GSP车载行车速度测试技术研究+文献综述(3)
1) GPS和加速传感器车速测量系统的总体设计：GPS和加速度传感器车速测量的系统组成（GPS模块，加速度传感器模块和处理器模块）；
2) GPS和加速度传感器测速工作原理分析；
3) GPS和加速度传感器车速测量系统的硬件设计：GPS芯片的选型（介绍GPS的特点和功能），加速度传感器的选型（介绍加速度传感器的工作特点和功能），单片机芯片的选型（STM32F103RBT6的特点和主要性能指标），电路原理图分析；
4) GPS和加速度传感器车速测量系统的软件设计：GPS和加速度传感器的速度信号采集，卡尔曼滤波数据融合算法[21]（介绍卡尔曼滤波算法），程序流程图；
5) 实验：观察实验现象和结论；
2 GPS和加速传感器车速测量系统的总体设计
全球卫星定位系统GPS是美军20世纪70年代初在子午仪卫星导航定位技术基础上发展起来具有全球性、全能性、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS信号用于相对定位时精度较高, 但信号频率较低, 不能满足汽车道路试验数据分析需求。加速度计可以实时提供被测物体的加速度信息。若已知被测物体的起始速度, 便可以将加速度积分得到物体各个时刻的速度。但加速度计会随着时间的增长而发生漂移, 产生较大的误差, 不能单独长时间使用。现采用数据融合算法,由GPS信号提供基准的低频速度信息,校正补偿误差；当GPS无法接收到4颗以上的卫星信号时，加速度传感器基于前一时刻GPS提供的初始速度，加上本身测得加速度信号进行积分，得到卫星信号时的速度信息。基于GPS信号和加速度计的速度采集总体方案如图2.1所示。
图2.1 系统总体框图
GPS 接收机捕获、跟踪卫星, 接收、放大、解调GPS信号, 还原出GPS卫星发送的导航电文, 获得位置、速度、时间等数据,并根据串行通信传送来的微控制器的指令, 发送相应报文。微控制器定时对加速度计采样, 并将二者数据包编号,测量所得的数据在LCD液晶显示器上显示速度信息。
2.1 GPS的测速原理
GPS测速大致有3种方法：第一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分来获取速度；第二是利用GPS原始多普勒观测值直接计算速度；第三是利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度。这3种方法之间有一定的联系，都源于速度的数学定义公式。不过由于计算思路不同,所利用的观测量也不同，部分方法还作了不同程度的近似假设，所以它们所确定的速度的精度也不同[19]。
2.1.1 位置差分确定速度
利用历元 和 的位置向量 和 ，求得历元t的载体速度其中, 为采样间隔。由式（2.1）所确定的速度, 是载体在时间2 内的平均速度。如果采样间隔h趋近于0 ,则该平均速度即为瞬时速度。
（2.1）
2.1.2 原始多普勒频移观测值求解速度
卫星j的多普勒频移观测值方程为 （2.2）
式中， 为卫星j的多普勒频移观测值，单位为Hz；λ为载波波长； , 分别为卫星j的时钟和接收机时钟的钟差变化率；C为光速； 为观测值噪声； 为卫星j到接收机天线见的集合距离， 为变化率，表达式为
其中， ， 分别为GPS 卫星j发射信息时刻的位置矢量和接收机接受信号时刻的位置矢量。式（2.2）和式（2.3）中，卫星位置 、卫星速度 和卫星钟变化率 可以由导航电文计算而得 。载体位置 ，速度 和接收机钟差变化率 为未知参数。对式（2.3）线性化
其中, , 为载体位置和速度的近似值, , 为它们相应的改正数； 为几何距离变化率的近似值，表达式为