CN102016952A - 使用gps精确定位技术的专用短程通信(dsrc)发送器验证 - Google Patents

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Abstract

用于鉴定在车对车通信系统中传输的消息的系统和方法。发送车辆将其从GPS卫星接收的原始GPS数据附连到传输消息，所述发送车辆使用原始GPS数据来确定其自身位置。所述传输消息也包括发送车辆位置，发送车辆使用GPS数据确定所述位置。接收车辆使用消息中的原始GPS数据和RTK过程来确定发送车辆的位置。接收车辆将消息中的发送车辆位置与根据GPS数据确定的发送车辆位置进行比较，且如果它们匹配，将鉴定所接收消息。

Description

使用GPS精确定位技术的专用短程通信(DSRC)发送器验证
技术领域
本发明总体上涉及用于鉴定从一个车辆发送到另一个车辆的消息的系统和方法，且更具体地，涉及用于鉴定从一个车辆发送到另一个车辆的消息的系统和方法，其中，所述系统和方法使用由一个车辆接收的原始GPS数据以验证过程来采用实时动态(RTK)定位，所述原始GPS数据与所述消息一起从一个车辆传输到另一个车辆。
背景技术
交通事故和道路堵塞是车辆行驶的重要问题。基于车辆对等网络的安全和驾驶员辅助系统是已知的，其允许车辆通信系统用关于危险道路状况、驾驶事件、事故等的报警消息传输消息给具体区域中的其它车辆。在这些系统中，本领域技术人员已知的多跳geocast路由协议常常用来扩展报警消息的可到达性，即：将主动消息作为一次多跳传输过程传输给可在距道路状况几千米远处的车辆。换句话说，告知驾驶员潜在危险道路状况的初始消息使用geocast路由协议从车辆传输给车辆，使得显著远距离的车辆将接收该消息，因为一个车辆的传输距离通常相对短。
本文所述类型的车对车(V2V)和车辆对基础设施(V2I)(总称为V2X)通信系统需要最少一个实体来传送消息给另一个实体。例如，许多车对车安全应用可以通过从相邻车辆简单地接收所传送消息而在一个车辆上执行。这些消息不针对任何特定车辆，但意味着与支持安全应用的车辆群体共用。在期望避免碰撞的这些类型的应用中，当两个或更多车辆彼此对话且碰撞成为可能时，车辆系统可以警告车辆驾驶员或者可能为驾驶员采取逃避动作，例如施用制动器。类似地，交通控制单元可以观察信息的传送且对通过给定路口或道路的交通流产生统计。
期望在V2X系统中确保从车辆发送的消息的有效性，从而接收消息的车辆将知晓其是真实的。具体地，通常需要在这些类型的车对车通信系统中从车辆接收的信息是可靠的，以确保车辆不会试图传送可能导致有害动作(例如，车辆碰撞)的恶意信息。提供传送信息的可信度的一个当前方案是通过传输公共密钥(称为公共密钥基础设施(PKI))，从而将传输某一密钥的车辆识别为可信源。然而，在车辆之间传输密钥用于识别目的具有多个缺陷，尤其是在系统可量测性方面。例如，仅仅在美国，可能参与车对车通信系统的车辆数量可超过250,000,000辆车辆。而且，密钥的传输具有关于访问PKI的及时性的限制，同时对道路、来自于任何地方的PKI的可用性、用于同时访问的PKI的带宽以及PKI确认、再发行等所需的计算也具有限制。
GPS测量值包含由卫星时钟、轨道误差、环境误差(例如对流和离子延迟)、用户设备误差(例如，时钟误差)等引起的误差。为了校正这些误差，本领域技术人员熟知的RTK定位在接收器和卫星之间使用，以提供相对定位的差异测量值。具体地，当两个用户的相同卫星的测量值不同时，根据用户有多近来估计所有卫星和环境误差。当相同用户的两个卫星的测量值不同时，消除所有用户设备误差。RTK技术使用载波相位测量值，因为距离测量值对于差分而言噪音过多，其中，在差分中，误差消除益处小于噪音放大。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于鉴定在车对车通信系统中传输的消息的系统和方法。发送车辆将其从GPS卫星接收的原始GPS数据附连到传输消息，所述发送车辆使用原始GPS数据来确定其自身位置。所述传输消息也包括发送车辆位置，发送车辆使用GPS数据确定所述位置。接收车辆使用消息中的原始GPS数据和RTK过程来确定发送车辆的位置。接收车辆将消息中的发送车辆位置与根据GPS数据确定的发送车辆位置进行比较，且如果它们匹配，将鉴定所接收消息。
本发明的附加特征从以下说明和所附权利要求结合附图显而易见。
附图说明
图1是采用从卫星星座接收GPS信号的车对车通信系统的两个车辆的图示；
图2是根据本发明实施例的发送车辆上的专用短程通信(DSRC)系统的框图；以及
图3是根据本发明实施例的接收车辆上的专用短程通信(DSRC)系统的框图。
具体实施方式
涉及用于采用使用原始GPS测量值来验证发送车辆消息的技术的车辆通信的专用短程通信系统的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。
图1是用于车对车通信的通信网络10的图示。前部车辆12包括专用短程通信(DSRC)单元14，其可以发送消息26给其它车辆，例如也包括专用短程通信单元18的跟随车辆16。消息26将包括V2V或V2X数据部分28，其具有关于发送车辆的各种信息，例如车辆速度、车辆位置、加速度、减速度、各个系统(例如，稳定系统)的状态等。前部车辆12包括从卫星20星座接收GPS信号的GPS接收器22，跟随车辆16包括也从卫星20接收GPS信号的GPS接收器24。
根据本发明，消息26也包括车辆12由其GPS接收器22接收的原始GPS测量部分30。如本领域理解的，这些GPS信息将通常包括标记时间的测距代码、载波和包含关于卫星和环境的信息的导航数据。GPS接收器22和24跟踪和测量载波相位，以读取测距代码，一旦读取代码，就测量用户-卫星距离。通常，具有随机噪音代码的距离测量精度是1-2米，接收器位置使用四个或更多距离代码估计。可以实现大约2-10米的典型用户精度。
由车辆16接收的消息26中的原始GPS测量部分30然后可以用于以与车辆12使用相同原始GPS数据来计算该信息相同的方式处理RTK方案，包括车辆12的位置、速度、加速度和航向。车辆16可以将车辆12的计算位置与在V2V数据部分28中提供的用户根据限定其位置的GPS原始测量数据来计算的车辆12位置进行比较。如果这两个位置在一定阈值内不匹配，那么车辆16将知晓车辆12未传送其精确位置，不管是否有意的。因而，车辆16可以假定数据部分28中的其它信息是无效的，且可以采取合适的动作，例如废弃消息、通知驾驶员该消息可能不准确等。
图2是根据本发明实施例的在发送车辆中生成消息的发送器通信系统40的框图。发送器系统40包括GPS接收器42，GPS接收器42通过天线44从卫星20接收GPS信号。GPS接收器42将使用GPS信号估计的车辆位置、速度、加速度和航向发送到生成V2X数据消息48的V2X应用处理器46。应用处理器46将使用由GPS接收器42提供的发送车辆的GPS位置、速度、加速度和航向，且用系统40在消息48中传送的位置信息和所有其它信息来格式化消息48。此外，GPS接收器42提供原始GPS测量数据50以附连到消息48，然后发送到DSRC无线电装置52，以在载波上调制且由天线54传输。
图3是使用在来自于发送车辆的消息中接收的原始GPS测量数据来验证消息的接收车辆中的接收器系统60的框图。系统60包括通过天线64从卫星20接收GPS信号的GPS接收器62。GPS接收器62确定接收车辆的位置、速度、加速度和航向且将该信息发送到应用处理器80。在替代实施方式中，用于接收车辆的该信息可以使用来自于GPS接收器62的GPS原始数据和由V2I发送器发送的GPS原始数据通过RTK引擎66来确定。系统60也包括通过天线70从发送车辆接收消息的DSRC无线电装置68，其中，消息被解调且分成发送车辆的原始GPS测量值72和发送车辆数据消息74。原始测量值72也被发送到RTK引擎66，RTK引擎66基于原始数据来计算发送车辆的精确相对位置。
发送车辆的计算位置连同数据消息74一起发送到基于RTK的安全管理器76，其中，管理器76将由引擎66计算的发送车辆的位置、速度、加速度和航向与消息74中阐述的发送车辆的位置、速度、加速度和航向进行比较，以确定它们是否在一定阈值内。计算的发送车辆位置和阐述的发送车辆位置之间的差由验证处理器78确定，验证处理器78将所述差与一定预定进行比较。验证处理器78通知接收车辆上的V2X应用处理器80关于数据消息74是否真实。对于各种应用，接收车辆上的V2X应用处理器80能以不同方式使用数据消息74，假定验证处理器78确定消息是无效的。这些应用可以包括警告驾驶员制动动作或者不取决于消息是否确定为有效。
V2X应用通常具有大体在从1-3秒范围内的快速验证响应需要，如下表1所示。如上所述，使用当前GPS RTK系统，所提出的使用GPS原始测量值的方法能够在1.5秒内提供发送车辆发送有效消息的50％置信度，在4秒内提供发送车辆发送有效消息的95％置信度。这些统计仅仅被阐述以反映本领域现有技术的性能，其中，借助于使用多频GPS和使用其它全球导航卫星系统(GNSS)信号，预期显著缩短所需时间。
表1
  应用   公差(秒)
  紧急电子制动灯   0.1-2.0
  道路状况报警   0.1-3.0
  向前低速/停止车辆   0.5-3.0
  后碰撞报警   0.5-3.0
  前碰撞报警   0.1-1.0
  车道变更报警   0.1-1.0
  盲点报警   0.1-1.0
本发明提供用于在车对车通信系统中鉴定消息的多个优势。例如，原始GPS数据不可能伪造，因而是可靠数据源，用于防止数据改变和伪造的安全性。此外，原始GPS数据已经在多个OEM合作项目中共享用于相对定位，因而可能变成标准的。原始GPS数据用于两个极度重要的功能，即，使用RTK的精确相对定位和用于安全性的发送器消息验证。由于双重用途，更多资源(即，处理功率和通信带宽)可以专用于RTK，从而具有在更好定位精度和可靠安全性方面的益处。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种通信系统，包括：
发送子系统，所述发送子系统接收GPS信号，所述发送子系统生成要发送的消息，所述消息包括数据部分和原始GPS测量部分，所述原始GPS测量部分包括在GPS信号中接收的数据的至少一部分，所述数据部分包括使用GPS信号来计算发送子系统的位置，所述发送子系统传输所述消息；以及
接收子系统，所述接收子系统从发送子系统接收消息，所述接收子系统使用消息中的原始GPS测量值来确定发送子系统位置，且将所确定的发送子系统位置与消息的数据部分中计算的位置进行比较来确定是否存在匹配，以确定消息的有效性。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统是车对车通信系统，其中，发送子系统在发送车辆上，接收子系统在接收车辆上。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，消息的数据部分包括关于发送子系统的信息，包括车辆速度、车辆加速度、车辆减速度和车辆稳定性控制。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接收子系统包括GPS实时动态(RTK)引擎，其使用实时动态过程采用消息中的原始GPS测量值来确定发送子系统位置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，接收子系统包括基于RTK的安全管理器，安全管理器将消息的数据部分中计算的发送子系统位置与所确定的发送子系统位置进行比较以确定消息的有效性。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，消息的原始GPS测量部分包括标记时间的测距代码和载波。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，发送子系统和接收子系统也确定发送子系统的速度、加速度和航向以验证消息。
8.一种用于在车辆之间传输消息的通信系统，所述系统包括：
在发送车辆上的发送子系统，所述发送子系统接收GPS信号，所述发送子系统生成要发送的消息，所述消息包括数据部分和原始GPS测量部分，所述原始GPS测量部分包括在GPS信号中接收的数据的至少一部分，所述数据部分包括使用GPS信号来计算发送子系统的位置，所述发送子系统传输所述消息；以及
在接收车辆上的接收子系统，所述接收子系统从发送子系统接收消息，所述接收子系统包括GPS实时动态引擎，所述GPS实时动态引擎使用实时动态(RTK)过程，以采用消息中的原始GPS测量值来确定发送子系统位置，所述接收子系统包括基于RTK的安全管理器，所述安全管理器将消息的数据部分中计算的发送子系统位置与所确定的发送子系统位置进行比较以确定消息的有效性。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，消息的数据部分包括关于发送子系统的信息，包括车辆速度、车辆加速度、车辆减速度和车辆稳定性控制。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，消息的原始GPS测量部分包括标记时间的测距代码和载波。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，发送子系统和接收子系统也确定发送子系统的速度、加速度和航向以验证消息。
12.一种用于在车辆之间传输消息的通信系统，所述系统包括在发送车辆上的发送子系统，所述发送子系统接收GPS信号，所述发送子系统生成要发送的消息，所述消息包括数据部分和原始GPS测量部分，所述原始GPS测量部分包括在GPS信号中接收的数据的至少一部分。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括接收子系统，所述接收子系统从发送子系统接收消息，所述接收子系统使用消息中的原始GPS测量部分来验证消息。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述接收子系统使用实时动态(RTK)过程，以使用消息中的原始GPS测量值来确定发送子系统位置，所述接收子系统将消息的数据部分中计算的发送子系统位置与所确定的发送子系统位置进行比较以确定消息的有效性。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，发送子系统和接收子系统也使用原始GPS测量值来确定发送子系统的速度、加速度和航向以验证消息。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，消息的原始GPS测量部分包括标记时间的测距代码和载波。
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