CN102540173A - 确定车辆离无线电信号台的距离的方法和无线电信号台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定车辆离无线电信号台的距离的方法和无线电信号台。一种用来确定通过道路收费系统的无线电信号台的车辆离该无线电信号台的距离的方法，其中，车辆配备有车载单元，该车载单元发射具有信号频率随时间的已知曲线的信号，其特征在于步骤：在车辆通过期间，在无线电信号台中接收信号，并且相对于已知频率曲线记录信号频率随时间的曲线；探测在记录的频率曲线中超过预定阈值的变化；在频率曲线中寻找按时间位于探测的变化之前和之后的两个遥远区域，并且这两个遥远区域表示在阈值以下的频率变化；按这样一种方式缩放记录的频率曲线，从而遥远区域呈现预定值；及根据缩放后频率曲线在其拐点中的斜率，确定所述距离。

Description

确定车辆离无线电信号台的距离的方法和无线电信号台

技术领域

本发明涉及一种用来确定通过道路收费系统的无线电信号台的车辆离该无线电信号台的距离的方法，其中，车辆配备有车载单元，该车载单元发射具有其频率随时间的已知曲线的信号。本发明另外涉及一种用来实施这种方法的无线电信号台。 

背景技术

在基于无线电信号台的道路收费系统中，例如，根据DSRC(专用短距离通信)或WAVE(在车辆环境中的无线访问)标准，由车辆携带的车载单元(OBU)在它们一通过地理分布无线电信号台时，就与这些无线电信号台通信。无线电通信一般用来定位在无线电信号台的无线电覆盖区域上的车辆，以便收取位置的使用费，或者也简单地以便将由OBU产生的收费数据传输到在其路线上的无线电信号台。 

常常期望的是，确定车辆通过无线电信号台的距离，例如，以在多车道道路的情况下处罚收费违章：当在不同车道上彼此邻近行驶的多个车辆通过无线电信号台，并且其无线电通信之一指示收费违章时，例如遗漏的收费费用借项、费用账户的不充分平衡、缺陷或不正确调整的OBU等等，或者要计算车道依赖费率或收费(多乘员车道)时，那么必不少的是，知道在彼此邻近行驶的车辆中的哪一辆负责能够识别此，例如在现场或在信号台的道路段的证据照片上可见地识别。 

确定距离的各种方法当前是已知的。一种解决方案是，在无线电信号台中使用多个物理偏置接收天线，以根据在由各个天线接收的OBU信号之间的相位差测量，确定OBU在无线电接收场中的位置。另一种解决方案由美国专利5,790,052得知，并且基于OBU相对于无 线电信号台的物理偏置接收天线的不同相对速度的多普勒测量，以根据速度测量值的比值确定离两个接收天线的距离的比值。最后，也会可能的是，使用具有用于每个车道的低无线电覆盖范围的单独无线电信号台。所有这些已知解决方案是昂贵的，不仅仅因为它们基于多个接收天线。 

发明内容

由本发明设定的目标是，提供一种用来在道路收费系统中确定OBU离无线电信号台的距离的方法，该方法对于转换要求比已知解决方案低的设备花费。 

这个目标在本发明的第一方面借助于上述类型的方法实现，该方法的区别特征在于步骤： 

在车辆通过期间，在无线电信号台中接收信号，并且相对于已知频率曲线记录信号频率随时间的曲线； 

探测在记录的频率曲线中超过预定阈值的变化； 

在频率曲线中寻找按时间位于探测的变化之前和之后的两个遥远区域，并且这两个遥远区域表示在阈值以下的频率变化； 

按这样一种方式缩放记录的频率曲线，从而遥远区域呈现预定值；及 

根据缩放后频率曲线在其拐点中的斜率，确定所述距离。 

本发明利用如下情况：在直接通过时，OBU信号的多普勒相关频率变化与离无线电信号台的垂直距离成反比，当距离最小时，只要将频率曲线对于车辆的固有速度而归一化。后者通过估计在“遥远区域”中的频率曲线而实现：在这些遥远区域中，与垂直距离相比较，车辆的距离非常大，并且该垂直距离是可忽略的，并且因此这里多普勒偏移的程度基本上仅取决于固有速度，且多普勒偏移的程度可由固有速度确定。而且，对于垂直距离的依赖性，和因此该垂直距离本身，可由在信号台的附近区域中由固有速度补偿的频率曲线的分析确定，在信号台的附近区域中，频率模式的最大变化(“多普勒跳跃”)出现 在其拐点中。作为结果，根据在OBU与无线电信号台以及单个接收器和单个天线之间的无线电通信，可确定通过距离。 

本发明适用于具有它们的发射频率随时间的任何类型的已知曲线的车载单元，不管它们发射恒定频率，例如恒定载波频率，在该情况下，已知频率曲线简单地是“恒定的”，还是它们发射在跳频过程中变化的频率，该跳频过程的频率变化曲线是已知的，从而在无线电信号台中接收的频率曲线可归一化，或者以已知发射频率曲线为基准。 

多车道道路的道路车道然后优选地由定义的距离确定，在该道路车道上，车辆正在运动。作为这个的结果，在并行通过车辆情况下的收费违章可明确地与一个车道和位于其中的一个或多个车辆相关联。 

根据本发明的第一有利实施例，通过在频率曲线中寻找频率具有预定值的点而确定拐点，该预定值特别地是OBU的额定或静止频率(resting frequency)。因此，这个实施例适于这样的情况，在这些情况下，OBU的无线电通信的额定频率以前是已知的。 

根据本发明的替代优选实施例，通过在频率曲线中寻找频率与遥远区域的频率平均值相对应的点而确定拐点。OBU的额定频率对于这个实施例不必是以前已知的，过程自动地调整。 

用本发明的方法估计的多普勒偏移可在信号的任何期望频率下测量，不管它是载波频率还是优选地其调制频率。调制频率理解成是OBU信号的任何期望调制的频率，不管它是简单频率或振幅调制、OFDM调制的调制频率之一、或以及脉冲或脉冲串调制(如作为整个数据块的周期传输的结果发生的那样)；这样一种块重复速率也可认为是调制频率，可测量该调制频率的多普勒频移。 

本发明的方法适用于所有类型的基于无线电信号台的道路收费系统。方法特别适用于DSRC和WAVE道路收费系统，在这些DSRC和WAVE道路收费系统中，车载单元的DSRC或WAVE发射器用来发射信号。使用RFID技术、或以及任何蜂窝(例如，GSM、UMTS、LTE)和近距离无线电技术(例如，蓝牙、WLAN)的其它配置也是可能的。 

在另外方面，本发明也提供一种用于道路收费系统的无线电信号台，该无线电信号台用来确定通过它的车辆的距离，该车辆配备有车载单元，该车载单元发射具有信号频率随时间的已知曲线的信号，所述无线电信号台的区别特征在于： 

接收器，其配置成接收通过车辆的信号； 

存储器，连接到接收器，该存储器配置成相对于随时间的已知频率曲线，记录接收的信号的频率随时间的曲线； 

探测器，其连接到存储器，并且配置成探测在记录的频率曲线中的变化； 

估计装置，其连接到探测器和存储器，并且配置成在频率曲线中寻找按时间位于探测的变化之前和之后的两个遥远区域，并且这两个遥远区域表示在阈值以下的频率变化； 

缩放装置，其连接到存储器和估计装置，并且配置成按这样一种方式缩放记录的频率曲线，从而遥远区域呈现预定值；及 

微分器，连接在缩放装置之后，该微分器确定缩放后频率曲线在其拐点中的斜率，并且由此确定距离。 

无线电信号台优选地安装在多车道道路上，并且微分器配置成，根据距离确定车辆正在其上通过的车道。 

在第一实施例中，微分器通过在频率曲线中寻找频率具有预定值的点而确定拐点。

作为替代，微分器通过在频率曲线中寻找频率与遥远区域的频率平均值相对应的点而确定拐点。 

在任何情况下，接收的信号可用调制频率调制，并且所述频率可以是在接收器中通过解调而获得的调制频率。 

接收器优选地是DSRC或WAVE发射器。 

关于根据本发明的无线电信号台的优点，参考方法的以上实施例。 

附图说明

下面基于优选示范实施例，参照附图，将更详细地解释本发明： 

图1是在多车道道路上的无线电信号台的示意平面图，表示在两个车辆的通过期间的几何关系； 

图2表示当通过无线电信号台时，两个车辆的信号的频率曲线； 

图3表示在缩放之后图2的频率曲线； 

图4表示图3的缩放后频率曲线的微分；及 

图5是本发明的无线电信号台的方块图。 

具体实施方式

图1表示道路收费系统1，该道路收费系统1包括多个地理分布无线电信号台2(为了说明仅表示一个)，这些无线电信号台2经数据连接3与道路收费系统1的中央控制单元(未表示)相连接。无线电信号台2分别安装在道路4上，该道路4可包括多条车行道或车道5、6。 

例如，无线电信号台2包括本地计算机7、(收发器/)接收器8及摄像机9，该摄像机9由计算机7操作，可记录具有其车道5、6的道路4的图像，以便处罚收费违章。 

(收发器/)接收器8用来与车载单元或OBU 11进行无线电通信10，该车载单元或OBU 11由在车道5、6中通过无线电信号台2的车辆12携带。无线电通信10一般是双向数据包连接。由OBU 11发送到无线电信号台2的(收发器/)接收器8的信号的分析对于本发明的目的是足够的，并因此以下将仅描述将信号10发送到无线电信号台2的接收器8的OBU 11。然而，要理解，在实际中，信号也在相反方向上发送。 

带有OBU 11的车辆12在车道5、6中按不同速度v₁、v₂，以不同通过或垂直距离a₁、a₂通过无线电信号台2，更准确地说通过其接收器8。在这种情况下，由OBU 11发射的信号10按照如下已知公式分别经受频率依赖多普勒偏移 

$f_D=\frac{f_S}{1-\frac{v}{c}}---\left(1\right)$

其中 

f_S-OBU 11的信号10的发射频率； 

f_D-如果OBU 11朝着无线电信号台2面向运动，则在无线电信号台2中信号10的多普勒偏移接收频率； 

v-OBU 11的速度；及 

c-光的速度。 

如果OBU 11行驶过在距离a处的距离2，则公式(1)借助于几何考虑可写作： 

$f_B\≡\cos \left[\arctan \left(\frac{a}{x}\right)\right]f_D---\left(2\right)$

其中 

a-在图1的坐标系中OBU 11离无线电信号台2的竖直距离； 

x-在图1的坐标系中OBU 11离无线电信号台2的水平距离；假定OBU 11水平距离的恒定速度v或v₁、v₂也同时与时间t相对应；及 

f_B-当OBU 11正在以距离a运动通过无线电信号台2时，在无线电信号台2中信号10的多普勒偏移接收频率。 

图2表示相对于水平距离x或时间t的接收频率f_B的两条示范曲线。实线13表示在车道5中的OBU 11的接收频率曲线，并且虚线14表示在车道6中的OBU 11的接收频率曲线。如可看到的那样，在频率曲线13、14的在最大变化 的区域17极前和极后的“遥远区域”15、16中的多普勒相关频移±Δf₁、±Δf₂很小，即在遥远区域15、16中，频率变化f_B′位于重要性阈值ε以下。 

因此，在遥远区域15、16中(并且自然地以及在这些区域的较远外侧)，多普勒偏移±Δf的程度几乎不再取决于通过距离a，并且代之以几乎仅取决于速度v。车辆速度v对于频率曲线13、14的影响因此可通过将这些曲线这样缩放而消除，从而它们在遥远区域15、16中分别呈现相同的值，例如预定值±ΔF。 

图3表示这样的缩放的结果，在图3中，指示的频率曲线13、14已经缩放(“归一化”)成，从而它们在遥远区域15、16中呈现预定值±ΔF。 

缩放后频率曲线13′、14′因此按照如下公式更多地取决于比值a/x，即取决于通过距离a与水平距离x或与时间t的比值 

$f_B\≡\cos \left[\arctan \left(\frac{a}{x}\right)\right]f_S---\left(3\right)$

如可以从图3看到的那样，缩放后频率曲线13′、14′在它们的斜率 

方面在位置x＝t＝0处特别清楚地不同，在该位置x＝t＝0处，它们在同一时刻的曲线表示拐点20：通过距离a越大，缩放后频率曲线13′、14′“磨得越光”，即在拐点20处的斜率f_B′越低。因此，通过距离a与斜率f_B′成反比，即 

$\frac{1}{a}\≡\underset{x\→0}{\lim }{f_B}^{\′}\left(x\right)---\left(4\right)$

在拐点20处的斜率f_B′可通过对缩放后频率曲线13′、14′进行微分而确定，并且微分的结果表示在图4中。在知道车道5、6的车道宽度b₁、b₂的情况下，然后根据按这种方式确定的通过距离a₁、a₂，可以确定OBU 11在其信号10的发射期间位于其中的相应车道5、6。通过距离a₁、a₂的简单相对比较也常常足以确定车辆的局部顺序。 

至今一直假定OBU 11的信号10的发射频率f_S是恒定的，即其自己的频率曲线是恒定曲线。然而，也可能的是，OBU 11发射具有按时间不是恒定的发射频率曲线的信号10，例如在跳频无线电通信的情况下，在该情况下，发射频率f_S根据预定或已知模式不断地变化。记录的接收频率曲线13、14相对于OBU 11的发射频率f_S随时间的以前已知曲线被记录，不管它是恒定的还是正在变化，即以这些为基准或归一化，从而可补偿OBU 11的发射频率的已知变化的影响。 

因此，总之，用来确定通过无线电信号台2的OBU 11的通过距离a的方法按如下配置： 

首先，相对于时间t(＝x)画出OBU 11的信号10的频率曲线13、14，可能相对地基于发射频率f_S随时间的以前已知曲线。然后，在频率曲线13、14中近似地确定区域17，在该区域17处，重要变化 的确发生，即 

超过预定探测阈值σ。这用来获得用来寻找两个遥远区域15、16的时间基准点，这两个遥远区域15、16必定位于变化17之前和之后，并且移动得离这个变化17是如此远，从而在这些区域中没有进一步的重要频率变化 发生，即这位于预定重要性阈值ε以下。 

在知道遥远区域17、18和出现在其中的多普勒偏移±Δf₁、±Δf₂(它们也可认为是准恒定的，因为它们的变化不超过重要性阈值ε)的情况下，频率曲线13、14现在可缩放成，从而它们在它们的遥远区域15、16中相应地呈现相同预定值±ΔF。 

然后在缩放后频率曲线13′、14′中寻找拐点20。为此，在频率曲线中寻找位置x或时间t，在该位置x或时间t处，接收频率f_B或者呈现在“准恒定”遥远区域15、16之间的频率平均值(“中值”)，或者如果静止OBU 11的信号10的额定频率是已知的，则呈现这个额定频率。拐点20可按两种方式确定，即在频率曲线13、14的缩放之前和在缩放后频率曲线13′、14′的缩放之后两者。 

在确定拐点20之后，现在可确定缩放后频率曲线13′、14′在拐点20中的斜率f_B′(x＝t＝0)(见图4)，并且由此可确定通过距离a或a₁、a₂，如以上解释的那样。 

图5表示用来进行概述方法的无线电信号台2的示范硬件配置。无线电信号台2具有连接到接收器8的存储器21，在该存储器21中，记录接收的信号10的时间频率曲线13、14。连接到存储器21的探测器22探测变化区域17 并且将这个信息17馈送到估计装置23。估计装置23由此确定频率曲线13、14的具有 

的遥远区域15、16，并且借助于这种信息15、16启动缩放装置24，该缩放装置24将频率曲线13、14缩放到缩放后频率曲线13′、14′。后者馈送到微分器25，该微分器25计算在其拐点20的位置x＝t＝0处的斜率 

以便由此确定通过距离a₁、a₂。 

组件21-25例如可由无线电信号台2的本地计算机8实施。 

本发明不限于表示的实施例，而是覆盖落在附属权利要求书的框架内的全部变化和修改。 

Claims (12)

1.一种用来确定通过道路收费系统(1)的无线电信号台(2)的车辆(12)离该无线电信号台(2)的距离(a)的方法，其中，车辆(12)配备有车载单元(11)，该车载单元(11)发射具有信号频率(f_S)随时间的已知曲线的信号(10)，其特征在于步骤：

在车辆(12)通过期间，在无线电信号台(2)中接收信号(f_b)，并且相对于已知频率曲线记录信号频率(f_b)随时间的曲线(13、14)；探测在记录的频率曲线(13、14)中超过预定阈值(σ)的变化(17)；

在频率曲线(13、14)中寻找按时间位于探测的变化(17)之前和之后的两个遥远区域(15、16)，并且这两个遥远区域(15、16)表示在阈值(ε)以下的频率变化(f_b′)；

按这样一种方式缩放记录的频率曲线(13、14)，从而遥远区域(15、16)呈现预定值(±ΔF)；及

根据缩放后频率曲线(13′、14′)在其拐点(20)中的斜率(f_b′)，确定所述距离(a)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，车辆(12)正在其上运动的多车道道路(4)的车道(5、6)由距离(a)确定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过在频率曲线(13、14、13′、14′)中寻找频率(f_B)具有预定值的点而确定拐点(20)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过在频率曲线(13、14、13′、14′)中寻找频率(f_B)与遥远区域(15、16)的频率平均值相对应的点而确定拐点(20)。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，信号(10)由车载单元(11)作为用调制频率调制的至少一个载波频率发射，其中，所述频率(f_B)是调制频率。

6.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，车载单元(11)的DSRC或WAVE发射器用来发射信号(10)。

7.一种用于道路收费系统(1)的无线电信号台(2)，该无线电信号台(2)用来确定通过无线电信号台的车辆(12)的距离(a)，该车辆配备有车载单元(11)，该车载单元(11)发射具有信号频率(f_S)随时间的已知曲线的信号(10)，其特征在于：

接收器(8)，其配置成接收通过车辆(12)的信号(10)；

存储器(21)，连接到接收器(8)，该存储器(21)配置成，相对于随时间的已知频率曲线，记录接收的信号(10)的频率(f_B)随时间的曲线(13、14)；

探测器(22)，其连接到存储器(21)，并且配置成探测在记录的频率曲线(13、14)中的变化(17)；

估计装置(23)，其连接到探测器(22)和存储器(21)，并且配置成在频率曲线(13、14)中寻找按时间位于探测的变化(17)之前和之后的两个遥远区域(15、16)，并且这两个遥远区域(15、16)表示在阈值(ε)以下的频率变化(f_B′)；

缩放装置(24)，其连接到存储器(21)和估计装置(23)，并且配置成按这样一种方式缩放记录的频率曲线(13、14)，从而遥远区域(15、16)呈现预定值(±ΔF)；及

微分器(25)，连接在缩放装置(24)之后，该微分器(25)确定缩放后频率曲线(13′、14′)在其拐点(20)中的斜率(f_B′)，并且由此确定距离(a)。

8.根据权利要求7所述的无线电信号台，其特征在于，无线电信号台安装在多车道道路(4)上，并且微分器(25)配置成根据距离(a)确定车辆(12)正在其上通过的车道(5、6)。

9.根据权利要求7或8所述的无线电信号台，其特征在于，微分器(25)通过在频率曲线(13′、14′)中寻找频率(f_B)在频率曲线(13、14)中具有预定值的点而确定拐点(20)。

10.根据权利要求7或8所述的无线电信号台，其特征在于，微分器(25)通过在频率曲线(13′、14′)中寻找频率(f_B)与遥远区域(15、16)的频率平均值相对应的点而确定拐点(20)。

11.根据权利要求7至10之一所述的无线电信号台，其特征在于，接收的信号(10)具有用调制频率调制的至少一个载波频率，并且所述频率(f_B)是在接收器(8)中通过解调而获得的调制频率。

12.根据权利要求7至11之一所述的无线电信号台，其特征在于，接收器(8)是DSRC或WAVE发射器。

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