一種車載gps實時信號的采集與預處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法，包括：通過RS232串口實現(xiàn)對GPS接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收；GPS相關數(shù)據(jù)的解析以及對GPS數(shù)據(jù)的可用性判斷進行預處理；GPRMC語句中相關數(shù)據(jù)的提取、存儲的前期數(shù)據(jù)處理工作；通過車載GPS系統(tǒng)的實車怠速試驗，驗證車載GPS所受噪聲種類。本發(fā)明所述車載GPS實時信號的采集與預處理方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)定性差、維護難度大和測量精度低等缺陷，以實現(xiàn)穩(wěn)定性好、維護難度小和測量精度高的優(yōu)點。
【專利說明】 一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法
[0001]
【技術(shù)領域】
[0002]本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領域】，具體地，涉及一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來，隨著全國人均收入的不斷提高，車輛的普及率也在不斷提升，車輛漸漸的成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N必需品。當然，作為一種出行常用的交通工具，人們在注重其經(jīng)濟美觀的同時，對車輛的安全性、穩(wěn)定性也有了更高的要求，尤其是在事故頻發(fā)的當下，人們越來越關注車輛的安全性能。
[0004]GPS技術(shù)為車輛運動狀態(tài)參數(shù)的測量提供了一種新的方法。車載GPS導航系統(tǒng)對來自太空的GPS衛(wèi)星的實時信號進行不斷地采集和處理，并以此判斷出車輛當前所在的位置。車輛產(chǎn)業(yè)已成為當今中國不斷發(fā)展的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，在人們的日常工作和生活起著日益突出的作用[7]。
[0005]國內(nèi)有人也已經(jīng)開始了利用GPS對車輛運動狀態(tài)開始研宄。如張金柱等人開發(fā)的基于GPS的車輛主動安全控制系統(tǒng)[16]，在結(jié)合GPS和INS系統(tǒng)的基礎上已能夠整體的測量車輛的側(cè)傾角等信息。付江華等人也提出了一種利用車載GPS與INS系統(tǒng)相結(jié)合的車輛運動性能測試方案。以上這些研宄大多通過測量定位精度十分高的GPS系統(tǒng)，或者以多個GPS系統(tǒng)進行組合作為研宄的硬件基礎，這也導致了整個系統(tǒng)成本較高，安裝復雜，并不適用于在普通車輛上大量生產(chǎn)和裝備。
[0006]利用GPS技術(shù)對車輛狀態(tài)參數(shù)進行估計的研宄是一個新興的研宄課題，國外已經(jīng)有不少研宄成果，且隨著GPS成本的降低，國外的GPS技術(shù)的研宄已經(jīng)從導航、定位、監(jiān)控發(fā)展到了 GPS作為一個測量核心為車輛自動控制系統(tǒng)提供車輛實時運動狀態(tài)，而且現(xiàn)在整個GPS測量系統(tǒng)已經(jīng)用到了輔助駕駛系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等方面[18-21]。GPS的姿態(tài)測量和控制在國外經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)比較成熟。國內(nèi)對基于GPS車輛的運動狀態(tài)參數(shù)進行估計的研宄起步較晚，國內(nèi)GPS系統(tǒng)用于車輛的運動狀態(tài)參數(shù)進行估計還處于初級階段。
[0007]要通過GPS系統(tǒng)實現(xiàn)車輛的實時運動狀態(tài)的檢測，還需要解決諸多的技術(shù)難題。與此同時在國內(nèi)現(xiàn)階段的研宄中使用的硬件主要還是載波相位接收機。雖然載波相位接收機能夠較為精確地對物體進行定位，但是載波相位接收機也存在著明前的缺點導致它在商用車輛上很難普及。例如:儀器笨重，現(xiàn)場布置困難，天線復雜等缺點。但是隨著GPS電子硬件的發(fā)展和相關技術(shù)的不斷解禁，使普通類型的單天線GPS接收機通過一些處理也能夠得到亞米級的測量精度，再結(jié)合一些適當算法的結(jié)合，有望進一步提高GPS的測量精度。
[0008]GPS測量精度的不斷提高為通過GPS測量車輛運動狀態(tài)進而進行車輛控制提供了可能性。同時為了解決基于GPS進行車輛控制的問題，還必須對GPS系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行估計與檢測，由此推算出更加全面的車輛動態(tài)參數(shù)信息，并對這些參數(shù)進行分析與論證，進而推算出車輛是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)，為車輛主動安全控制系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)支持，可以預見未來的車載GPS系統(tǒng)將是一個集定位導航，車輛姿態(tài)管理和穩(wěn)定性分析以及車輛控制的大系統(tǒng)。
[0009]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在穩(wěn)定性差、維護難度大和測量精度低等缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法，以實現(xiàn)穩(wěn)定性好、維護難度小和測量精度高的優(yōu)點。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法，包括:
通過RS232串口實現(xiàn)對GPS接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收；
GPS相關數(shù)據(jù)的解析以及對GPS數(shù)據(jù)的可用性判斷進行預處理；
GPRMC語句中相關數(shù)據(jù)的提取、存儲的前期數(shù)據(jù)處理工作；
通過車載GPS系統(tǒng)的實車怠速試驗，驗證車載GPS所受噪聲種類。
[0012]本發(fā)明各實施例的車載GPS實時信號的采集與預處理方法，由于包括:通過RS232串口實現(xiàn)對GPS接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收；GPS相關數(shù)據(jù)的解析以及對GPS數(shù)據(jù)的可用性判斷進行預處理；GPRMC語句中相關數(shù)據(jù)的提取、存儲的前期數(shù)據(jù)處理工作；通過車載GPS系統(tǒng)的實車怠速試驗，驗證車載GPS所受噪聲種類；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)定性差、維護難度大和測量精度低的缺陷，以實現(xiàn)穩(wěn)定性好、維護難度小和測量精度高的優(yōu)點。
[0013]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。
[0014]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
圖1為本發(fā)明中GPS數(shù)據(jù)的可用性分析原理圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017]根據(jù)本發(fā)明實施例，如圖1所示，提供了一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)方案中，車載GPS實時信號的采集與預處理:
本發(fā)明的技術(shù)方案將重點分析車載GPS實時信號的采集與預處理方法通過RS232串口實現(xiàn)對GPS接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收。GPS相關數(shù)據(jù)的解析以及對GPS數(shù)據(jù)的可用性判斷等預處理。以及GPRMC語句中相關數(shù)據(jù)的提取、存儲等前期數(shù)據(jù)處理工作，以及通過車載GPS系統(tǒng)的實車怠速試驗驗證了車載GPS所受噪聲種類。
[0019]3.1 GPS數(shù)據(jù)格式
NMEA協(xié)議的制定為各國開發(fā)的不同GPS設備提供了一個統(tǒng)一的標準，由美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA-The Nat1nal Marine Electronics Associa-t1n)制定的一套通訊協(xié)議。GPS接收機接收到GPS信號以后GPS處理軟件根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的格式，解析出相關的信息，然后將信息傳送到客戶端的顯示界面上。NMEA-0183協(xié)議是當前GPS行業(yè)應用最為廣泛的一種通訊協(xié)議，它規(guī)定了 GPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號的格式，現(xiàn)行的GPS相關軟件大多都遵守或者兼容NMEA-0183協(xié)議。現(xiàn)在GPS行業(yè)中普遍使用的$GPRMC、$GPGSV等語句都是該協(xié)議所規(guī)定。
[0020]本發(fā)明的技術(shù)方案所用的Trimble公司的Condor C2626型號的GPS接收機所接收的GPS信號包括:$GPGGA、$GPGSA, $GPGSV、$GPRMC共四種數(shù)據(jù)。
[0021]3.2 GPS接收機的串口通信
RS-232 (又稱232接口或EIA-RS-232接口)是由美國EIA協(xié)會制定的串口通訊的標準接口，RS-232接口在計算機外設與計算機的通訊連接方面得到了非常廣泛的應用，其優(yōu)點是傳輸線較少、抗干擾能力強、裝配線簡單等優(yōu)點。因此GPS接收機與PC機采用RS232接口進彳丁串口通?目。
[0022]在進行串口通信之前確保PC機已經(jīng)安裝串口驅(qū)動程序，GPS接收機已啟動且與電腦正常連接。本發(fā)明的技術(shù)方案的數(shù)據(jù)處理軟件采用CreateFile這一多功能的函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)。具體核心代碼見附錄8。
[0023]3.3 GPS數(shù)據(jù)的預處理
3.3.1 GPS NMEA-0183 協(xié)議的解析
Trimble公司的Condor C2626型號的GPS接收機所每次接收到的GPS信號共8句，SPMTKANT, 1*44為這一次接收數(shù)據(jù)的起始位置，每次接收數(shù)據(jù)中包含一句GPGGA (反應當前車輛運行部分信息)、一句GPGSA (反應GPS衛(wèi)星指針及使用衛(wèi)星格式)、三句GPGSV (反應當前所有可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出語句)、一句GPRMC (NMEA協(xié)議所推薦的含有能反映待測點信息最小數(shù)據(jù)量的GPS信息)。
[0024]3.3.2 GPS數(shù)據(jù)的可用性分析以及相關數(shù)據(jù)的提取
GPS接收機是每秒由串口向PC機發(fā)一次數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中采用不斷的進行串口查詢方式接收數(shù)據(jù)，每I秒進彳丁一次串口的巡回檢測，每次檢測時都要首先讀入GPS串口狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，判斷數(shù)據(jù)是否準備已經(jīng)準備好，如果接收數(shù)據(jù)已經(jīng)準備緒，就將GPS輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)直接讀入一個字符串變量。并判斷此字符串變量的首字符是否為字符“$”，如果不是字符“$”，則進行下一輪的重新檢測準備讀取下一組串口數(shù)據(jù)。如果是字符“$”，則判斷此字符中是否有結(jié)束字符“Chr (13)”，如果沒有，表明此次讀入的數(shù)據(jù)并不是完整的，則將其內(nèi)容整個存起來，并與下一次讀入的有結(jié)束字符“Chr (13) ”的數(shù)據(jù)組合在一起形成一個具有開頭“$”與結(jié)束“Cbr(13)”的完整數(shù)據(jù)。反之如果有結(jié)束字符，表明此次讀取的串口數(shù)據(jù)是一組可以使用的數(shù)據(jù)，并且可從中提取出經(jīng)度、瑋度、速度以及高程。
[0025]GPS數(shù)據(jù)的可用性分析包括GPRMC該語句所在當前整個數(shù)據(jù)組的完整性，以及GPRMC該語句自己的校驗和是否正確，如果該語句的校驗和錯誤，則GPS衛(wèi)星傳到GPS接收機的信號有可能受到電離層或者已啟動的車輛本身的電磁干擾導致GPS數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。GPRMC該句中的主要數(shù)據(jù)通過處理軟件進行實時的提取以供處理軟件進行后期濾波、推算、顯示等處理。以提高GPS處理軟件的實時性。其工作原理圖如圖1所示。
[0026]本發(fā)明的技術(shù)方案采用Trimble公司的GPS接收機作為系統(tǒng)的信號接收設備，研宄了車載GPS信號的實時信號采集與處理系統(tǒng)，通過構(gòu)造實際的系統(tǒng)和實車試驗來驗證理論，提供了一種相對簡單、成本低廉且結(jié)果可靠的實時測量車輛運動狀態(tài)的方案。同時本發(fā)明的技術(shù)方案還論述了車載GPS和實驗室狀態(tài)下的GPS在接收數(shù)據(jù)時受到不同干擾時運行的不同結(jié)果。并通過卡爾曼濾波的方法提高車載GPS提供的數(shù)據(jù)的準確性，使之能夠?qū)崟r反映車輛的實時運動狀態(tài)。GPS系統(tǒng)因其種種特性，雖已成為一種主流的導航、定位、監(jiān)控手段。但是遠沒有發(fā)揮出GPS系統(tǒng)強大的作用，GPS系統(tǒng)雖然只提供確定的車輛的實時位置，以及車輛的瞬時速度、航向角等等，但卻可以通過車輛定位參數(shù)(經(jīng)度、瑋度、高度等)的分析，進一步分析估算得出車輛的加速度、航向角、航向角速度、俯仰角、轉(zhuǎn)彎半徑等一系列參數(shù)，通過這些參數(shù)的估計，可以估算出車輛的實時運動狀態(tài)，進而推算出車輛當前是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)，是否需要進行相應的控制以提高車輛的操作性、安全性和舒適性。切實有效的提高駕駛員對車輛的控制，提高車輛行駛中的安全性減少車輛交通事故。與此同時GPS設備現(xiàn)在集成度比較高，模塊化程度高，體積小，安裝方便，并且數(shù)據(jù)傳輸速度快，如果能與車輛控制器部分相結(jié)合，可以有效地提高車輛駕駛的操控性和安全性。
[0027]本發(fā)明的技術(shù)方案針對車載GPS信號的采集與處理進行研宄，重點通過GPS接收機硬件的選型和配置、串口實時信號的采集、以及相關Visual C++軟件的編程、GPSNMEA-0183協(xié)議的解析[22]、通過擴展卡爾曼濾波算法對相關實時數(shù)據(jù)進行和結(jié)果分析，進而推算出更加全面、準確的車輛的運動狀態(tài)參數(shù)，客觀反應車輛的運動狀態(tài)，以求達到通過車載GPS系統(tǒng)研宄車輛主動安全控制的目的。具體包括:
①車載GPS系統(tǒng)定位原理及其誤差來源、車載GPS系統(tǒng)所受到的噪聲干擾種類、與車輛主動安全控制相關的參數(shù)。
[0028]②車載GPS實時信號的采集與預處理方法的硬件相關組成。
[0029]③GPS實時信號采集與處理及車輛運動狀態(tài)參數(shù)估計的軟件編程。編程采用Visual C++編程。主要包括通過串口連續(xù)采集GPS接收機的實時信號[23]，并按照GPSNMEA-0183協(xié)議格式將其解析，同時提取出相關數(shù)據(jù)，對提取出的數(shù)據(jù)進行相關的預處理和濾波，并推算出車輛的加速度、航向角、航向角速度等信息。
[0030]④系統(tǒng)的測試。主要包括實驗室狀態(tài)下的靜態(tài)對比測試、實車發(fā)動機怠速情況下的對比測試、運動中的實車動態(tài)測試。
[0031]⑤對測試結(jié)果進行分析，驗證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定型。
[0032]車載GPS實時信號的采集與預處理方法硬件構(gòu)成主要GPS信號接收器和信息處理器(PC)組成。其中這里的GPS信號接收器主要由GPS衛(wèi)星廣播電文接收芯片和其外圍電路組成，其中GPS衛(wèi)星廣播電文信號接收芯片采用天寶公司的接收芯片。由該芯片為核心組成的系統(tǒng)能夠自動接收GPS文星電文中的全球定位數(shù)據(jù)(GPGGA)、衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)(GPGSA)、衛(wèi)星狀態(tài)信息(GPGSV)、運輸定位數(shù)據(jù)(GPRMC)四種GPS數(shù)據(jù)。這四種數(shù)據(jù)按照GPS NMEA-0183協(xié)議進行解析能夠得出車輛的相關運動參數(shù)(速度、航向、坐標、高度)。
[0033]車載GPS實時信號的采集與預處理方法軟件構(gòu)成主要通過Visual C++軟件編程的方式由串口采集GPS接收機的實時GPS數(shù)據(jù)，對接收到的有效GPS信息按照相關協(xié)議進行解析，對解析出的數(shù)據(jù)進行預處理和卡爾曼濾波等處理，對處理出的數(shù)據(jù)進行推算，得出更加全面的車輛運動狀態(tài)參數(shù)，通過車輛運動狀態(tài)參數(shù)估計出車輛行駛狀態(tài)。
[0034]整個系統(tǒng)的測試方案包括系統(tǒng)的靜態(tài)測方案試和實車動態(tài)測方案。其中靜態(tài)測試包括車輛啟動/未啟動對比測試，道路動態(tài)測試包括直線勻速/加速/減速測試、上坡/下坡測試、彎道測試。通過測試驗證系統(tǒng)的運動狀態(tài)參數(shù)與車輛實際運動狀態(tài)的相符性和系統(tǒng)的可靠性與準確性。
[0035]最后應說明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種車載GPS實時信號的采集與預處理方法，其特征在于，包括:通過RS232串口實現(xiàn)對GPS接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收；GPS相關數(shù)據(jù)的解析以及對GPS數(shù)據(jù)的可用性判斷進行預處理；GPRMC語句中相關數(shù)據(jù)的提取、存儲的前期數(shù)據(jù)處理工作；通過車載GPS系統(tǒng)的實車怠速試驗，驗證車載GPS所受噪聲種類。
【文檔編號】G01S19/35GK104502929SQ201410775267
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月13日
【發(fā)明者】潘盛輝, 郝東亞 申請人:廣西科技大學