第五节 GPS/北斗传感器

所谓GPS/北斗传感器，实质上是利用GPS/北斗接收机（或称GPS/北斗天线）实现绝对/单点定位测量，通过相应的计算得到所需的测试结果。当然，欲使GPS/北斗接收机实现其测试功能，必须要有GPS/北斗系统。北斗传感器在工程测试领域的应用从原理到方法都和GPS传感器基本相同，在此仅以GPS传感器为例介绍其组成、原理与应用。

GPS的英文全称是Global Position System,即“全球定位系统”。美国军方从20世纪70年代开始研制GPS，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，GPS是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘查、地球动力学和军事等多种学科。

全球定位系统由空间部分、地面监控部分和接收部分等组成。

空间部分使用24颗高度约2.02万km的卫星组成卫星星座（21颗工作卫星、3颗备用卫星）。卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11h58min，分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°，如图3-35所示。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

地面监控部分包括2个主控站、6个监测站和4个上行注入站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部分实行全面控制。主控站对地面监控部分实行全面控制，主要任务是：收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，推算编制各卫星的星历、卫星时钟差和大气修正系数，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和对卫星的钟进行修正。上行注入站的主要设备包括直径为3.6m的天线（天线覆盖范围见图3-36）、C波段发射机和计算机，上行注入站的主要任务是：1）接受主控站的导航数据上载给卫星；2）对出错的卫星下达调整指令或令其下线；3）发送并确认每个下达给卫星的指令，在注入过程被打断时能及时恢复。GPS的地面监控部分，除主控站有人监管外，监测站和上行注入站均无人值守。各站间均用现代化通信网络相连，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度自动运行。

接收部分已有各种不同功能和不同用途的设备，目前GPS接收部分一般最多可以同时接收12颗卫星信号。GPS接收部分收到3颗卫星的信号可以输出二维（2D）数据，即只有经纬度数据，没有高度数据。如果收到4颗以上的卫星，就能输出三维（3D）数据，可以提供海拔数据。但由于地球不是标准球体，因此高度数据有一定的误差。现在，有些GPS接收设备内置了大气压表，通过多渠道得到的高度数据综合出最终的海拔，从而提高了准确度。

GPS信号有C/A码和P码两种类型。C/A码的误差是2.93~29.3m。民用接收设备利用C/A码计算定位。美国在20世纪90年代中期为了自身的安全考虑，在信号上作了干扰处理，令接收机的误差增大，达到100m左右。但在2000年5月2日之后，干扰取消后GPS精度都能在20m以内。P码的误差为0.293~2.93m,是C/A码的1/10，但是P码只供美国军方使用。

GPS定位坐标系常用的是LAT/LON（即经纬度）和海拔。一般从GPS得到的数据是经纬度和海拔。在经纬度坐标系里，纬度是平均分配的，从南极到北极一共180个纬度。经度就不是这样，只有在纬度为零的时候，即在赤道上，一个经度之间的距离大约是111.319km，经线随着纬度的增加，距离越来越近，最后交汇于南北极。

GPS以地心为原点，z轴指向北极，如图3-37所示。其工作原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据计算出接收机的具体位置。而卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。GPS卫星部分的作用就是不断地发射电文。当用户接收到电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟作对比便可得知卫星与接收设备的距离，再利用电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处的位置，从而接收设备在大地坐标系中的位置、速度等信息便可得知。然而，由于用户接收设备使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt（即卫星与接收设备之间的时间差）作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来，所以如果想知道接收设备所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

接收器与卫星之间的距离为

式中 x_i、y_i、z_i、t_i——第i个卫星的坐标；

x、y、z——接收设备的坐标；

c——光速。

将各卫星的坐标x_i,y_i,z_i,t_i代入式（3-43）便可解出接收设备的坐标x,y,z。GPS接收设备移动时，其坐标x，y，z随之发生变化，将坐标的变化量对时间求导，即是接收设备在各坐标方向上的运行速度，这就是GPS的测速原理。

GPS传感器已大量用于汽车的性能试验，其测试内容包括最高车速、加速性能、爬坡性能、制动性能、滑行、操纵稳定性和最小稳定车速等。

目前，GPS传感器用于汽车性能试验主要是取代原来的五轮仪（用于测试汽车的行驶速度和距离）。GPS对民用开放的C/A码的定位误差是2.93~29.3m，这么大的定位误差满足不了汽车性能试验的要求，为此需采取措施提高其定位精度。提高GPS传感器测速或测距精度的方法很多，汽车性能试验的GPS传感器主要有如下两种方法：

1）提高GPS传感器的更新频率：将GPS传感器的更新频率由普通GPS的1Hz提高到20~100Hz。尽管在进行汽车性能试验的过程中，车速会起伏变化，但汽车的行驶速度和驶过的距离的变化却是连续的，因此可以利用GPS传感器测得相邻的速度值或距离值进行相互校正。

2）汽车性能试验大多在野外的汽车试验场上进行，如此开阔的试验环境，GPS传感器通常可以接收到10~12颗卫星的信号。4颗卫星便可获得汽车所处位置的1个三维位置坐标，10~12颗卫星可获得汽车所处位置的三维位置坐标，个数可用排列组合的计算公式计算得到

式中——从n个不同元素中取出m个元素的排列数；

n——元素总数；

m——取出的元素数。

将n=10或12、m=4分别代入上式（3-44）得

由上述计算结果可知，在汽车性能试验过程中，即便是GPS传感器只接收到10颗卫星的信号，可得到汽车在任一位置的三维坐标个数高达5040，即相当于对同一个测点进行了5040次测试。由图2-27标准差σ与测量次数的关系曲线可知，测试次数的增加可大幅降低测试误差。利用经典误差理论对5040次的测试结果进行处理，便可以获得相对较高的定位精度。

上述两种提高精度的技术措施同时采用，GPS传感器的定位误差可由原来的2.93~29.3m降到0.2m。此误差看起来好像远大于传统的五轮仪，其实不然。因为用传统的五轮仪进行汽车性能试验不可避免会存在累进的系统误差，然而，对于GPS传感器，无论汽车行驶到什么位置，也不论汽车行驶了多少里程，用GPS传感器测得汽车在任何位置的位置坐标可能产生的最大误差都是0.2m，即用GPS传感器进行汽车性能试验不存在累进的系统误差。正因为如此，利用GPS传感器进行汽车性能试验所能达到的精度远高于传统的五轮仪。