白 銀，孫 橋，杜 磊，于 梅，白 杰，曹 進(jìn)

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京　100029；2.重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶　401120）

移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀溯源技術(shù)的研究

白 銀1，孫 橋1，杜 磊1，于 梅1，白 杰1，曹 進(jìn)2

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京100029；2.重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶401120）

介紹了當(dāng)前廣泛使用的兩種基于光電和GPS原理的非接觸移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀的溯源技術(shù)，對光電式機(jī)動車速度儀和高精度機(jī)動車GPS測速儀進(jìn)行了實驗室模擬測速誤差的檢測和機(jī)動車道路速度實測值的對比試驗。在10～180 km/h范圍內(nèi)特定速度點，采用同步齒形帶式臺架校準(zhǔn)裝置對光電式機(jī)動車速度儀進(jìn)行校準(zhǔn)；采用機(jī)動車GPS信號模擬器對高精度機(jī)動車GPS測速儀在相同速度點進(jìn)行模擬測速誤差檢測。使用機(jī)動車道路速度實測方法對兩類測速儀器在20～150 km/h速度范圍內(nèi)的測速性能進(jìn)行對比，結(jié)果表明，兩類測速儀器在速度波動較小時，不同速度點的測速偏差在±0.3％范圍內(nèi)；速度變化較快時，高精度機(jī)動車GPS測速儀的速度測量值響應(yīng)速度較快，而光電式機(jī)動車速度儀的速度響應(yīng)與之相比有一定的延時滯后，兩者的最大測速偏差在±8％范圍內(nèi)。因此，在能夠搜到6顆以上衛(wèi)星信號時，使用高精度機(jī)動車GPS測速儀具有更好的測速性能。

計量學(xué)；機(jī)動車測速；高精度機(jī)動車GPS測速儀；光電式機(jī)動車速度儀；溯源技術(shù)

1　引言

移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀作為機(jī)動車速度標(biāo)準(zhǔn)器，其溯源技術(shù)的研究對于機(jī)動車測速儀的計量檢定具有重要意義。目前廣泛使用的主流移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀包括光電式機(jī)動車速度儀和高精度GPS測速儀，其中，國內(nèi)外對于高精度機(jī)動車GPS測速儀的測速性能和溯源方法研究相對較少。英國研究者利用非接觸式測速儀對兩款高精度機(jī)動車GPS測速儀（VBOX II和Microsat R20）的檢測結(jié)果表明，兩款GPS測速儀均能夠滿足機(jī)動車測速需求［1］。Racelogic公司的研究者使用非接觸式測速儀和高精度機(jī)動車GPS測速儀同時對機(jī)動車的加速及剎車過程進(jìn)行檢測，同步記錄的速度-時間曲線比對結(jié)果表明，高精度機(jī)動車GPS測速儀準(zhǔn)確性與非接觸測速儀相近，而在響應(yīng)速度、信噪比和可靠性方面都優(yōu)于非接觸式測速儀［2］。國內(nèi)對于高精度機(jī)動車GPS測速儀的研究大多集中在測速方法研究以及標(biāo)準(zhǔn)器研制上［3～5］。孫橋等提出了一種基于現(xiàn)場GPS信號定標(biāo)的實驗室校準(zhǔn)方法，實現(xiàn)了速度量值溯源至長度和時間計量基本單位［6］。對于高精度機(jī)動車GPS測速儀的溯源方法仍然有待進(jìn)一步研究，為此，本文介紹了光電式機(jī)動車速度儀和高精度機(jī)動車GPS測速儀的工作原理和溯源技術(shù)，并進(jìn)行了兩類測速儀道路實測性能的對比分析。

2　移動式機(jī)動車現(xiàn)場測速儀工作原理

2.1光電式機(jī)動車速度儀

光電式機(jī)動車速度儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［7］。照明燈光在光學(xué)鏡頭下方的地面上形成光斑，反射光通過透鏡成像到光電傳感器（梳狀電極）上，如圖2所示，當(dāng)光電式機(jī)動車速度儀與地面有相對運動時，成像經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和濾波輸出窄帶單頻信號，該信號頻率與車速成正比［8］，經(jīng)過信號處理電路計算并輸出機(jī)動車的行進(jìn)速度。

圖1　非接觸式速度計結(jié)構(gòu)圖

2.2高精度機(jī)動車GPS測速儀

GPS測速儀通過安裝在運動載體上的接收器獲取GPS信號，從而得到運動載體的速度［9］。本文研究的高精度GPS測速儀采用基于原始多普勒頻移解算法測速，該算法基本不受載體運動狀態(tài)的影響。多普勒頻移是觀測者接收到的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：

圖2　非接觸式速度計檢測原理

式中：c為真空中光速，VR為衛(wèi)星相對用戶接收機(jī)的徑向速度。根據(jù)GPS單點定位的數(shù)學(xué)模型，對站星偽距進(jìn)行微分后，得到單點測速的數(shù)學(xué)模型：

3　移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀溯源

3.1光電式機(jī)動車速度儀溯源

光電式機(jī)動車速度儀的測速、測距計量性能進(jìn)行校準(zhǔn)的方法已有校準(zhǔn)規(guī)范［10］。其中，道路試驗由于對試驗場地和車輛行駛要求較高［11］，計量機(jī)構(gòu)多采用臺架式校準(zhǔn)裝置，包括轉(zhuǎn)鼓式和同步齒形帶式。轉(zhuǎn)鼓式校準(zhǔn)裝置見圖3，該裝置溯源到轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置［12］。

同步齒形帶式校準(zhǔn)裝置的基本原理與轉(zhuǎn)鼓式校準(zhǔn)裝置相同，不同點是使用同步齒形帶來模擬移動路面，見圖4。

圖3　轉(zhuǎn)鼓式校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)非接觸式汽車速度計

圖4　同步齒形帶式校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)非接觸式汽車速度計

3.2高精度機(jī)動車GPS測速儀溯源

使用GPS信號模擬器以及衛(wèi)星信號場模擬裝置對GPS測速儀進(jìn)行模擬測速誤差的檢測。GPS衛(wèi)星信號模擬器由GPS數(shù)據(jù)仿真軟件、GPS衛(wèi)星射頻信號產(chǎn)生器和計算機(jī)組成。GPS衛(wèi)星信號模擬器主要包括兩部分，一部分是仿真數(shù)據(jù)生成和控制單元，另一部分是射頻信號仿真單元。仿真控制軟件是模擬器的核心，模擬器需要的控制參數(shù)由該軟件計算得到。根據(jù)用戶設(shè)置的試驗環(huán)境，分別計算目標(biāo)接收機(jī)接收的GPS衛(wèi)星信號狀態(tài)，控制12通道模擬器產(chǎn)生相應(yīng)的GPS射頻信號，利用軟件產(chǎn)生GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)，將射頻信號和差分?jǐn)?shù)據(jù)同時送GPS接收機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)測試。數(shù)據(jù)仿真階段，各種對衛(wèi)星導(dǎo)航有影響的系統(tǒng)和環(huán)境因素都已經(jīng)完成建模，數(shù)學(xué)仿真利用這些模型計算出偽距、偽距率、多徑延遲等參數(shù)，這些參數(shù)已經(jīng)包含了GPS射頻信號仿真所需的全部信息，如大氣傳播效應(yīng)已經(jīng)折合在偽距之中，目標(biāo)的運動速度體現(xiàn)在多普勒頻率中。

Racelogic公司生產(chǎn)的Labsat GPS信號模擬器具有GPS信號模擬、記錄和回放功能，如圖5所示。通常的使用方法只適用于對高精度機(jī)動車GPS測速儀的主機(jī)和顯示輸出部分進(jìn)行模擬檢測，不能對包括GPS天線的高精度機(jī)動車GPS測速儀進(jìn)行整機(jī)檢測。衛(wèi)星場模擬器是根據(jù)衛(wèi)星信號分布研制出的四棱錐形暗場，外部為金屬材質(zhì)，內(nèi)部為吸波材料。射頻模擬信號從頂端接入，GPS接收天線放置于暗場底部中央位置。本文利用GPS信號模擬器運行自行編制的測速場景模擬程序，結(jié)合衛(wèi)星信號場模擬裝置構(gòu)建的檢測系統(tǒng)如圖6所示。

圖5　高精度機(jī)動車GPS測速儀回放示意圖

圖6　高精度機(jī)動車GPS測速儀模擬檢測系統(tǒng)圖

3.3實驗室模擬測速對比實驗

使用同步齒形帶式校準(zhǔn)裝置對光電式機(jī)動車速度儀（型號SG-820，出廠編號SG-0907820032）進(jìn)行校準(zhǔn)，每個速度點重復(fù)6次測量，結(jié)果如表1所示。其中，速度不大于50km/h時，計算絕對誤差，km/h；大于50 km/h時，計算相對誤差，％［10］。表2、3同。

從表1所列數(shù)據(jù)分析，光電式機(jī)動車速度儀校準(zhǔn)過程中不調(diào)整光電系數(shù)情況下，在10～180 km/h范圍內(nèi)測量誤差呈現(xiàn)非線性，最大測量誤差為-0.78％，重復(fù)性小于0.1％。

檢測高精度機(jī)動車GPS測速儀（型號Racelogic VBOX III，出廠編號031183，刷新率100 Hz）在10 ～180 km/h范圍內(nèi)的模擬測速性能指標(biāo)，記錄高精度機(jī)動車GPS測速儀的輸出數(shù)據(jù)，并與模擬場景中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比。模擬檢測過程中衛(wèi)星數(shù)量9顆。結(jié)果如表2所示，為了與光電式機(jī)動車速度儀校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行有效對比，測量誤差的計算同表1。對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，高精度機(jī)動車GPS測速儀在10～180 km/h速度范圍內(nèi)模擬測速誤差均為零，3次測量的重復(fù)性誤差為零。

表1　使用同步齒形帶式校準(zhǔn)裝置對光電式機(jī)動車速度儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)km·h-1

表2　使用機(jī)動車GPS測速儀模擬檢測系統(tǒng)對高精度機(jī)動車GPS測速儀的檢測數(shù)據(jù)km·h-1

對比光電式機(jī)動車速度儀和高精度機(jī)動車GPS測速儀的模擬測速誤差檢測結(jié)果，光電式機(jī)動車速度儀由于使用光電傳感器作為核心器件，校準(zhǔn)過程中同步齒形帶不可避免的抖動導(dǎo)致其重復(fù)性比高精度機(jī)動車GPS測速儀差。光電式機(jī)動車速度儀在10～180 km/h范圍內(nèi)的測速誤差呈非線性，修正較難；而高精度機(jī)動車GPS測速儀在10～180 km/h范圍內(nèi)的測速誤差均為零，無需修正。因此，高精度機(jī)動車GPS測速儀的模擬測速性能整體優(yōu)于光電式機(jī)動車速度儀。

4　道路實測比對試驗

將前文中經(jīng)過模擬校準(zhǔn)的光電式機(jī)動車速度儀和高精度機(jī)動車GPS測速儀按要求安裝在試驗車上。試驗過程中衛(wèi)星數(shù)量9顆。對兩種移動式機(jī)動車標(biāo)準(zhǔn)測速儀在試驗車速度變化較快時的速度測量值進(jìn)行同步采樣，測量結(jié)果如表3所示。在試驗車行駛速度波動較小時，檢測兩類移動式機(jī)動車標(biāo)準(zhǔn)測速儀的速度測量值，計算測量結(jié)果的偏差以及重復(fù)性列于表4。偏差的計算同表1。

使用兩種移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀在試驗車加速到減速過程中進(jìn)行測速并同時記錄測速數(shù)據(jù)，將記錄的數(shù)據(jù)繪制速度-時間曲線，如圖7所示。

表3　速度變化較快時測速性能對比km·h-1

結(jié)合分析圖7和表3、表4的數(shù)據(jù)，光電式機(jī)動車速度儀與高精度機(jī)動車GPS測速儀在機(jī)動車行駛速度波動較小時，測速準(zhǔn)確度相近：在試驗車不同速度點的相對偏差均小于0.3％；在相同速度點的測速穩(wěn)定性、重復(fù)性性能也相近，3次測量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.2％。在機(jī)動車加速和減速測量試驗中，兩類測速儀的測速結(jié)果偏差較大，其中9個速度點的測量偏差為1.0～2.5％；且在加速過程中，高精度機(jī)動車GPS測速儀測速值大于光電式機(jī)動車速度儀，減速過程中，高精度機(jī)動車GPS測速儀測速值小于光電式機(jī)動車速度儀。結(jié)合圖7中2條曲線進(jìn)行分析，這一偏差主要是由于光電式機(jī)動車速度儀測速數(shù)據(jù)的延時滯后造成。因此，在對行駛速度變化較快的機(jī)動車速度進(jìn)行測量時，GPS測速儀由于響應(yīng)快、穩(wěn)定性好而占有較大優(yōu)勢。

表4　速度波動較小時性能對比

圖7　采樣的速度-時間曲線

5　結(jié)束語

本文介紹了移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀的溯源技術(shù)研究。對光電式機(jī)動車速度儀進(jìn)行校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)顯示，光電式機(jī)動車速度儀在10～180 km/h范圍內(nèi)測量誤差呈非線性，且部分速度計需要通過調(diào)整光電系數(shù)來保證測量誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。對高精度機(jī)動車GPS測速儀的模擬測速誤差檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，使用GPS信號模擬器與衛(wèi)星場信號器組成的GPS模擬測速誤差檢測裝置，對高精度機(jī)動車GPS測速儀進(jìn)行模擬測速誤差的檢測，結(jié)果顯示該裝置能夠?qū)Ω呔葯C(jī)動車GPS測速儀在10～180 km/h范圍內(nèi)的模擬測速誤差進(jìn)行有效檢測。通過道路實測試驗，考察了兩類測速儀在速度變化較快時的測速準(zhǔn)確性對比并分析測量結(jié)果出現(xiàn)偏差的原因。試驗結(jié)果表明高精度機(jī)動車GPS測速儀在機(jī)動車行駛速度變化較快時由于響應(yīng)更快而具有更好的準(zhǔn)確性，并且準(zhǔn)確性和可靠性在機(jī)動車行駛速度波動較小時與光電式機(jī)動車速度儀相當(dāng)。因此高精度機(jī)動車GPS測速儀在保證能夠搜索到6顆以上恒定的衛(wèi)星時，能夠作為移動式機(jī)動車現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀使用，在機(jī)動車測速法制計量技術(shù)領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景［13］。

［1］D Summers&S Lewis，HOSDB.Guidance for test houses on the use of satellite speed measurement equipment for Home Office type approval tests［S］.2006.

［2］Racelogic Corporation.A Comparison of non-contact speed sensors［EB/OL］.http：//www.racelogic.co.uk/_ downloads/vbox/Application_Notes/Comparison％20of％ 20Non-contact％20Speed％20Sensors.pdf.2013-07-04.

［3］趙軍，劉美生，楊春生，等.基于GPS技術(shù)的速度標(biāo)準(zhǔn)裝置研究［J］.微計算機(jī)信息，2008，24（25）：245-246.

［4］靳力.基于高速GPS的道路測速設(shè)備計量校準(zhǔn)系統(tǒng)［J］.計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013，（4）：180-182.

［5］張寶峰，耿麗紅.GPS單點測速誤差分析與數(shù)據(jù)處理［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報，2010，26（3）：13-15.

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［9］葉芳.基于GPS技術(shù)的車速傳感器的研制與應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

［10］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJF 1193-2008，非接觸式汽車速度計校準(zhǔn)規(guī)范［S］.2008.

［11］GB/T 12534-90，汽車道路試驗方法通則［S］.1990.

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［13］杜磊，孫橋，蔡常青，等.側(cè)裝機(jī)動車?yán)走_(dá)測速儀天線計量關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)研究［J］.計量學(xué)報，2013，34 （1）：36-40.

Study on Tracing Technique for
Field Test Mobile Reference Vehicle Speed Meter

BAI Yin1，SUN Qiao1，DU Lei1，YU Mei1，BAI Jie1，CAO Jin2
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection，Chongqing 401120，China）

To study the tracing technology of field test mobile reference vehicle speed meters based on optical sensor and GPS receiver respectively，simulated and field test of speed measurement experiments for both non-contact vehicle speed meter and GPS vehicle speed meter were performed and the results were compared.The calibration of non-contact automotive speed meter was performed with synchronous belt simulator.The calibration was performed on several speed values in the range of 10～180 km/h.A GPS signal simulator system was used in simulated speed measurement error test for GPS automotive speed meter.The same speed values as that in the calibration of non-contact speed meters were tested.The field test performance of both

peed meters was compared.The relative deviations in uniform motion fell in the range of±0.3％.The relative deviations in acceleration and deceleration were much larger.The largest relative deviation fell in the range of±8％，which was caused by the lagging effect of non-contact automotive speed meter.It is inferred that the performance of GPS automotive speed meter is better than that of non-contact automotive speed meter，when at least 6 satellites can be found by GPS automotive speed meter.

Metrology；Vehicle speed-measuring device；High accuracy GPS speed meter for automotives；Noncontact automotive speedmeter；Tracing technology

TB934

A

1000-1158（2015）01-0072-05

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.16

2013-12-24；

2014-04-14

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（2012YQ090208）

白銀（1986-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，中國計量科學(xué)研究院博士后，主要從事力學(xué)運動學(xué)計量領(lǐng)域的研究。baiyin@nim.ac.cn