CN102565758B - Etc系统中车载单元的定位装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ETC系统中车载单元的定位装置和方法，该方法，包括：由至少两个不同位置的天线接收同一车载单元发送的微波信号；确定所述至少两个不同位置的天线接收到所述微波信号的起始时间；根据至少两个不同位置的天线接收到微波信号的对应起始时间，及所述至少两个不同位置天线的位置信息，确定出该车载单元的位置信息。本发明提供的定位方法和装置，能使定位精度不受车载单元发射天线性能的影响，不受定位接收天线一致性的影响，大大提高了定位精度，降低了对定位装置的调试、安装要求。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通领域，特别涉及ETC系统中车载单元的定位装置和方法。
背景技术
随着经济的高速发展，城市车辆数量逐渐增多，道路交通量明显增加，而高速公路收费站经常会成为道路交通的堵点。目前，国内采用的电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection System，ETC系统）能在一定程度上加快车辆通行速度，缓解交通压力。但该方案使用单车道通行，且设置车道栏杆，车辆的通行速度不高，由于仍然需要收费亭，施工和占地成本较高。
多车道自由流（Multi Lane Free Flow，简称MLFF）收费系统作为解决城市车辆拥堵的一种技术手段，已经成功的在多个国家应用。该系统采用开放式的收费匝道，不设置车道栏杆，不限制车道，不限制车辆通行速度，车辆可以在多条车道间自由行驶，其通行速度可以达到高速路的正常行车速度，这对于解决高速收费站拥堵更为有效，避免了出现以往收费站拥堵的情况。
在MLFF系统中，要求对车载单元（On Board Unit，简称OBU）定位，配合车型识别和图像抓拍系统，共同来完成车辆稽查和抓拍违规车辆车牌。
目前，在MLFF系统中，普遍采用光学或毫米波雷达定位的方式，只能判断车辆的位置，但无法感知OBU的精确位置。
现有技术中，通过分析多个接收天线接收到OBU信号功率的不同来计算OBU的位置信息，该方法受OBU发射天线方向性，以及受定位接收天线一致性和天线安装角度的影响，定位误差较大。
发明内容
本发明提供一种ETC系统中车载单元的定位装置和方法，能够对车载单元进行精确定位，并且不受车载单元发射天线方向性以及定位接收天线一致性的影响，同时降低了对定位装置的调试及安装要求。
一种ETC系统中车载单元的定位装置，包括：
至少两个天线，用于分别接收车载单元发送的微波信号，并将接收的微波信号传送给对应连接的接收模块；
至少两个接收模块，其中：每一个接收模块对应连接一个天线，根据与其对应连接的天线接收的微波信号，确定所述车载单元的标识以及对应连接的天线接收到所述微波信号的起始时间，并将所述起始时间发送给数据处理模块；
数据处理模块，和所有接收模块连接，用于根据所有天线中的至少两个天线接收到的微波信号的起始时间，以及该至少两个天线的位置信息，确定所述车载单元的位置信息；
时间同步模块，与每一个接收模块连接，用于同步每个接收模块的内部时基子模块，使每个接收模块基于同一时基确定出与其对应连接的天线接收到的微波信号的起始时间；
微波接收子模块，连接天线，对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到对应微波信号解调后的基带信号；
解码子模块，连接所述微波接收子模块，用于将所述基带信号进行解码，形成串行数据帧发送给帧头判断子模块；并获得微波信号中携带的车载单元的标识，发送给数据传送子模块；
帧头判断子模块，连接所述解码子模块，用于判断并记录所述串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应天线接收到所述微波信号的起始时间，并发送给所述数据传送子模块；
时基子模块，连接所述时间同步模块和所述帧头判断子模块，用于为所述帧头判断子模块提供时基；
数据传送子模块，一端连接所述解码子模块以及所述帧头判断子模块，一端连接所述数据处理模块，用于将所述车载单元的标识以及所述起始时间传送给所述数据处理模块。
一种ETC系统中车载单元的定位方法，包括：
从至少两个不同位置接收同一车载单元发送的微波信号；
确定每个位置接收到所述微波信号的起始时间；
根据至少两个位置接收到所述微波信号的起始时间，及该至少两个位置的位置信息，确定出该车载单元的位置信息，具体包括：
对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到解调后基带信号；
将解调后的所述基带信号进行解码形成串行数据帧；
获得串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应每个位置接收微波信号的起始时间；
根据至少两个位置接收到所述微波信号的起始时间，及该至少两个位置的位置信息，确定出该车载单元的位置信息，具体包括：
根据至少两个位置接收的微波信号的起始时间，得到所述至少两个位置接收天线接收所述微波信号的起始时间差，以及通过该至少两个位置的位置信息，获得所述该至少两个位置与同一车载单元的距离，确定出车载单元的位置信息。
本发明实施例提供的ETC系统中车载单元的定位装置，包括：至少两个天线、至少两个接收模块以及数据处理模块，其中至少两个天线能够分别接收车载单元发送的微波信号，接收模块能够根据每一个天线接收的微波信号获得微波信号的起始时间值，数据处理模块能够根据所有天线中至少两个天线接收的微波信号的起始时间以及该至少两个天线的位置信息，确定车载单元的位置。采用本发明实施例的定位装置，能够利用微波信号实现对车载单元的精确定位。
附图说明
图l为本发明实施例提供的定位装置结构图；
图2为图1中接收模块12的结构框图；
图3为定位装置的天线覆盖区域图；
图4为本发明实施例提供的ETC系统的车载单元的定位方法流程图；
图5为本发明实施例中天线与车载单元的相对位置示意图；
图6为本发明实施例提供的ETC系统接收模块获取起始时间的方法流程图；
图7为本发明实施例提供的详细的ETC系统的车载单元的定位方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种ETC系统中车载单元的定位装置和方法，能够对车载单元进行精确定位，并且不受车载单元发射天线方向性以及定位接收天线一致性的影响，同时降低了对定位装置的调试及安装要求。
本发明提供一种ETC系统中车载单元的定位装置，包括：
至少两个天线，用于分别接收车载单元发送的微波信号，并将接收的微波信号传送给对应连接的接收模块；
至少两个接收模块，其中：每一个接收模块对应连接一个天线，接收与其对应连接的天线传送的微波信号，并确定携带的车载单元标识以及对应连接的天线接收到所述微波信号的起始时间，并将所述起始时间发送给数据处理模块；
数据处理模块，和所有所述接收模块连接，用于根据获得的至少两个天线接收到微波信号的对应起始时间，以及该至少两个天线的位置信息，确定所述车载单元的位置信息。
所述装置，还包括：
时间同步模块，与每一个接收模块连接，用于同步每个接收模块的内部时基子模块，使每个所述接收模块基于同一时基确定出与其对应连接的天线接收到的所述微波信号的起始时间。
所述接收模块，具体包括：
微波接收子模块，连接天线，对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到对应微波信号解调后的基带信号；
解码子模块，连接所述微波接收子模块，用于将所述基带信号进行解码，形成串行数据帧发送给帧头判断子模块；并获得微波信号中携带的车载单元的标识，发送给数据传送子模块；
帧头判断子模块，连接所述解码子模块，用于判断并记录所述串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应天线接收到所述微波信号的起始时间，并发送给所述数据传送子模块；
时基子模块，连接所述时间同步模块和所述帧头判断子模块，用于为所述帧头判断子模块提供时基；
数据传送子模块，一端连接所述解码子模块以及所述帧头判断子模块，一端连接所述数据处理模块，用于将所述车载单元的标识以及所述起始时间传送给所述数据处理模块。
微波接收解调子模块，与所述天线连接，对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到对应微波信号解调后基带信号；
解码子模块，连接所述微波接收解调子模块，用于将解调后的所述基带信号进行解码，形成串行数据帧发送给帧头判断子模块；并获得微波信号中携带的车载单元标识，发送给数据传送子模块；
帧头判断子模块，连接所述解码子模块，用于判断并记录所述串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应天线接收到所述微波信号的起始时间，并发送给所述数据传送子模块；
时基子模块，连接所述时间同步模块和所述帧头判断子模块，用于为所述帧头判断子模块提供时基；
数据传送子模块，一端连接所述解码子模块以及所述帧头判断子模块，一端连接所述数据处理模块，用于将所述车载单元标识以及所述起始时间传送给所述数据处理模块。
所述时间同步模块与每个所述接收模块中的时基子模块连接，用于对所述接收模块中的时基子模块进行校准。
所述数据处理模块，具体用于：根据至少两个天线接收微波信号的起始时间得到的时间间隔，以及接收对应微波信号的至少两个天线与车载单元的距离；确定车载单元的位置信息。
所述数据处理模块，具体用于：将获得的多组位置天线的位置信息代入各位置与同一车载单元的距离关系的函数方程组；
利用最小二乘法或牛顿迭代法求解方程组求解出接收微波信号的位置。
本发明还提供一种ETC系统中车载单元的定位方法，包括：
从至少两个不同位置接收同一车载单元发送的微波信号；
确定每个位置接收到所述微波信号的起始时间；
根据至少两个位置接收到所述微波信号的起始时间，及该至少两个位置的位置信息，确定出该车载单元的位置信息。
所述确定每个位置接收到所述微波信号的起始时间，具体包括：
对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到解调后基带信号；
将解调后的所述基带信号进行解码形成串行数据帧；
获得串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应每个位置接收微波信号的起始时间。
所述根据至少两个位置接收到所述微波信号的起始时间，及该至少两个位置的位置信息，确定出该车载单元的位置信息，具体为：
根据至少两个位置接收的微波信号的起始时间，得到所述至少两个位置接收天线接收所述微波信号的起始时间差，以及通过该至少两个位置的位置信息，获得所述该至少两个位置与同一车载单元的距离，确定出车载单元的位置信息。
所述通过该至少两个位置的位置信息，获得所述该至少两个位置与同一车载单元的距离，确定出车载单元的位置信息，具体为：
将获得的多组位置的位置信息代入各位置与同一车载单元的距离关系的函数方程组；
利用最小二乘法或牛顿迭代法求解方程组求解出接收微波信号的位置。
下面结合具体实施方式及附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的定位装置结构图，该装置具体包括：
N个天线11，用于分别接收车载单元发送的微波信号，并将接收的所述微波信号传送给对应连接的接收模块12；
N个接收模块12，其中：每一个接收模块12对应连接一个天线11；并接收与其对应连接的天线11传送的微波信号并确定携带的车载单元标识，以及对应连接的天线11接收到所述微波信号的起始时间，并将所述起始时间发送给数据处理模块13；
数据处理模块13，和所有接收模块12连接，用于根据获得的至少两个天线接收到微波信号的对应起始时间，以及该至少两个天线的位置信息，确定所述车载单元的位置信息；
时间同步模块14，与每一个接收模块12连接，用于同步每个接收模块12的内部时基子模块，使每个接收模块12基于同一时基确定出对应连接的天线接收到所述微波信号的起始时间。
如图2所示，为本发明中接收模块的结构框图，接收模块具体包括：
微波接收解调子模块21，与天线11（见图1所示）连接，用于接收天线11接收的微波信号，对该微波信号进行射频放大和解调，得到对应微波信号解调后基带信号；
解码子模块22，连接微波接收解调子模块21，用于将解调后的所述基带信号进行解码并形成串行数据帧发送给帧头判断子模块23，获得微波信号中携带的车载单元标识，并发送给数据传送子模块25；
帧头判断子模块23，连接解码子模块22，用于判断并记录出所述串行数据帧中起始标志位出现的时刻；
时基子模块24，连接所述帧头判断子模块23，用于为帧头判断子模块23提供时间基准。
数据传送子模块25，一端连接解码子模块22以及帧头判断子模块24，一端连接数据处理模块13，用于将所述车载单元标识以及所述起始标志位出现的时刻传送给数据处理模块13。
如图3所示，在车道上方的龙门架上安装多个天线（具体数量可根据车道数和定位精度要求来确定），每个天线主瓣覆盖一定区域，在车道横向形成一个条带并覆盖整个车道。当OBU进入天线覆盖区域，OBU所发射的微波信号同时被多个天线接收。由于OBU与各个天线的直线距离不同，每个天线接收到OBU信号的时间也有先后，接收天线将接收到的OBU信号直接送给接收模块。
本发明实施例还提供一种ETC系统中车载单元的定位方法，如图4所示，包括：
S41：从至少两个不同位置接收同一车载单元发送的微波信号；
S42：确定每个位置接收到所述微波信号的起始时间；
较佳的，如图6所示，为步骤S42的具体方法，包括：
S61：对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到解调后基带信号；
S62：将解调后的所述基带信号进行解码形成串行数据帧；
S63：获得串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应每个位置天线接收微波信号的起始时间。
通过上述步骤，将得到的接收微波信号的起始时间发送给数据处理模块。
S43：根据至少两个位置接收到所述微波信号的起始时间，及该至少两个位置的位置信息，确定出该车载单元的位置信息。
较佳地，接收的微波信号还携带车载单元标识，则在步骤S43中，所述数据处理模块根据接收到的所有位置中至少两个位置接收的微波信号的起始时间及该至少两个天线的位置的位置信息，确定该车载单元标识对应的车载单元的位置信息。
当该接收微波信号的位置在车道的横向方向间隔设定的距离d均匀分布时，根据至少两个位置接收微波信号的起始时间和该至少两个位置的位置信息，确定车载单元的位置信息。具体为采用N个接收单元，以1号天线为原点建立直角坐标系，接收单元均匀分布在x轴上，车载单元OBU的坐标为（x，y），各天线间距离为d。
由图5可以推导出以下结果：
第N个天线位置到车载单元OBU的距离：
微波信号传输rN距离的时间为：TN＝rN/c，其中c为光速；
若车载单元发射微波信号的起始时间为t0，可得到以下结果：tN-t0＝TN；
将至少两个天线位置采集的车载单元的微波信号的起始时间代入所述函数，得到方程组：
其中，x、y、t0为未知量；
求解方程组获得车载单元的坐标(x，y)。
其中，上述方法中求解方程组具体为利用最小二乘法或者牛顿迭代法求解方程组。并且，上述方法中的位置均是指接收微波信号的位置，并发送给车道协调设备，实现微波定位功能。
当然上述方程的求解方法并不限于最小二乘法和牛顿迭代法。
下面以一个详细的实施例说明本发明的方法，如图7所示。
S71：车载单元接收到路侧单元RSU的BST信号，并向路侧单元返回第一帧响应数据，并通过微波发射出去。
当装载OBU的车辆驶入通信区域，接收到RSU的BST信号。
S72：多个天线分别接收到车载单元的微波信号。
安装在车道龙门架上多个天线分别接收到车载单元的微波信号，并发送给接收模块。
S73：每一个接收模块分别根据与其连接的天线接收的微波信号获得接收微波信号的起始时间。
较佳的，每一个接收模块对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到对应微波信号解调后基带信号；将解调后的所述基带信号进行解码，形成串行数据帧并发送；根据接收的所述串行数据帧获得该微波信号对应的串行数据帧中起始标志的出现时刻，所述起始标志的出现时刻作为对应每个位置接收微波信号的起始时间；将得到的对应每个位置接收微波信号的起始时间发送给数据处理模块。
S74：数据处理模块根据各个天线接收的微波信号的起始时间以及各天线的位置信息，确定车载单元的位置信息。
较佳地，因为天线可能在短时间间隔内接收到多个车载单元发射的微波信号，因此微波信号中还携带车载单元标识，则在步骤S42中，每一个接收模块还从微波信号中获得车载单元标识，并将车载单元标识和接收微波信号的起始时间同时发送给数据处理模块。
在步骤S74中，数据处理模块根据同一车载单元标识对应的各天线接收的微波信号的起始时间以及各天线的位置信息，确定车载单元的位置信息。
具体地：数据处理模块可根据各天线接收微波信号的起始时间及各天线的位置信息，来确定车载单元的位置信息。
具体的计算方法详见装置的实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的ETC系统中车载单元的定位装置，包括：至少两个天线、至少两个接收模块以及数据处理模块，其中至少两个天线能够分别接收车载单元发送的微波信号，接收模块能够根据每一个天线接收的微波信号获得微波信号的起始时间值，数据处理模块能够根据所有天线中至少两个天线接收的微波信号的起始时间以及该至少两个天线的位置信息，确定车载单元的位置。采用本发明实施例的定位装置，能够利用微波信号实现对车载单元的精确定位。
本发明提供了的ETC系统中车载单元的定位装置和定位方法，该装置能够在自由流系统中精确地判断车载单元所在位置，为车道协调设备提供车载单元的精准位置信息，从而配合车型识别系统、图像抓拍系统共同来完成对违规车辆的实时稽查，减少逃费现象的发生，同时也改变了传统人工稽查模式需要大量人力的状况。
本发明涉及的定位装置和定位方法，对接收天线和接收模块的一致性要求较低，可以降低设备开发和生产调试的难度，缩短开发和生产周期；还可以降低定位装置安装的难度，不需要对天线的安装角度进行精确调整，使得现场安装和维护难度降低；另外，本发明涉及的定位装置和定位方法，能够提供二维定位信息，精确地引导图像抓拍系统，减轻车道后台系统处理抓拍图像的工作量。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种ETC系统中车载单元的定位装置，其特征在于，包括：
至少两个天线，用于分别接收车载单元发送的微波信号，并将接收的微波信号传送给对应连接的接收模块；
至少两个接收模块，其中：每一个接收模块对应连接一个天线，根据与其对应连接的天线接收的微波信号，确定所述车载单元的标识以及对应连接的天线接收到所述微波信号的起始时间，并将所述起始时间发送给数据处理模块；
数据处理模块，和所有接收模块连接，用于根据所有天线中的至少两个天线接收到的微波信号的起始时间，以及该至少两个天线的位置信息，确定所述车载单元的位置信息；
时间同步模块，与每一个接收模块连接，用于同步每个接收模块的内部时基子模块，使每个接收模块基于同一时基确定出与其对应连接的天线接收到的微波信号的起始时间；
微波接收子模块，连接天线，对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到对应微波信号解调后的基带信号；
解码子模块，连接所述微波接收子模块，用于将所述基带信号进行解码，形成串行数据帧发送给帧头判断子模块；并获得微波信号中携带的车载单元的标识，发送给数据传送子模块；
帧头判断子模块，连接所述解码子模块，用于判断并记录所述串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应天线接收到所述微波信号的起始时间，并发送给所述数据传送子模块；
时基子模块，连接所述时间同步模块和所述帧头判断子模块，用于为所述帧头判断子模块提供时基；
数据传送子模块，一端连接所述解码子模块以及所述帧头判断子模块，一端连接所述数据处理模块，用于将所述车载单元的标识以及所述起始时间传送给所述数据处理模块。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述时间同步模块与每个所述接收模块中的时基子模块连接，用于对所述接收模块中的时基子模块进行校准。
3.如权利要求l或2所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，具体用于：根据至少两个天线接收微波信号的起始时间得到的时间间隔，以及接收对应微波信号的至少两个天线与车载单元的距离；确定车载单元的位置信息。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，具体用于：将获得的多组位置天线的位置信息代入各位置与同一车载单元的距离关系的函数方程组；
利用最小二乘法或牛顿迭代法求解方程组求解出接收微波信号的位置。
5.一种ETC系统中车载单元的定位方法，其特征在于，包括：
从至少两个不同位置接收同一车载单元发送的微波信号；
确定每个位置接收到所述微波信号的起始时间，具体包括：
对接收的微波信号进行射频放大和解调，得到解调后基带信号；
将解调后的所述基带信号进行解码形成串行数据帧；
获得串行数据帧中起始标志位出现的时刻，将所述起始标志位出现的时刻作为对应每个位置接收微波信号的起始时间；
根据至少两个位置接收到所述微波信号的起始时间，及该至少两个位置的位置信息，确定出该车载单元的位置信息，具体包括：
根据至少两个位置接收的微波信号的起始时间，得到所述至少两个位置接收天线接收所述微波信号的起始时间差，以及通过该至少两个位置的位置信息，获得所述该至少两个位置与同一车载单元的距离，确定出车载单元的位置信息。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过该至少两个位置的位置信息，获得所述该至少两个位置与同一车载单元的距离，确定出车载单元的位置信息，具体为：
将获得的多组位置的位置信息代入各位置与同一车载单元的距离关系的函数方程组；
利用最小二乘法或牛顿迭代法求解方程组求解出接收微波信号的位置。
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