监测车身姿态，对监测到的异常车身姿态的车体进行位置预警。
该结构：在车体的车头和车尾分别安装有与蓄电池相连的装车载主机和车载辅机，在车载主机和车载辅机的正上方均设有天线，在车载主机与车载辅机均设有可接收卫星定位信号的卫星定位装置和六轴惯性传感器，车载主机与车载辅机有线连接和无线连接，在车载主机上设有计算微处理器(ARM)，车载主机通过通信装置与数据中心服务器连接，数据中心服务器与公路广播系统相连，其中，卫星定位装置为卫星定位芯片，通讯装置可为移动通信或者WiFi通讯，卫星定位芯片、天线、ARM、惯性传感器、WiFi通讯模块、移动通讯模块均与集成电路板连接。
具体的实施步骤：
(1)车载主机与辅机的天线连线为横轴，构成了以车体为参照物的相对坐标系如图2所示：
在上述车辆坐标系中，车辆主机(天线)与车辆辅机(天线) 之间的连线构成车辆坐标系的X轴，X轴不要求与地面水平，以车头方向为X轴正方向，车尾方向为负方向，以初始安装的车载主机与辅机的连线中心位置为坐标原点；垂直于X轴向天空方向为Z轴，天空方向为正，地面方向为负；垂直于X、Z轴构成的平面方向为Y轴，面向车头，车体的右手方向为Y轴的正方向，左手方向为Y轴的负方向。
以车体正常状态下安装车载主机与车载辅机，初始X轴与Y轴构成的平面为水平基准面，Z轴与X轴构成的平面为垂直基准面，Z轴与 Y轴构成的平面为垂直横切面。
以X轴方向车体绕Y轴转动与XY平面(水平基准面)之间形成的夹角为俯仰角θ，俯仰角变化值为Δθ；Y轴方向车体绕X轴转动与X Z平面(垂直基准面)之间的夹角为横滚角β，横滚角变化值为Δβ；X轴方向车体绕Z轴转动与YZ平面(垂直横切面)形成的夹角为方向角α，方向角变化值为Δα。
其中，车体X轴方向指向正北时，以α为0度，Δα为车体X轴方向与正北之间的夹角。
俯仰角、横滚角、方向角为车辆的姿态角，其数值反映了车辆的运行姿态，数值的变化反映了车辆的实时姿态变化。
车载主机和车载辅机同时接收到的卫星定位信号包括码相位、伪距观测值和载波相位观测值，本方案利用这些信号测量车辆的俯仰角和方向角。车载主机与车载辅机均安装有六轴惯性传感器，本方案利用六轴惯性传感器测量横滚角。
(2)俯仰角和方向角测量
车载主机与车载辅机均安装在车体上，对接收卫星定位信号来说，视同于位于同一个空域，即实时接收的是同一组卫星的定位信号。
1)载波相位测量
载波相位值是指在某一历元接收到的卫星载波信号相位与接收机本机载波相位之差，通常称为载波相位拍频相位，载波是一种没有任何标记的余弦波，由于载波的波长远小于码的波长，在分辨率相同(1％)的情况下，载波相位的观测精度远比码相位的观测精度高，而用接收机钟的鉴相器来量测载波相位时测定的只是不足一周的部分，因而会产生整周不确定的问题；此外，整周计数部分还可能产生跳变的问题。所以载波测量实际上是以波长λ作为长度单位，以载波作为尺度来测量卫星至接收机的距离。
本方案车载主机与辅机均接收北斗(BDS)和GPS卫星定位信号。
北斗的B1、B2和GPS的L1、L2载波的频率和波长如下：
B1载波：fB1＝1561.098MHz，波长λB1＝19.2cm，
B2载波：fB2＝1207.140MHz，波长λB2＝24.8cm，
L1载波：fL1＝154×f0＝1575.42MHz，波长λL1＝19.03cm，
L2波长：fL2＝120×f0＝1227.6MHz，波长λL2＝24.42cm
选择多个频点，目的在于测量出或消除由于电离层效应而引起的延迟误差。
设在BDS/GPS标准时刻下，卫星i在历元Ti时刻发射的载波信号相位而测站p1的接收机在历元Tp1的参考载波信号相应为则相位差为
对于卫星钟和接收机钟，其振荡器频率一般稳定良好，所以其信号的相位与频率的关系表示为
式中，f为卫星发射的载波频率，Δt为微小时间间隔。以2π为单位。则有
综合以上式子，可得
τ是在卫星钟和接收机钟同步的情况下卫星信号的传播时间。
由于卫星钟和接收机钟都不可避免地含有钟差的影响，在处理多测站多历元对不同卫星的同步观测结果时，必须统一时间标准，由相位差的以，可得卫星i在历元ti发射的载波信号相位，与测站p1在接收历元tp1的参考载波信号相位之间的相位差为
因为通过测量接收机振荡器所产生的参考卫星信号与接收到的卫星载波信号之间的相位差，只能测定其不足一整周的小数部分。若假设为起始历元t0时相位差的小数部分及整周数，则起始历元t0时的总相位差为
当卫星于历元t0
被锁定以后，载波相位变化的整周数便被自动计数，所以对其后任一历元tp1的总相位差为
2)车体姿态变化测量
车辆姿态监测采用载波双差和最小无偏估计法相结合来实现车辆姿态解算。常见的载波双差有如下三种：在接收机和卫星间求二次差；在接收机和历元间求二次差；在卫星和历元间求二次差。本方案是解算相邻历元间的位置变化量，采用接收机和历元间求二次差方法。
在考虑接收机钟差、卫星钟差和大气延时等各种误差因素的情况下，以波长为单位的载波相位测量值表达式为：
φ＝λ-1(r-I+T)+f(δtu-δt(s))+N+εφ (1.8)
其中，λ和f分别表示载波的波长和频率，r 为卫星与接收机之间的几何距离，I为电离层延时，T 为对流层延时，δtu为接收机时钟误差，δt(s)为接收机时钟误差，N 为载波的整周模糊度，εφ为载波的测量误差。
如图4所示的车载主机、辅机与卫星之间的几何关系图，设A点为车载主机，B点为车载辅机，卫星j、k为其中某个时刻的两颗共视卫星。车载辅机B与车载主机A对于卫星j的载波相位观测值做单差，由于主机、辅机两点相距小于10km，可以认为单差电离层延时和单差对流层延时为零，同时可以忽略载波的测量误差，则B与A的载波单差可表示为：
其中，表示几何距离单差，δtAB＝δtB-δtA表示接收机时钟误差单差，表示载波整周模糊度单差。由于两点间的距离很小，可以认为车载主机和车载辅机对于同一颗卫星的观测向量是相互平行的，即基线向量bAB
在车载主机到观测卫星的单位向量上的投影距离等于两点的几何距离单差即
(1.10)
其中为车载主机A到卫星j的单位向量，
。将(1.10)式代入(1.9)式可得
联立一个历元两点的全部共视卫星的载波单差可组成矩阵方程如下：
根据上述矩阵方程，可以将监测点的形变量求解转化成基线向量bAB的变化量求解。设ΔbAB和ΔδtAB分别表示相邻两个历元的基线向量bAB和接收机时钟误差δtAB的变化量，则有
(1.13)
将(1.12)式中的
记为G，并对相邻两历元的载波单差再做差分得到关于基线向量bAB和接收机时钟误差δtAB的变化量的矩阵方程，
通常情况下经过载波双差之后，误差值都能降到mm级，且残差服从正态分布，但是载波周跳发生的历元无法通过上述载波双差法剔除，而历元间周跳的存在会导致形变解算不准确。因此，引入了一种无偏估计法对载波双差数据进行检验并校正，无偏估计法直接采用方差衡量测量数据的可靠性，即方差越小测量数据的可靠性越高。无偏估计法的基本实现过程是：对载波双差数组求其均值和标准差，然后对每个元素数九进行逐一检验，如果数据与均值的差值的绝对值大于kσ的，则认为这个数据是异常数据，将其剔除；其中σ为样本的标准差，k为标准差因子系数，根据实验经验，常把k设为2 ，具体公式如下：
(1.15)
(1.17)
其中，M为载波双差数组的长度，为双差数组中第i个元素，μ和σ2分别表示该组数据的均值和方差，(1.17)式是判断数组中元素是否为异常数据的标准。
当观测卫星出现载波周跳时，其残差就会出现相对均值发生较大的偏离。根据巴尔达提出的数据探测法思想，假定载波双差数组中只有一个观测值存在粗差，并纳入函数模型，用无偏估计法检验并将残差最大的观测量剔除，剔除含有粗差的观测值后再建立新的载波双差数组均值和方差，若仍存在粗差，再假定只存在一个粗差，逐次不断进行，直至判断不再含有粗差。
经过上述无偏估计法对(1.13)式中的左式进行检验和校正，即可消除载波周跳对形变解算的影响，将初始基线向量bAB代入(1.14)式，根据星历信息计算Gn和Gn+1，由于(Gn+1-Gn )项中的第四列全为零，故接收机时钟误差δtAB并不影响方程的求解，最后用最小二乘法可求解未知量ΔbAB，即主机和辅机点的形变量，根据形变量ΔbAB更新基线向量bAB并逐次迭代入下一次求解中，测算流程图如图5所示。
通过以上步骤，可以获得车载主机与辅机之间的基线长度值L、车辆的俯仰角变化量Δθ和方向角α以及方向角的实时变化量Δα。L值误差小于10毫米，Δθ和Δα的误差小于±0.5度。
(3)横滚角测量
利用安装在车载主机上的惯性传感器获得车载主机位置的实时横滚角β1以及其与初始状态值的变化量Δβ1，利用安装在车载辅机上的惯性传感器获得获得车载主机位置的实时横滚角β2以及其与初始状态值的变化量Δβ2，令δ＝Δβ1- Δβ2。则，若δ不等于零，则认为车体发生了扭曲变形。Δβ1、Δβ2的误差小于±0.5度。
车载主机与辅机之间的基线长度、方向角、俯仰角、横滚角反映了车辆在行驶过程中的姿态，其意义在于：
A、车载主机与辅机之间的基线长度发生变化，则认为车体的头部与尾部发生长度变化，若显著变长，则认为车头与车尾发生解体；若显著变短，则认为车体沿X轴方向压缩，可能发生碰撞。
B、车体方向角反映车辆的行驶方向，该方向根据大地坐标计算出相对于正北方向的绝对方向值，如果方向角实时变化量Δα瞬间显著变化，则认为车辆可能发生碰撞导致其方向瞬间变化。
C、车体俯仰角变化反映车辆在垂直方向的变化情况，视车体为一个相对固定的坐标系，则俯仰角变化量Δθ反映车体在垂直方向的形变程度，如果Δθ显著增大，则认为车头与车尾之间在垂直方向发生了变形。
D、车体横滚角反映了车体在左右方向的变化角度，如果车载主机与车载辅机的横滚角变化差δ不为零，则认为车头与车尾之间发生了沿X轴方向的左右扭曲，δ绝对值越大，则扭曲越严重。
车载主机将车载主机与车载辅机的卫星定位坐标数据、时间和姿态角测量数据实时通过移动通讯网络发送到数据中心服务器。
通过以上步骤，可以获得的数据信息包括：
车载终端主机的卫星定位坐标和时间，表示车辆所在的实时位置，车载终端主机与辅机之间的基线长度，方向角、俯仰角、横滚角及其变化量，表示车辆行驶过程中的姿态，通过姿态变化量可以判断车辆是否处于危险状态，该危险状态信息可以通过数据中心服务器通知司机，司机可以据此采取避险措施。
(4)使用时，启动车辆，使其处于运行状态。
1)数据中心服务器获得车辆动态实时的信息：车载主机和车载辅机动态变化的坐标数据、时间，车载主机与辅机之间的基线长度。
Claims (6)
1.一种利用卫星定位测量车身姿态的方法，其特征在于：该方法在车体上安装能利用卫星定位的车载主机和车载辅机，并以车载主机和车载辅机建立基准坐标系，基准坐标系结合卫星定位信号来测量车载主机和车载辅机之间实时的基线长度、车体行驶方向实时的方向角及车体在垂直方向实时的俯仰角；以基准坐标系结合六轴惯性传感器来测量车体在左右方向实时的横滚角；车载主机将基线长度、方向角、俯仰角、横滚角的数据信息通过数据计算微处理器(ARM)综合解算，并将获得的卫星定位坐标值和实时时间信息通过移动通讯网络发送到数据中心服务器，数据中心服务器根据基线长度、方向角、俯仰角、横滚角变化值来反映和监测车身姿态，对监测到的异常车身姿态的车体进行位置预警。
2.根据权利要求1所述的利用卫星定位测量车身姿态的方法，其特征在于：所述的基线长度、俯仰角和方向角通过车载主机和车载辅机同时接收到的卫星定位信号来测量。
3.根据权利要求2所述的利用卫星定位测量车身姿态的方法，其特征在于：所述的卫星定位信号包括码相位、伪距观测值和载波相位观测值。
4.根据权利要求1所述的利用卫星定位测量车身姿态的方法，其特征在于：所述的车载主机可接收卫星定位信号，可接收卫星定位地基增强信号，可接收星基增强卫星定位信号，将这些信号综合解算后，得到的卫星定位坐标值以经度和纬度的形式输出。
5.根据权利要求1所述的利用卫星定位测量车身姿态的方法，其特征在于：所述用来综合解算基线长度、方向角、俯仰角的算法包括载波相位测量、载波双差法结合检验校正用的最小无偏估计法。
6.一种利用卫星定位测量车身姿态的结构，它包括车体，其特征在于：在车体的车头和车尾分别安装有与蓄电池相连的装车载主机和车载辅机，在车载主机和车载辅机的正上方均设有天线，在车载主机与车载辅机均设有可接收卫星定位信号的卫星定位装置和六轴惯性传感器，车载主机与车载辅机有线连接和无线连接，在车载主机上设有计算微处理器(ARM)，车载主机通过通信装置与数据中心服务器连接，数据中心服务器与公路广播系统相连。
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