高精度数据测量 - 使用GPS进行速度测量的原理 -

LC-8310高灵敏度GPS速度仪，利用GPS卫星信号电波的多普勒效应测量出移动体的速度。
当声波、电波或者是光波等的发生源与观测者之间存在速度差异时，被观测到的波的频率会有不同，发生源接近观测者时，被观测到的波的频率变高，反之，发生源远离观测者时，被观测到的波的频率变低。这种现象称为多普勒效应。并可以用以下公式表示。

GPS卫星系统的载波信号的频率管理非常精密严格，可以利用多普勒效应测量速度V。但是，GPS卫星的移动速度非常高，并且地球本身也有自转的影响，通过1个GPS卫星的载波信号频率，不可能测出对地的速度值。如下图所示，通过对复数个（4个以上）GPS卫星的载波信号频率进行测量，可测到速度以及位置值，由此可以得到移动物体的高精度速度测量数据。

使用此种方法，可以不受电离层的影响，与由位置的变化量计算出速度的方法相比较，可以非常高的精度测量计算出移动物体的移动速度。其水平成分的精度为2 σ时，0.03 m/s，3 σ时，0.08 m/ s。由于卫星系统的原理，垂直成分的精度比较水平成分要差3倍。通过上图，可以看出移动物体接受到复数个卫星的不同频率偏移的载波信号。

可导出下式：
Δ fd1 ＝ 1/ λ（V0 － V1）・u1
Δ fd2 ＝ 1/ λ（V0 － V2）・u2
Δ fd3 ＝ 1/ λ（V0 － V3）・u3
Δ fd4 ＝ 1/ λ（V0 － V4）・u4
Δ fd5 ＝ 1/ λ（V0 － V5）・u5

这里，λ为卫星载波信号频率的波长约0.19 m，fb为接收信号的频率偏差（Hz），un（n ＝ 1..5）为卫星与信号接收器在视线方向上的单位矢量，单位矢量可由下式算出。

un ＝ρ n/| ρ n|（n ＝ 1..5）
ρ n ＝［（Npn － Np0）,（ Epn － Ep0）,（ Dpn － Dp0）］^T（n ＝ 1..5）

通过，以上计算方程，解出Vo。即可得到移动物体的速度。

稳定测量 - 使用IMU惯性测量单元补偿处理

由于一般道路两侧存在的树木，建筑物等影响，如下图所示，多普勒方式的速度测量值会包含大量的干扰成分，另外，通过像过街天桥，高架桥下等妨害卫星信号的接收的地段时，仅利用GPS等卫星信号单独进行速度测量是不可能的。 如果将卫星信号测量的速度数据与IMU的3轴加速度传感器/3轴陀螺仪计算的速度之间的比例算出进行补偿，在存在干扰的状态下，如下图所示，必较单独使用卫星信号时，可以得到非常平缓的高精度速度测量数据。

另外，在通过像过街天桥，高架桥下等妨害卫星信号的接收的地段时，如果使用IMU惯性测量单元进行速度的补偿处理，在较短时间内即使接收不到卫星信号的情况下，也可以测量到高精度连续的速度数据。

 

Revised:2023/04/26