基于GPS的整车性能测试技术

范思广

(武汉理工大学，湖北武汉430070)

0 前言

现阶段的整车道路试验中，微波与光电技术是主要的测试手段，但其构成复杂、笨重、受试验环境影响大，一直是这些技术无法解决的瓶颈，如何更快、更准确地完成检测任务成为大家关注的焦点。同时，侧倾角等参数运用现有的传感器很难测量，随着GPS(全球定位系统)技术的成熟，这些问题都可以得到解决。GPS(全球定能系统)是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航与定位系统。从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统导航与定位的研究、开发和实验工作发展异常迅速。GPS具有全球覆盖、全天候、全天时、高精度等优点，可实现定位、定时、定速功能。因此它在军方、民用、飞机、舰船、火车、汽车等方面都得到了广泛的应用。

1 GPS的基本构成及定位原理

GPS主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

空间星座都分由24颗卫星组成。其中包括3颗备用卫星，分布在6个与赤道面呈55°倾角的平面内，各轨道平面升交点的赤经相差60°，在相邻轨道上，卫星的升角相差30°。正是由于这种合理的布局，使地球上任何位置均能同时观测到至少4颗卫星，从而保证了其全球性、连续性及其实时性。

地面监控部分目前主要由分布于全球的5个地面站组成，其中包括卫星监控站、主控站以及信息注入站。

用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。它的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经数据处理而完成导航和定位工作。

GPS定位问题实质上属于无线电定位问题。从几何角度上，分别有两种:单点定位几何模型和双点定位几何模型。对于这两种几何模型，基本上可归纳为一种简单的几何模型。如图1所示。

对于空间位置已知的三点S1、S2、S3及待测定位点P，P点必处于S1、S2和S3为圆心，三个距离为半径的三个球面的交点上。若能测出到三个点的距离，则可唯一确定出P点到已知点的距离。在GPS的系统中，已知点的位置通过GPS卫星所播发的导航电文来确定。而待测点位置，即GPS接收机的位置，可由测定出GPS卫星信号发射天线至接收机天线的时延t，再由公式Pi=Psi=vt得出 (其中v为电磁波传播速度)。至于延时，则由观测量得出。由此进行解算，实现对P点定值。

2 基于GPS的整车性能测试技术

2.1 车速的测量

当卫星与GPS天线做相对运动时，卫星发射频率与GPS天线接收频率之差Δf称为多普勒频移，它与相对运动的速度Δv成正比，这就是多普勒效应，即:

式中:f1为地球坐标系中GPS天线接收到的载波频率;

f为卫星发射载波的频率;

c表示光速;

v2为卫星相对于大地的速度;

v1为GPS天线相对于大地的速度，即车速。

卫星相对于大地的速度可由轨道坐标系中卫星运动瞬时速度转换求得，轨道坐标系中卫星运动瞬时速度按下式计算:

式中:a为已知轨道参数;

E为偏近点角;

e为轨道椭圆离心率。

GPS测量车速正是运用了多普勒效应，其精度可达0.1 km/h，分辨率可达0.01 km/h。同时GPS接收机计算相对时间，其精度可达0.01 s。由高精度的速度与时间通过积分和微分即可得到整车测试中的相对距离与加速度，其中距离精度可达0.05%，加速度精度可达0.5%。表1和图2是使用法国Thales 100 Hz GPSOEM板 (实时100次频率扫描解算)测量某车型加速性能的实验结果。

表1 某车型加速度性能测试结果

2.2 方位角的测量

GPS接收机通过解算导航电码并进行地球坐标系转换可以得到车辆运动方向的方位角，即车辆运动方向与正北方向的夹角。因此，在制动跑偏、直线自由行驶跑偏试验中可以精确计算车辆运动的偏移量，同时在操纵稳定性试验中可以用作航向角。下面分析使用GPS技术测量跑偏的原理和方法。

如图3所示，建立以起始进线方位为y轴、跑偏量为x轴的坐标系，坐标系0点为车辆的起始跑偏计算点。假设车辆向右发生跑偏，轨迹如图3所示。设入线方位角为θ0，车辆运动方向的瞬时方位角为θi，则运动方向与中心线的夹角Δθi=θiθ0。将整个车辆运动过程采样等分成n单位点，车辆所在位置与中心线的差值即行驶跑偏量设为s，车辆在相邻单位点之间的斜线距离差为L，在单位点间距足够小的情况下，车辆运动方向就是相邻单位点的连线，则有:

使用采样频率足够高的GPS引擎可以使行驶跑偏量的精度达到厘米级。图4是使用法国Tha—les 20 Hz GPSOEM板测量某车型在某U形路面以50 km/h制动的跑偏量结果。从中可见，在车辆制动停止的过程中，车辆向右跑偏。

2.3 多路GPS引擎对俯仰角与侧倾角的测量

在车顶安装3条GPS天线，并分别使用3个GPS引擎，如图5所示构成载体坐标系。通过对坐标系中3条天线的GPS位置信息与彼此间的连线距离，根据三角函数可以解算出坐标系所在平台的姿态角度。

以天线0为坐标零点，则3条天线的原始坐标为 (0，0，0)、(－x1，－y1，0)、(x2，－y2，0)。发生俯仰时，3条天线的坐标变化为 (0，0，0)、(－x1'，－y1'，z1')、(－x2'，－y2'，z2')，则俯仰角:

侧倾角:

式中:l1，2、l1，0'、l0，0'分别为天线 1 与2、天线 1 与0 点、天线0与0点的连线距离。

天线彼此间的连线距离越长，测量精度越高。不同的天线彼此间的连线距离，所测量得到的姿态角度精度如下:0.5 m距离，精度为0.5°;1.0 m距离，精度为0.25°;2.0 m距离，精度为0.1°。

使用双GPS引擎，将其一前一后放置于车顶 (如图6所示)，两天线连接所在的直线方位角 (车身位置方位角)与后天线测得的车辆运动方位角之间的差值即为侧倾角。侧倾角在车辆的快速过弯特性与临界失控性能评价中有着非常重要的参考意义。

图7、8是使用Thales 20 Hz三天线系统测量某车型操纵稳定性稳态回转试验中车厢侧倾角特性与急速变道试验中侧倾角的结果。

2.4 行驶轨迹的测量

汽车的行驶轨迹是由若干个点组成，即轨迹的测量是一系列空间点的定位测量。被测汽车在某一路线上行驶，移动站分系统进行数据采集和数据处理后给出被测汽车所经过路线上若干点的坐标值，把这一系列点位连接起来，就形成了汽车的行驶轨迹，即汽车的行驶轨迹是通过测试汽车的行驶动态点位拟合而得到的，动态点位的定位准确度决定了汽车行驶轨迹的测试准确度。

这些点位与汽车行驶速度和GPS接收系统的采样速率有关，本试验为20 Hz的数据更新率，闭合路线的里程为2 323.5 m，车速约30 km/h，采集到的坐标点为6 000多个，每两点之间相隔约39 cm，这条行驶轨迹曲线实际上就是由这6 000多个点位坐标拟合而成的。利用鼠标点击这条轨迹上的任意一点，就能立即显示出该点的坐标值以及经过该点的时刻等。

2.5 侧滑、横摆 (距离)的测量

汽车的侧滑、横摆是描述汽车在制动、转弯等情况下，由于整车的重心转移、地面条件和轮胎状况等因素所引起的汽车整体向某一侧面的滑动，或车头、车尾等汽车的某一部位往侧向 (横向)发生偏摆，即汽车从预期的正常行驶轨迹向侧面移动了一定距离。所以，汽车行驶中的侧滑、横摆可归结为距离的测试。距离测试是GPS技术的主要功能，它所具有的测试速度快、准确度高、不要求通视、不分昼夜、不受天气影响等优势是传统的距离测试方法不可比拟的。我们进行了若干次的汽车行驶中的侧滑、横摆测试实验，测试结果与其他方法测得的结果非常一致。

2.6 汽车ABS滑移率、制动距离的测量

表2 滑移率部分测试数据

滑移率是ABS的重要参数，它表征汽车在制动情况下ABS防抱死的特性。理想状况下汽车制动时，车速既要下降，又不能被完全抱死而滑动 (拖动)，但实际情况总是或多或少要产生滑动。滑移率是ABS系统制动时车轮滑动与滚动关系的物理量，是汽车车体从制动开始到车停止时所行进的距离s和车轮滚过的长度L的差值与s之比。汽车ABS制动时的滑移率为:

车载GPS系统与专用汽车轮速测试装置同时处于工作状态，以20～60 km/h速度行驶中的汽车在t1时刻踩刹车实施制动，当汽车停车时再次记录下对应时刻t2。在GPS接收系统储存的数据中读取与时刻t1及t2时刻对应的汽车坐标值，计算出汽车行进距离s。与此同时，安装在车轮上的光电探测器在t1时刻开始记录脉冲数直至t2，测得总脉冲数n;通过实测车轮在地面上滚动一圈的长度确定每个脉冲所代表的长度a，进而求得在t1与t2之间车轮的滚动距离L=a×n，则按公式计算滑移率。滑移率也可用速度方法进行测量，即车轮的线速度(w×r)与车体的行进速度v的差值与v之比。即

式中:w为车轮旋转角速度，rad/s;

r为车轮半径，m。

制动距离是汽车从制动开始到停车所行进的距离s，所以在进行滑移率实验的同时，制动距离也一并测得。在试验场进行了滑移率和制动距离的场地测试实验，表2列出了部分测试数据。

3 结束语

GPS技术为整车性能测试提供了一种非常快捷而精确的方法，丰富了检测手段。GPS能完成对行驶跑偏量、侧倾角等的测量，填补了现阶段国内其他设备无法测量的空白。随着DGPS、RTK等技术的不断发展，未来GPS的精确轨迹图绘制功能还会应用到ESP等试验中。由于GPS测量精度高、安装简单、使用方便、可靠性好、不受天气与环境影响等，它必定会在未来汽车动力性、操纵控制性、ESP、行驶跑偏量、急速变道、U形与鱼钩试验等整车测试中得到广泛应用。

【1】张勤，李家权.GPS测量原理及应用［M］.北京:科学出版社，2005.

【2】王存良.GPS定位和测速的解算过程［J］.测控技术，2003(1).

【3】GB/T12676-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法［S］.

【4】韩晓东，张静.车载平台GPS姿态测量［J］.工程勘察，2004(2).

【5】冯超，邬惠乐.汽车工程手册(试验篇)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

【6】刘美生.全球定位系统及其应用综述(三)［J］.中国测试技术，2007，33(1).