白　銀　孫　橋　杜　磊　于　梅　白　杰

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀由于其測(cè)速精度高，對(duì)天氣環(huán)境要求較低，而且安裝簡(jiǎn)便，正在逐漸被計(jì)量機(jī)構(gòu)用作對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀工作器具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器具。由于目前在國(guó)內(nèi)廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)器具是光電式非接觸測(cè)速儀，有研究者將高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀與其進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。結(jié)果表明，高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀的測(cè)速精度及響應(yīng)速度、信噪比等性能都能夠滿(mǎn)足機(jī)動(dòng)車(chē)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的需求[1,2]。因此對(duì)其校準(zhǔn)技術(shù)的研究需求也在逐漸增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀的研究大多集中在測(cè)速方法研究以及標(biāo)準(zhǔn)器具的研制上[3-6]。在GPS信號(hào)模擬器的溯源技術(shù)研究方面，瑞士國(guó)家計(jì)量院(METAS)利用標(biāo)準(zhǔn)器具比對(duì)的方法來(lái)對(duì)GPS測(cè)速儀模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)[7]，我國(guó)的研究者對(duì)GPS信號(hào)模擬器的校準(zhǔn)方法也已經(jīng)有一定研究成果[8]。為此，本文對(duì)同一臺(tái)高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀，分別使用兩種模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)，介紹了高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀的模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)技術(shù)，驗(yàn)證了模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)能夠作為高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀量值溯源的有效途徑。

1　高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀工作原理

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

基于原始多普勒頻移觀測(cè)值的解算方法是一種普遍使用的高精度GPS測(cè)速方法，基本不受載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。多普勒頻移是觀測(cè)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(diǎn)定位的數(shù)學(xué)模型，對(duì)站星偽距進(jìn)行微分后，得到單點(diǎn)測(cè)速的數(shù)學(xué)模型：

(3)

在式(3)中，只有測(cè)速儀的三維速度和測(cè)速儀鐘速4個(gè)未知數(shù)。理論上，如果能夠觀測(cè)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(zhǔn)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(hào)GUSA-0120)具有GPS信號(hào)模擬、記錄和回放功能，能夠使用自行編制的測(cè)速模擬程序創(chuàng)建與真實(shí)使用環(huán)境相近的場(chǎng)景，對(duì)高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀進(jìn)行校準(zhǔn)。本文利用這一功能，結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)場(chǎng)模擬裝置構(gòu)建的校準(zhǔn)系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示[10]，校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1　使用GSS6700的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)工作示意圖

圖2　使用GSS6700的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)圖

2.2　試驗(yàn)與分析

被校高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀(型號(hào)Racelogic VBOX III，刷新率100Hz)在20～200km·h-1范圍內(nèi)的模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示，模擬校準(zhǔn)過(guò)程中衛(wèi)星數(shù)量9顆，每個(gè)速度點(diǎn)校準(zhǔn)400次。為了檢驗(yàn)校準(zhǔn)裝置是否符合機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)的要求，測(cè)量誤差的計(jì)算依照J(rèn)JF 1193—2008《非接觸式汽車(chē)速度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定：不大于50km·h-1時(shí)，計(jì)算絕對(duì)誤差，km·h-1；大于50km·h-1時(shí)，計(jì)算相對(duì)誤差，％。

表1　基于GSS6700的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)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(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)被校儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，各個(gè)速度點(diǎn)的模擬測(cè)速誤差均為負(fù)誤差，且不大于-0.05km·h-1或-0.05％，相對(duì)誤差隨被測(cè)速度增加而降低。各個(gè)速度點(diǎn)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(píng)估

以測(cè)量誤差及測(cè)量重復(fù)性誤差最大的60km·h-1作為參考速度值，進(jìn)行不確定度評(píng)定。按照輸入量的不確定度來(lái)源及評(píng)定，列出輸出量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，見(jiàn)表2。

表2　基于GSS6700的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度分量表

由于各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相互無(wú)關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(4)

合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.011％，故相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.022％，k=2。

3　基于Labsat的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)

3.1　系統(tǒng)構(gòu)成

Racelogic公司生產(chǎn)的LabsatGPS信號(hào)模擬器(型號(hào)Labsat)同樣具有GPS信號(hào)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(hào)模擬器運(yùn)行自行編制的測(cè)速場(chǎng)景模擬程序，結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)場(chǎng)模擬裝置構(gòu)建的校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖3　使用Labsat的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)工作示意圖

圖4　使用Labsat的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)圖

3.2　試驗(yàn)與分析

被校高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀(型號(hào)Racelogic VBOX III，刷新率100Hz)在20～200km·h-1范圍內(nèi)的模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示，模擬校準(zhǔn)過(guò)程中衛(wèi)星數(shù)量9顆，每個(gè)速度點(diǎn)校準(zhǔn)400次。測(cè)量誤差的計(jì)算同表1。

表3　基于Labsat的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)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(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)被校儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，各個(gè)速度點(diǎn)的模擬測(cè)速誤差均為正誤差，且小于0.05km·h-1或0.05％，測(cè)速誤差隨被測(cè)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(píng)估

為了更好的與GSS6700模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，以60km·h-1作為參考速度值，進(jìn)行不確定度評(píng)定。按照輸入量的不確定度來(lái)源及評(píng)定，列出輸出量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，見(jiàn)表4。

表4　基于Labsat的模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度分量表

由于各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相互無(wú)關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(5)

合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.015％，故相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.030％，k=2。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)同一臺(tái)高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀分別使用兩種模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)，并進(jìn)行了不確定度分析：

1)校準(zhǔn)結(jié)果顯示兩種模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)均能夠在20～200km·h-1范圍內(nèi)進(jìn)行有效校準(zhǔn)，不同速度點(diǎn)的模擬測(cè)速誤差均在±0.05km·h-1或±0.05％范圍內(nèi)，校準(zhǔn)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(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)法的不確定度小于高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀最大允許誤差絕對(duì)值(0.1km·h-1)的三分之一[12]，因此能夠作為高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀量值溯源的有效途徑。在實(shí)驗(yàn)室完成高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀測(cè)速范圍和模擬測(cè)速誤差等關(guān)鍵計(jì)量指標(biāo)的校準(zhǔn)項(xiàng)目，避免了繁瑣危險(xiǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車(chē)高速試驗(yàn)，科學(xué)合理、溯源明確、可操作性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)模擬測(cè)速誤差校準(zhǔn)的高精度機(jī)動(dòng)車(chē)GPS測(cè)速儀作為機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)器具使用，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

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