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专利名称：一种基于gps的汽车列车位置轨迹测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及ー种汽车列车位置轨迹测量系统及方法，尤其涉及一种基于GPS的简单精确的汽车列车位置轨迹测量系统及方法。
背景技术：
随着公路运输的快速发展，汽车列车具有的高承载、经济、效率等特征受到行业关注，逐渐成为长途物流的主要车型。准确地获得汽车列车在行驶过程中的位置轨迹，再经过简单的測量运算就可以知道汽车列车行驶过程中的牵引车前外角、前摆值、后摆值和通道最大宽度等影响道路通行能力和行驶安全性的參数，为汽车列车行驶稳定性的研究以及智
能交通系统(ITS)的发展提供參数基础。标准GB 7258—2004《机动车运行安全技术条例》中款4. 13明确提出“汽车列车和轮式拖拉机运输机组在平坦、干燥的路面上直线行驶时，挂车后轴中心相对于牵引车前轴中心的最大偏摆值幅度，对铰接列车、乘用车列车和中置轴挂车列车不应大于110 mm，对其它列车不应大于220 mm。其它机动车直线行驶时，其前后轴中心的连线与行驶轨迹的中心线应一致”。交通行标《货运车辆运行安全技术要求》中的附加性能要求也提出“行驶稳定性要求，包括侧倾稳定性要求、货运汽车列车横向稳定性评价參数限值以及货运车辆转向特性要求”。如何准确地测量牵引车和挂车在行驶过程中的位置轨迹是研究以上内容的基础。一种传统的測量方法是在牵引车和挂车底盘中间下方各固定一个喷枪，在汽车行驶过程中同时朝下方地面喷射某种白色液体，在地面上形成两条曲线，这两条曲线就是喷枪固定点的位置轨迹，再进行航位推算就可以知道汽车列车在各个时刻的位置轨迹。这种方法准确率低，漏检率高，再加上喷枪喷出的液体容易受到周围气流的影响，对环境的适应性差，同时检测可靠性也受到影响。随着GPS技术的革新发展，一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量方法具有结构简单、操作方便、測量精确、且不受环境影响的特点。可以有效解决汽车列车直线位置轨迹的測量问题，为道路通行能力以及汽车列车行驶安全性的深入研究提供可靠的理论基础。

发明内容
所要解决的技术问题针对以上问题本发明提供了一种为汽车列车行驶轨迹的测量提供可靠解决方案的基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统及方法。技术方案为了解决以上问题本发明提供了一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统，其特征在于包括基准站分系统、移动站分系统、测向从站分系统；
基准站分系统包括一台FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机、ー个GPS-702-GG天线、ー个WDS-4710-5W 数传电台；GPS-702-GG 天线用于接收 GPS 卫星信号；FLEX6-G2L-B0G_TTR接收机用于处理接收到的GPS卫星信号并产生位置差分改正信息；基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送位置差分改正信息给移动站分系统和从站测向接收机分系统；测向从站分系统包括两个GPS-702-GG天线，即GPS天线I和GPS天线II，还包括N500系列测向接收机和ー个WDS-4710-5W数传电台；
测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；N500系列测向接收机用于处理接收到的GPS卫星信号，实现双频载波相位差分位置解算，得到相对于基准站分系统的高精度厘米级坐标，同时产生测向改正数，实现测量车辆挂车的航向信息；测向从站分系统的WDS-4710-5W数传电台接收基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送的位置差分改正信息；
移动站分系统包括ー个GPS-702-GG天线，即GPS天线III，还包括一台FLEX6-G2L-R0G-TTR 接收机和ー个 WDS-4710-5W 数传电台；
移动站分系统的GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；移动站分系统的FLEX6-G2L-R0G-TTR接收机用于处理接收到的GPS卫星信号，实现双频载波相位差分位置解算，得到相对于基准站的高精度厘米级坐标；移动站分系统的WDS-4710-5W数传电台接收基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送的位置差分改正信息并输出高精度厘米级位置。 所述的FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机采用北京北斗星通导航技术股份有限公司制造的。所述的N500系列测向接收机采用北京北斗星通导航技术股份有限公司制造的。一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量方法，其特征在于包括以下步骤
第一歩基准站分系统安装在地面固定点位上在测量场地的空旷处固定基准站分系
统的GPS-702-GG天线；
第二歩测向从站分系统安装在牵引车上为了防止测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线，S卩GPS天线I和GPS天线II放在车顶由于悬架而晃动，从牵引车前轴中心线沿牵引车纵轴向牵引车前方引出一根金属杆，金属杆一端固定在底盘上；在牵引车金属杆上固定这两个GPS-702-GG天线；这两个GPS天线的距离为I米；
第三步移动站分系统安装在挂车上从挂车后轴中心线沿挂车纵轴向挂车后方引出另ー根金属杆，金属杆一端也固定在底盘上；在挂车金属杆上固定移动站分系统的GPS-702-GG 天线；
第四步通过步骤一至三采集以下信息牵引车与挂车之间的铰接点、GPS天线II的位置点、GPS天线III的位置点以及牵引车的航向角，采集到的数据经过滤波处理后，再通过常规计算最終实现汽车列车的位置轨迹测量。第四步所述的滤波处理采用的是卡尔曼滤波器。所述的测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线方向与载体，即为牵引车的中心线平行，可输出车厢的航向信息。有益效果本发明可以有效解决汽车列车行驶轨迹的測量问题，为汽车列车行驶稳定性以及道路通行能力的研究提供高精度的数据理论。


图I是本发明的测量方案示意 图2是本发明的系统组成示意 图3是本发明的航位推算示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步的描述。如图1、2所示，本基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统包括基准站分系统5、移动站分系统、测向从站分系统。基准站分系统包括一台FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机、ー个GPS-702-GG天线、ー个WDS-4710-5W数传电台。
GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；FLEX6-G2L-B0G_TTR接收机用于处理接收到的GPS卫星信号并产生位置差分改正信息；基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送位置差分改正信息给移动站分系统和从站测向接收机分系统。如上所述FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机实时解算出基准站分系统的GPS-702-GG天线所在位置的坐标，实时解算的位置信息与我们输入的已知点坐标信息进行自动分析，生成位置差分改正信息。FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机可采用北京北斗星通导航技术股份有限公司制造的。测向从站分系统包括N500系列测向接收机、两个GPS-702-GG天线(即GPS天线
II和GPS天线II 2)、ー个WDS-4710-5W数传电台。测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；N500系列测向接收机用于处理接收到的GPS卫星信号，实现双频载波相位差分位置解算，得到相对于基准站分系统的高精度厘米级坐标，同时产生测向改正数，实现测量车辆挂车的航向信息；测向从站分系统的WDS-4710-5W数传电台接收基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送的位置差分改正信息。测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线方向与载体(即为牵引车)的中心线平行(若不平行则输出的航向需要校正系统差)，可输出车厢的航向信息。N500系列测向接收机可采用北京北斗星通导航技术股份有限公司制造的。移动站分系统包括一台FLEX6-G2L-R0G-TTR接收机、ー个GPS-702-GG天线(即GPS天线III 3 )、ー个WDS-4710-5W数传电台。移动站分系统的GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；移动站分系统的FLEX6-G2L-R0G-TTR接收机用于处理接收到的GPS卫星信号，实现双频载波相位差分位置解算，得到相对于基准站的高精度厘米级坐标；移动站分系统的WDS-4710-5W数传电台接收基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送的位置差分改正信息并输出高精度厘米级位置。本系统可以实时得到移动站系统测量位置点的lcm+lppm的位置信息和载体O. 2度/米基线长的航向信息，能够达到20Hz位置数据更新率和20Hz的航向数据更新率。本系统中GPS的输出频率为20Hz，其输出的数据先通过串ロ存储到本地计算机，采集任务完成后再进行数据处理。在试验过程中，试验环境周围常常围绕着有许多诸如建筑物、边坡、树木等障碍物，这些障碍物常常引起GPS信号衍射或反射，这样天线接收的信号往往不仅有直接从卫星发射的信号，还有从反射体反射的信号以及经衍射体衍射的信号，这三种信号叠加在一起作为观测量进行定位就会产生误差；并且由于热噪声、软件和各通道之间的偏差等因素也常常会引起GPS观测值的误差。因此，为了精确计算出挂车和牵引车的运动轨迹，首先需要对GPS信号进行滤波。在对GPS信号进行滤波时，选择广泛应用的卡尔曼滤波器来实现。卡尔曼滤波器是以最小均方差为准则的最优状态估计滤波器，它不需要储存过去的测量值，只根据当前的观测值和前一时刻的估计值，利用计算机进行递推计算，便可实现对实时信号的估计，具有数据存储量小、算法简便的特点。对于解决很大部分的问题，它是最优，效率最高甚至是最有用的。图3所示本发明的航位推算示意图，对于挂车，设牵引车与挂车之间的铰接点为O点，GPS天线II 2的位置为A点，GPS天线III 3的位置为B点，在转弯时A、B以及O点可以构成ー个三角形Α0Β。图中，AE为OA的延长线，OF为BO的延长线，AE与正北向的夹角是
气OF与正北向的夹角是4 由图可以看出I就是牵引车纵轴与正北向的夹角，即牵引 车的航向角；乌就是挂车纵轴与正北向的夹角，即挂车的航向角。GPS天线II 2到O点的距离AO与GPS天线III 3到O点的距离BO都是常量，可以事先测得。GPS天线III 3与GPS天线
II2之间的实时距离可由其定位坐标推算得到。对于三角形Α0Β，在三条边长度已知的情
况下可以解出各边之间的夹角，进而再利用へ以及图3所示的角度关系就可以推得挂车的航向角A。利用差分移动站分系统的FLEX6-G2L-R0G-TTR接收机的信号，可以得到这GPS
天线III 3处的高精度运动轨迹，再利用推得的挂车航向角由平面几何关系就可以算出挂车任一点的位置轨迹。进而可以还原出整辆车的位置轨迹，就可以计算出牵引车前外角、前摆值、后摆值和通道最大宽度等參数值。本基于GPS的汽车列车位置轨迹测量方法，包括以下步骤
第一歩基准站分系统安装在地面固定点位上在测量场地的空旷处固定基准站分系统的GPS-702-GG天线；
第二歩测向从站分系统安装在牵引车上为了防止测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线(即GPS天线I I和GPS天线II 2)放在车顶由于悬架而晃动，从牵引车前轴中心线沿牵引车纵轴向牵引车前方引出一根金属杆，金属杆一端固定在底盘上；在牵引车金属杆上固定这两个GPS-702-GG天线；这两个GPS天线的距离为I米；
第三步移动站分系统安装在挂车上从挂车后轴中心线沿挂车纵轴向挂车后方引出另ー根金属杆，金属杆一端也固定在底盘上；在挂车金属杆上固定移动站分系统的GPS-702-GG 天线；
第四步通过步骤一至三采集以下信息牵引车与挂车之间的铰接点、GPS天线II 2的位置点、GPS天线III3的位置点以及牵引车的航向角。采集到的数据经过滤波处理后，再通过常规计算最終实现汽车列车的位置轨迹测量。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统，其特征在于包括基准站分系统(5)、移动站分系统、测向从站分系统； 基准站分系统包括一台FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机、一个GPS-702-GG天线、一个WDS-4710-5W 数传电台；GPS-702-GG 天线用于接收 GPS 卫星信号；FLEX6-G2L-B0·G_TTR接收机用于处理接收到的GPS卫星信号并产生位置差分改正信息；基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送位置差分改正信息给移动站分系统和从站测向接收机分系统； 测向从站分系统包括两个GPS-702-GG天线，即GPS天线I (I)和GPS天线II (2)，还包括N500系列测向接收机和一个WDS-4710-5W数传电台； 测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；N500系列测向接收机用于处理接收到的GPS卫星信号，实现双频载波相位差分位置解算，得到相对于基准站分系统的高精度厘米级坐标，同时产生测向改正数，实现测量车辆挂车的航向信息；测向从站分系统的WDS-4710-5W数传电台接收基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送的位置差分改正信息； 移动站分系统包括一个GPS-702-GG天线，即GPS天线111(3)，还包括一台FLEX6-G2L-R0G-TTR 接收机和一个 WDS-4710-5W 数传电台； 移动站分系统的GPS-702-GG天线用于接收GPS卫星信号；移动站分系统的FLEX6-G2L-R0G-TTR接收机用于处理接收到的GPS卫星信号，实现双频载波相位差分位置解算，得到相对于基准站的高精度厘米级坐标；移动站分系统的WDS-4710-5W数传电台接收基准站分系统的WDS-4710-5W数传电台发送的位置差分改正信息并输出高精度厘米级位置。
2.根据权利要求I所述的一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统，其特征在于所述的FLEX6-G2L-B0G-TTR接收机采用北京北斗星通导航技术股份有限公司制造的。
3.根据权利要求I所述的一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统，其特征在于所述的N500系列测向接收机采用北京北斗星通导航技术股份有限公司制造的。
4.一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量方法，其特征在于包括以下步骤 第一步基准站分系统安装在地面固定点位上在测量场地的空旷处固定基准站分系统的GPS-702-GG天线； 第二步测向从站分系统安装在牵引车上为了防止测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线，即GPS天线I (I)和GPS天线II (2)放在车顶由于悬架而晃动，从牵引车前轴中心线沿牵引车纵轴向牵引车前方引出一根金属杆，金属杆一端固定在底盘上；在牵引车金属杆上固定这两个GPS-702-GG天线；这两个GPS天线的距离为I米； 第三步移动站分系统安装在挂车上从挂车后轴中心线沿挂车纵轴向挂车后方引出另一根金属杆，金属杆一端也固定在底盘上；在挂车金属杆上固定移动站分系统的GPS-702-GG 天线； 第四步通过步骤一至三采集以下信息牵引车与挂车之间的铰接点、GPS天线II (2)的位置点、GPS天线111(3)的位置点以及牵引车的航向角，采集到的数据经过滤波处理后，再通过常规计算最终实现汽车列车的位置轨迹测量。
5.根据权利要求4所述的一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量方法，其特征在于第四步所述的滤波处理采用的是卡尔曼滤波器。
6.根据权利要求4所述的一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量方法，其特征在于所述的测向从站分系统的两个GPS-702-GG天线方向与载体，即为牵引车的中心线(4)平行，可输出车厢的航向信息。
全文摘要
一种基于GPS的汽车列车位置轨迹测量系统及方法，其系统包括基准站分系统(5)、移动站分系统、测向从站分系统；基准站分系统包括FLEX6-G2L-BOG-TTR接收机、GPS-702-GG天线、WDS-4710-5W数传电台；其天线用于接收GPS卫星信号；其接收机用于处理接收到的GPS卫星信号并产生位置差分改正信息；其数传电台发送位置差分改正信息给移动站分系统和测向从站分系统。其方法包括一基准站分系统安装在地面固定点位上，二测向从站分系统安装在牵引车上，三移动站分系统安装在挂车上，四通过步骤一至三采集数据信息，采集到的数据信息经滤波处理后，再通过常规计算最终实现汽车列车的位置轨迹测量。
文档编号G01S19/13GK102680990SQ20121017757
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者张为公, 张学礼, 张红卫, 徐启敏, 李旭, 李晓天, 董金松, 陈伟 申请人:东南大学, 交通运输部公路科学研究所, 南京智真电子科技有限公司