白 銀，孫 橋，杜 磊，于 梅，白 杰，曹 進(jìn)

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

移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(jì)量科學(xué)研究院，北京100029；2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)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(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀的溯源技術(shù)，對(duì)光電式機(jī)動(dòng)車速度儀和高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)速誤差的檢測(cè)和機(jī)動(dòng)車道路速度實(shí)測(cè)值的對(duì)比試驗(yàn)。在10～180 km/h范圍內(nèi)特定速度點(diǎn)，采用同步齒形帶式臺(tái)架校準(zhǔn)裝置對(duì)光電式機(jī)動(dòng)車速度儀進(jìn)行校準(zhǔn)；采用機(jī)動(dòng)車GPS信號(hào)模擬器對(duì)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在相同速度點(diǎn)進(jìn)行模擬測(cè)速誤差檢測(cè)。使用機(jī)動(dòng)車道路速度實(shí)測(cè)方法對(duì)兩類測(cè)速儀器在20～150 km/h速度范圍內(nèi)的測(cè)速性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，兩類測(cè)速儀器在速度波動(dòng)較小時(shí)，不同速度點(diǎn)的測(cè)速偏差在±0.3％范圍內(nèi)；速度變化較快時(shí)，高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的速度測(cè)量值響應(yīng)速度較快，而光電式機(jī)動(dòng)車速度儀的速度響應(yīng)與之相比有一定的延時(shí)滯后，兩者的最大測(cè)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(hào)時(shí)，使用高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀具有更好的測(cè)速性能。

計(jì)量學(xué)；機(jī)動(dòng)車測(cè)速；高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀；光電式機(jī)動(dòng)車速度儀；溯源技術(shù)

1　引言

移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀作為機(jī)動(dòng)車速度標(biāo)準(zhǔn)器，其溯源技術(shù)的研究對(duì)于機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的計(jì)量檢定具有重要意義。目前廣泛使用的主流移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀包括光電式機(jī)動(dòng)車速度儀和高精度GPS測(cè)速儀，其中，國內(nèi)外對(duì)于高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的測(cè)速性能和溯源方法研究相對(duì)較少。英國研究者利用非接觸式測(cè)速儀對(duì)兩款高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀（VBOX II和Microsat R20）的檢測(cè)結(jié)果表明，兩款GPS測(cè)速儀均能夠滿足機(jī)動(dòng)車測(cè)速需求［1］。Racelogic公司的研究者使用非接觸式測(cè)速儀和高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀同時(shí)對(duì)機(jī)動(dòng)車的加速及剎車過程進(jìn)行檢測(cè)，同步記錄的速度-時(shí)間曲線比對(duì)結(jié)果表明，高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀準(zhǔn)確性與非接觸測(cè)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(cè)速儀［2］。國內(nèi)對(duì)于高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的研究大多集中在測(cè)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(chǎng)GPS信號(hào)定標(biāo)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)了速度量值溯源至長度和時(shí)間計(jì)量基本單位［6］。對(duì)于高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)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(dòng)車速度儀和高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的工作原理和溯源技術(shù)，并進(jìn)行了兩類測(cè)速儀道路實(shí)測(cè)性能的對(duì)比分析。

2　移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速儀工作原理

2.1光電式機(jī)動(dòng)車速度儀

光電式機(jī)動(dòng)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(dòng)車速度儀與地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，成像經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和濾波輸出窄帶單頻信號(hào)，該信號(hào)頻率與車速成正比［8］，經(jīng)過信號(hào)處理電路計(jì)算并輸出機(jī)動(dòng)車的行進(jìn)速度。

圖1　非接觸式速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀

GPS測(cè)速儀通過安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的接收器獲取GPS信號(hào)，從而得到運(yùn)動(dòng)載體的速度［9］。本文研究的高精度GPS測(cè)速儀采用基于原始多普勒頻移解算法測(cè)速，該算法基本不受載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。多普勒頻移是觀測(cè)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(jì)檢測(cè)原理

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

3　移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀溯源

3.1光電式機(jī)動(dòng)車速度儀溯源

光電式機(jī)動(dòng)車速度儀的測(cè)速、測(cè)距計(jì)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(yàn)由于對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地和車輛行駛要求較高［11］，計(jì)量機(jī)構(gòu)多采用臺(tái)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(diǎn)是使用同步齒形帶來模擬移動(dòng)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(jì)

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(jì)

3.2高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀溯源

使用GPS信號(hào)模擬器以及衛(wèi)星信號(hào)場(chǎng)模擬裝置對(duì)GPS測(cè)速儀進(jìn)行模擬測(cè)速誤差的檢測(cè)。GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器由GPS數(shù)據(jù)仿真軟件、GPS衛(wèi)星射頻信號(hào)產(chǎn)生器和計(jì)算機(jī)組成。GPS衛(wèi)星信號(hào)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(hào)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(jì)算得到。根據(jù)用戶設(shè)置的試驗(yàn)環(huán)境，分別計(jì)算目標(biāo)接收機(jī)接收的GPS衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)，控制12通道模擬器產(chǎn)生相應(yīng)的GPS射頻信號(hào)，利用軟件產(chǎn)生GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)，將射頻信號(hào)和差分?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)送GPS接收機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。數(shù)據(jù)仿真階段，各種對(duì)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(jì)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(hào)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(yùn)動(dòng)速度體現(xiàn)在多普勒頻率中。

Racelogic公司生產(chǎn)的Labsat GPS信號(hào)模擬器具有GPS信號(hào)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(duì)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的主機(jī)和顯示輸出部分進(jìn)行模擬檢測(cè)，不能對(duì)包括GPS天線的高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀進(jìn)行整機(jī)檢測(cè)。衛(wèi)星場(chǎng)模擬器是根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)分布研制出的四棱錐形暗場(chǎng)，外部為金屬材質(zhì)，內(nèi)部為吸波材料。射頻模擬信號(hào)從頂端接入，GPS接收天線放置于暗場(chǎng)底部中央位置。本文利用GPS信號(hào)模擬器運(yùn)行自行編制的測(cè)速場(chǎng)景模擬程序，結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)場(chǎng)模擬裝置構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。

圖5　高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀回放示意圖

圖6　高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀模擬檢測(cè)系統(tǒng)圖

3.3實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)速對(duì)比實(shí)驗(yàn)

使用同步齒形帶式校準(zhǔn)裝置對(duì)光電式機(jī)動(dòng)車速度儀（型號(hào)SG-820，出廠編號(hào)SG-0907820032）進(jìn)行校準(zhǔn)，每個(gè)速度點(diǎn)重復(fù)6次測(cè)量，結(jié)果如表1所示。其中，速度不大于50km/h時(shí)，計(jì)算絕對(duì)誤差，km/h；大于50 km/h時(shí)，計(jì)算相對(duì)誤差，％［10］。表2、3同。

從表1所列數(shù)據(jù)分析，光電式機(jī)動(dòng)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(cè)量誤差呈現(xiàn)非線性，最大測(cè)量誤差為-0.78％，重復(fù)性小于0.1％。

檢測(cè)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀（型號(hào)Racelogic VBOX III，出廠編號(hào)031183，刷新率100 Hz）在10 ～180 km/h范圍內(nèi)的模擬測(cè)速性能指標(biāo)，記錄高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的輸出數(shù)據(jù)，并與模擬場(chǎng)景中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。模擬檢測(cè)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(dòng)車速度儀校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行有效對(duì)比，測(cè)量誤差的計(jì)算同表1。對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在10～180 km/h速度范圍內(nèi)模擬測(cè)速誤差均為零，3次測(cè)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(duì)光電式機(jī)動(dòng)車速度儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)km·h-1

表2　使用機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀模擬檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)km·h-1

對(duì)比光電式機(jī)動(dòng)車速度儀和高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的模擬測(cè)速誤差檢測(cè)結(jié)果，光電式機(jī)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)致其重復(fù)性比高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀差。光電式機(jī)動(dòng)車速度儀在10～180 km/h范圍內(nèi)的測(cè)速誤差呈非線性，修正較難；而高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在10～180 km/h范圍內(nèi)的測(cè)速誤差均為零，無需修正。因此，高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的模擬測(cè)速性能整體優(yōu)于光電式機(jī)動(dòng)車速度儀。

4　道路實(shí)測(cè)比對(duì)試驗(yàn)

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

使用兩種移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀在試驗(yàn)車加速到減速過程中進(jìn)行測(cè)速并同時(shí)記錄測(cè)速數(shù)據(jù)，將記錄的數(shù)據(jù)繪制速度-時(shí)間曲線，如圖7所示。

表3　速度變化較快時(shí)測(cè)速性能對(duì)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(dòng)車速度儀與高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在機(jī)動(dòng)車行駛速度波動(dòng)較小時(shí)，測(cè)速準(zhǔn)確度相近：在試驗(yàn)車不同速度點(diǎn)的相對(duì)偏差均小于0.3％；在相同速度點(diǎn)的測(cè)速穩(wěn)定性、重復(fù)性性能也相近，3次測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.2％。在機(jī)動(dòng)車加速和減速測(cè)量試驗(yàn)中，兩類測(cè)速儀的測(cè)速結(jié)果偏差較大，其中9個(gè)速度點(diǎn)的測(cè)量偏差為1.0～2.5％；且在加速過程中，高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀測(cè)速值大于光電式機(jī)動(dòng)車速度儀，減速過程中，高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀測(cè)速值小于光電式機(jī)動(dòng)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(dòng)車速度儀測(cè)速數(shù)據(jù)的延時(shí)滯后造成。因此，在對(duì)行駛速度變化較快的機(jī)動(dòng)車速度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，GPS測(cè)速儀由于響應(yīng)快、穩(wěn)定性好而占有較大優(yōu)勢(shì)。

表4　速度波動(dòng)較小時(shí)性能對(duì)比

圖7　采樣的速度-時(shí)間曲線

5　結(jié)束語

本文介紹了移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀的溯源技術(shù)研究。對(duì)光電式機(jī)動(dòng)車速度儀進(jìn)行校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)顯示，光電式機(jī)動(dòng)車速度儀在10～180 km/h范圍內(nèi)測(cè)量誤差呈非線性，且部分速度計(jì)需要通過調(diào)整光電系數(shù)來保證測(cè)量誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。對(duì)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀的模擬測(cè)速誤差檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，使用GPS信號(hào)模擬器與衛(wèi)星場(chǎng)信號(hào)器組成的GPS模擬測(cè)速誤差檢測(cè)裝置，對(duì)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀進(jìn)行模擬測(cè)速誤差的檢測(cè)，結(jié)果顯示該裝置能夠?qū)Ω呔葯C(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在10～180 km/h范圍內(nèi)的模擬測(cè)速誤差進(jìn)行有效檢測(cè)。通過道路實(shí)測(cè)試驗(yàn)，考察了兩類測(cè)速儀在速度變化較快時(shí)的測(cè)速準(zhǔn)確性對(duì)比并分析測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在機(jī)動(dòng)車行駛速度變化較快時(shí)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(dòng)車行駛速度波動(dòng)較小時(shí)與光電式機(jī)動(dòng)車速度儀相當(dāng)。因此高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀在保證能夠搜索到6顆以上恒定的衛(wèi)星時(shí)，能夠作為移動(dòng)式機(jī)動(dòng)車現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀使用，在機(jī)動(dòng)車測(cè)速法制計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景［13］。

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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(xiàng)（2012YQ090208）

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