[发明专利]基于全球定位系统数据采集的车身侧偏角计算方法

摘要

本发明涉及一种基于全球定位系统数据采集的车身侧偏角计算方法，属于汽车试验数据采集及动力学参数测量方法技术领域。本方法首先在车体上设置双天线的全球定位系统、GPS接收机数据采集处理模块，接收卫星信号、截取并处理部分车体运动状态信息，实现地理坐标系到局部相对坐标系的转换，利用车体在局部相对坐标系中的位置及角度信息计算车体侧偏角。本发明方法本测量方便、快捷、可靠、无误差累计，降低了计算涉及的系统硬件设置的复杂度，节约了硬件配置的成本。而且本发明方法适用于以二进制输出的单GPS或双GPS测量方案，具有良好的通用性、兼容性。

主权项

一种基于全球定位系统数据采集的车身侧偏角计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（1）定义车体的左右对称的平面上前后方向的车顶连线为车体的中轴线，在车体顶部前后方向上分别布置两根接收机天线，两根接收机天线分别位于中轴线上的A、B两点，两根接收机天线分别由信号线与车体内的两个接收机相连接，两个接收机通过两根天线与卫星进行通讯，实时接收车体中轴线上A、B两点的经度、纬度、高度、水平速度矢量以及水平速度矢量与正北方向的夹角，其中经度、纬度和高度基于84大地坐标参考系，A点的纬度以lat_0表示，A点的经度以lon_0表示，A点的水平速度矢量以hor_0表示，A点的水平速度矢量与正北方向的夹角以α表示，B点的纬度以lat_1表示，B点的经度以lon_1表示；（2）两个接收机分别以二进制形式通过第一串口和第二串口向外交替发送第一数据包和第二数据包；第一数据包和第二数据包中，前三个字节为起始位，第五个字节为区分两数据包的辨别位，第一数据包中包含被测点的经度、纬度和高度信息，第二数据包中包含被测点的水平速度矢量以及水平速度矢量与正北方向的夹角信息；（3）数据采集处理模块分别以一定周期采集上述两个接收机分别通过第一串口和第二串口发送的数据，将接收数据放入缓存，并通过两个数据包中的起始位读取数据，通过两个数据包辨别位判定第一数据包或第二数据包；（4）利用高斯投影法，将A、B两点的经度和纬度由84大地坐标系转换到高斯平面坐标，设a和b分别表示地球的长轴半径和短轴半径，X表示赤道至A点纬度的子午线弧长，N表示卯酉圈曲率半径，ρ表示地球椭球面曲率半径，l表示A点经度与子午线经度之间的差值，L0表示子午线经度，e表示地球椭圆偏心率，d、t、X、η、A0、B0、C0是中间变量，则高斯平面坐标系下A点坐标(x0,y0)为： x 0 = X + N 2 t cos 2 ( lat _ 0 ) 1 2 + N 24 t cos 4 ( lat _ 0 ) ( 5 - t 2 + 9 η 2 + 4 η 4 ) 1 4 y 0 = N cos ( lat _ 0 ) 1 + N 6 cos 3 ( lat _ 0 ) ( 1 - t 2 + η 2 ) 1 3 其中， η 2 = ( a 2 - b 2 ) b 2 cos 2 ( lat _ 0 ) , l=lon_0‑L0，t=tan lat_0， d = b 2 a , X = A 0 ( lat _ 0 ) ρ - B 0 sin ( lat _ 0 ) cos ( lat _ 0 ) - C 0 sin 3 ( lat _ 0 ) cos ( lat _ 0 ) A 0 = d ( 1 + 3 4 e 2 + 45 64 e 4 ) B 0 = d ( 3 4 e 2 + 45 64 e 4 ) C 0 = d 15 32 e 4 , 由B点经度lon_1和纬度lat_1，得到B点处在高斯水平坐标系下的坐标(x1,y1)为： x 1 = X + N 2 t cos 2 ( lat _ 1 ) 1 2 + N 24 t cos 4 ( lat _ 1 ) ( 5 - t 2 + 9 η 2 + 4 η 4 ) 1 4 y 1 = N cos ( lat _ 1 ) 1 + N 6 cos 3 ( lat _ 1 ) ( 1 - t 2 + η 2 ) 1 3 其中， η 2 = ( a 2 - b 2 ) b 2 cos 2 ( lat _ 1 ) , l=lon_1‑L0，t=tan lat_1， d = b 2 a , X = A 0 ( lat _ 1 ) ρ - B 0 sin ( lat _ 1 ) cos ( lat _ 1 ) - C 0 sin 3 ( lat _ 1 ) cos ( lat _ 1 ) A 0 = d ( 1 + 3 4 e 2 + 45 64 e 4 ) B 0 = d ( 3 4 e 2 + 45 64 e 4 ) C 0 = d 15 32 e 4 ; （5）重复通过步骤（4）的计算，分别得到A点和B点在同一采样时刻的坐标(x0i,y0i)和(x1i，y1i)（i=1,2,3…），设以A点的第一个采样值计算得到的坐标值(x01,y01)为坐标原点，得到一个相对坐标系，A、B两点每一时刻计算得到的坐标值都减去A点首个计算得到的坐标值(x01,y01)，得到A、B两点在相对坐标系下的坐标值分别为(x0i',y0i')和(x1i′,y1i′)；（6）根据步骤（5）的计算结果，得到A点在相对坐标系下的水平速度矢量方向与正东方向的夹角γ： γ = arctan | y 0 i ′ - y 1 i ′ | | x 0 i ′ - x 1 i ′ | × 180 π , 并得到车体在上述相对坐标系的四个象限中车体的车身侧偏角β：当A点平面速度矢量方向在AB连线的左侧时，则车体在相对坐标系的四个象限中的车身侧偏角β为，第一象限时 β = π 2 - γ - α , 第二象限时 β = π 2 + γ - α , 第三象限时 β = 3 π 2 - γ - α , 第四象限时 β = 3 π 2 + γ - α ; 当A点平面速度矢量方向在AB连线的右侧时，得到车体在相对坐标系下四个象限中的车身侧偏角β为：第一象限时 β = α - π 2 + γ , 第二象限时 β = α - π 2 - γ , 第三象限时 β = α - 3 π 2 + γ , 第四象限时 β = α - γ - 3 π 2 .