CN102760310B - 基于dsrc的车辆定位装置、方法和dsrc应用系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种车辆定位装置、方法和DSRC应用系统，包括：定位天线，包括至少三个在同一直线上排布的接收天线，用于接收同一OBU发送的微波信号；信号接收机，与定位天线连接，用于接收微波信号后输入数字化处理器；数字化处理器，与信号接收机连接，用于对微波信号进行数字化处理；数字波束成形器，与数字化处理器连接，对所述数字化处理后的信号进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角，得到所述OBU的位置信息。本申请定位过程不易受到信号反射和多径衰落的影响，因此精度较高，有利于RSU准确判断发送微波信号的OBU是否是处于本RSU天线覆盖的车道区域内，确保DSRC应用的正常运行。

Description

基于DSRC的车辆定位装置、方法和DSRC应用系统

技术领域

本申请涉及智能交通（ITS：Intelligent Transportation System）领域，尤其涉及一种基于专用短程通信(DSRC：Dedicated Short Range Communication)的车辆定位装置、方法和DSRC应用系统。

背景技术

在电子不停车收费（ETC：Electronic Toll Collection）系统，设置在道路上的路侧单元（RSU：RSU：Road Side Unit）与安装在车辆上的车载单元（OBU：On-board Units）通过DSRC技术进行信息交互的过程中，RSU应当仅与本RSU天线覆盖的车道区域内的OBU通信，以保持通信和收费的准确性和可靠性。然而有时候，RSU并不能确定和识别OBU是否是处于本RSU天线覆盖的车道区域内，因此该RSU有可能与所有发出应答信号的OBU进行通信，例如有些其他车道区域内的OBU由于接收到了被反射的RSU信号而错误地向RSU发出了应答信号，就会继续与该RSU进行通信。当RSU同时与多个OBU进行通信的过程中，很容易出现邻道干扰或跟车干扰等问题，导致扣费错误，例如对有些车辆重复扣费，而对有些车辆没有计费，因此影响了ETC系统的正常运行。尤其是当ETC系统应用在多车道自由流（MLFF:Multilane free flow）模式下时，由于道路不分隔车道和设置栏杆，车辆在不限定车道的情况下允许高速通行，因此很容易出现OBU与多个RSU通信或同一个RSU与多个OBU通信的情形。

为了避免以上情况的出现，使RSU仅与RSU天线覆盖的车道区域内的OBU通信，ETC系统引入了车辆定位技术，确保RSU仅对其天线覆盖区域内的OBU通信，以确保正常的通信和扣费。一种现有的应用于ETC系统的车辆定位技术如申请日为2010年12月27日、申请号为201010608098.0、发明名称为《一种ETC系统中车载单元的定位装置和方法》的中国发明专利，其在RSU中设置多个位置不同的接收天线，分别用于接收OBU发送的微波信号，并通过比较不同接收天线所接收的微波信号的场强强度大小、结合不同接收天线的位置对OBU进行定位，该方法容易受到信号反射和多径衰落的影响，使到接收到的微波信号的场强波动变化较大，容易造成定位错误，因此定位精度相对较低。

发明内容

本申请提供一种提高定位精度的车辆定位装置、方法和DSRC应用系统。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种车辆定位装置，包括：

定位天线，包括至少三个在同一直线上排布的接收天线，所述接收天线用于接收同一OBU发送的微波信号；

信号接收机，与所述接收天线连接，用于接收所述微波信号后输入数字化处理器；

数字化处理器，与所述信号接收机连接，用于对所述微波信号进行数字化处理；

数字波束成形器，与所述数字化处理器连接，对所述数字化处理后的信号进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角。

一种实施例中，还包括与所述信号接收机连接的幅相校准器。

一种实施例中，还包括与所述数字波束成形器连接的波束控制器。

一种实施例中，相邻两个接收天线的等效相位中心之间的间距相等。

一种实施例中，相邻两个接收天线的等效相位中心之间的间距为所述微波信号的波长的一半。

一种实施例中，还包括依次连接的收发天线、调制/解调器、编码/解码器和核心处理器，所述数字波束成形器与所述核心处理器连接。

一种实施例中，所述定位天线具有两组，且两组所述定位天线中接收天线的排布方向相互垂直。

根据本申请的第二方面，本申请提供了一种DSRC应用系统，包括以上所述的定位装置。

一种实施例中，所述DSRC应用系统为单车道带栏杆机电子不停车收费系统、单车道自由流系统或多车道自由流系统，所述定位天线设置在所述单车道带栏杆机电子ETC系统或单车道自由流系统的对应车道上，或设置在多车道自由流系统中的至少一个自由流断面上。。

根据本申请的第三方面，本申请提供了一种车辆定位方法，包括以下步骤：

信号接收步骤：利用在同一直线上排布的至少三个接收天线，接收同一OBU发送的微波信号；

数字化处理步骤：对所述接收天线接收的微波信号进行数字化处理；

方位角确定步骤：对所述数字化处理后的信号，进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角；

定位步骤，根据所述方位角，得到所述OBU的位置信息。

本申请的有益效果是：本申请基于波束成形技术对道路上的车辆所安装的OBU进行准确定位，能够得到成形的波束所对应的方位角，该方位角即为OBU发送的微波信号所对应的方位角，根据该方位角即可计算OBU的位置信息。本申请的定位方法不易受到信号反射和多径衰落的影响，精度较高，有利于RSU准确判断发送微波信号的OBU是否是处于本RSU天线覆盖的车道区域内，如果在本RSU天线覆盖的车道区域内则RSU与之通信，否则不与之通信，能够有效解决邻道干扰和跟车干扰问题，避免ETC系统扣费错误，确保其正常运行，或者为其他各类DSRC应用系统提供定位信息，确保其对车辆进行准确的实时监控或管理。

附图说明

图1为本申请一种实施例的RSU中定位天线的布局示意图；

图2为本申请一种实施例的定位装置结构框图；

图3为本申请一种实施例的RSU结构框图；

图4为本申请一种实施例的车辆定位方法流程图；

图5为本申请一种实施例的RSU与OBU进行信息交互的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本申请实施例中，利用多个接收天线接收同一OBU发送的微波信号，将这些微波信号进行A/D转换后，传输至数字波束成形器进行波束成形，最后通过空域滤波技术获得成形的波束所对应的方位角，从而确定OBU的位置信息。

实施例一：

本申请的车辆定位方法基于RSU与OBU之间的信息交互。其中，RSU包括室外单元和室内单元，RSU室外单元具有收发天线，用于向OBU发送微波信号并接收来自OBU的微波信号，RSU室外单元通常安装在道路上方或道路侧部，RSU室内单元用于对RSU室外单元进行控制并对RSU室外单元接收和发送的信息进行处理；OBU也具有天线，用于向RSU发送微波信号并接收来自RSU的微波信号，OBU通常安装在车辆内，例如固定在车辆的前挡风玻璃上。

请参考图1或图2，本实施例公开了一种车辆定位装置，该车辆定位装置设置在ETC系统的RSU中，主要包括：

定位天线，该定位天线设置在RSU室外单元中，由至少三个在同一直线上排布的接收天线11形成天线阵列，各接收天线11用于接收同一OBU发送的微波信号，一个接收天线11作为一个阵元，例如本实施方式中，接收天线11具有N个（N为大于3的自然数），为了提高定位的准确性，可设置相邻两个接收天线11的等效相位中心之间的间距d相等，该间距d优选取OBU发送的微波信号的波长λ的一半。考虑到计算速度、复杂度以及波束方向图的大小，以及室外单元的体积大小一种实施例可将接收天线11设置为8个。本领域技术人员能够理解，接收天线11排布在同一直线上是指这些接收天线11的等效相位中心位于同一直线上，为了避免各接收天线11对应的信号接收通路的幅相不一致而对测量精度产生影响，尽量选择相同的接收天线，例如都选用圆极化喇叭天线，由于采用了增益（一般增益大于12dBi）较高的喇叭天线作为接收天线11，所以其方向性较强，对干扰信号有很好的抑制，可以达到比普通天线更高的定位精度。本实施例中，OBU发送的用于定位的微波信号可以是其与OBU通信过程中任何一个微波信号。

信号接收机12，具有多个，与定位天线中的各个接收天线11一对一地连接，用于接收来自各接收天线11的微波信号，并通变频转换将高频的微波信号转换成低频信号，并对其进行放大和滤波，使信号符合A/D转换的要求，最后将微波信号输入数字化处理器。处理后各信号的增益、相位等指标参数应当保持一致，保证各个信号接收通路相互之间的幅相测量误差最小，以提高定位精度。

数字化处理器，包括A/D单元13，与信号接收机12连接，用于对信号接收机12输出的微波信号进行A/D转换后的得到数字化信号，再进行数字化信号的变频处理和数字滤波后，得到正交的I、Q两路信号，最后将其输入数字波束成形器14。

数字波束成形器（DBF）14，与数字化处理器信号连接，用于对数字化处理后的信号进行信号叠加和波束成形，并通过空域滤波确定成形的波束所对应的方位角，该方位角即OBU发送的微波信号的方位角，或者说微波信号与天线阵列法线之间的夹角。数字波束成型器14采用现场可编程门阵列（FPGA：Field－Programmable Gate Array）和数字信号处理（DSP：Digital Signal Processing）技术，对来各路阵元信号进行快速的并行数学运算处理，并根据自适应滤波算法优化的最大信噪比算法原则，对各阵元信号进行加权求和处理，最后形成波束信号，最后确定具有最大信噪比的波束信号所对应的方位角，即来自OBU的微波信号与天线阵列法线之间的夹角，得到该夹角后，数字波束成形器（DBF）14将该夹角的数值输入核心处理器，以便其结合接收天线11的安装高度和角度，计算出OBU在RSU天线垂直投影点前方覆盖区域的具体坐标。

具体地，如图1所示，当定位天线中，假设各接收天线11之间的间距为d，微波信号的入射方向(即与天线线阵法线之间的夹角)为θ，如果设图1中标号为1的接收天线11为时间参考天线，则来自OBU的微波信号到达相邻接收天线11的波程差为d sin θ，到达相邻接收天线11的时间差为:

$\mathrm{\Δ\τ}=\frac{d\sin \mathrm{\θ}}{C}$ 其中，C为光速。

相邻接收天线11接收的微波信号的相位差为：

λ是微波信号所对应频率的中心波长。

各个编号的天线接收11的微波信号分别为：

x₁(t)=s(t)e^jωt

$x_2\left(t\right)=s\left(t\right)e^{\mathrm{j\ωt}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}}$

$x_N\left(t\right)=s\left(t\right)e^{\mathrm{j\ωt}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N-1)d\sin \mathrm{\θ}}$

天线阵列接收的微波信号写成矩阵形式为：

$\underset{\‾}{X}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ ...\\ x_N\left(t\right)\end{array}\right]=s\left(t\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\left[\begin{array}{c}1\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}}\\ ...\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N-1)d\sin \mathrm{\θ}}\end{array}\right]=s\left(t\right)\underset{\‾}{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\θ}\right)$

其中，α(θ)为微波信号的方向矢量，数值只依赖于天线阵列的几何结构（已知）和微波信号的传播方向（未知）。

对N个接收的微波信号进行加权求和后，输出的成形后的信号为：

y(t)＝W ^H X(t)＝s(t)W ^H α(θ)

设PW(θ)=W ^H α(θ)为信号加权的方向图，当W ^H对某个方向θ ₀ 的信号同相相加时得到的P _W (θ₀)的模值最大，能够在微波信号来波方向形成最大信噪比，对于x(t)实际上实现了空域采样信号，因此对计算最大信噪比波束信号对应的方位角度、即通过空域滤波确定了θ ₀ ，而该方位角即为来自OBU的微波信号与天线阵列法线之间的夹角。

进一步地，定位装置还包括与定位天线中的各个信号接收机12连接的幅相校准器15，用于根据系统要求，在接收天线11空闲的情况下、按照一定的定时周期对各信号接收通路进行幅相校准，避免其在设备老化、工作环境温度变化等情况下出现的信号幅相不一致性的情况。

定位装置还包括波束控制器16，与数字波束成形器15连接，用于根据预设的约束条件控制数字波束成形器15，向其提供最佳的加权矢量控制信号。

以上信号接收机、数字化处理器和数字波束成形器14都设置在RSU室内单元中。本实施例中，每个ETC车道安装一个RSU室外单元，其安装在车道上方正中的龙门架上，定位天线中在同一直线上排列的多个接收天线11与车道地面平行，天线方向图中心正对来车方向，以覆盖一个车道宽度为佳。

如图3所示，通常情况下，以上实施例的定位装置形成RSU的定位通路，RSU还包括信号收发通路，包括依次连接的收发天线21、调制/解调器22、编码/解码器24和核心处理器25，定位装置中的数字波束成形器14还与核心处理器25连接。

其中，收发天线21用于向OBU发射RSU下行微波信号和接收OBU应答返回的微波信号，其与信号接收机22连接，根据覆盖区域的不同具体选择不同的天线结构。定位天线与收发天线21的方向图指向相同，能够减少旁道的OBU或其它信号的干扰，确保收发天线21接收的微波信号与定位天线接收的OBU信号一致

信号接收机22用于对来自调制/解调器23的RSU下行微波信号进行放大和输出，以及在接收OBU应答返回的微波信号后，将其转换成中频信号，并进行放大和滤波后输入调制/解调器23。

调制/解调器23用于对RSU下行微波信号进行调制后发送到信号接收机22，以及对OBU应答返回的微波信号进行解调后输入编码/解码器24。

编码/解码器24用于对RSU下行微波信号进行FM0编码后发送到调制/解调器23，以及对OBU应答返回的微波信号进行FM0解码后输入核心处理器25。

核心处理器25为整个RSU的主处理器，用于控制RSU的全部工作过程、与车道计算机进行数据交互、管理ETC应用逻辑过程。核心处理器25还与数字波束成型器14、波束控制器16、幅相校准器15信号连接，能够接收数字波束成形器14确定的微波信号的方位角，并根据该方位角计算OBU的位置信息，还能控制波束控制器16的运行，并在接收天线11的空闲向幅相校准器发送指令对各信号接收通路进行幅相校准，通过减小各信号接收通路之间的幅相误差，尽可能地提高定位精度。

实施例二：

与第一实施例不同的是，第一实施例的定位装置具有一组定位天线，用于对来自OBU的微波信号进行一维方向的定位，例如使用沿道路延伸方向（纵向）的一组定位天线，通过实施例一得到微波信号与天线阵列法线之间的夹角后将其作为OBU的俯仰角，从而计算出OBU在RSU天线垂直投影点前方覆盖区域的纵向位置坐标。而本实施例的定位天线具有两组，且两组定位天线中接收天线的排布方向相互垂直，除了得到OBU的纵向位置坐标，还可使用沿垂直于道路延伸方向（横向）的一组定位天线，采用与实施例一相同的定位方式得到微波信号与天线阵列法线之间的夹角后将其作为OBU的倾斜角，从而计算出OBU在RSU天线垂直投影点前方覆盖区域的OBU的横向位置坐标，因而实现了车辆的二维定位。

实施例三：

请参考图4，本实施例公开了一种车辆定位方法，包括以下步骤：

步骤S100：RSU利用定位天线中在同一直线上排布的至少三个接收天线，接收同一OBU发送的微波信号。

步骤S101:利用数字化处理单元，对接收天线接收的微波信号进行数字化处理。

步骤S102：利用波束成形器，根据自适应滤波算法优化的最大信噪比算法原则对数字化处理后的信号进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角，得到所述OBU发送的微波信号的位置信息。

实施例四：

请参考图3和图5，本实施例公开了一种RSU与OBU进行信息交互的过程，包括以下步骤：

步骤S200：OBU进入RSU的天线信号覆盖区域，收到RSU的唤醒信号而被唤醒，接着收到RSU的微波信号，该微波信号中携带请求数据帧，该请求数据帧的具体内容根据需要而定，通常用于请求OBU向RSU返回一定的信息，例如本实施例的请求数据帧用于请求车辆信息（包括车牌号、车辆型号、车辆颜色等信息中的一种或几种）。

步骤S201：OBU接到RSU的微波信号后，对其进行解析，然后通过内部计算获得RSU所请求的车辆信息并封装成应答数据帧，接着向RSU发送微波信号，该微波信号包含应答数据帧以及OBU的ID等信息。该微波信号同时由RSU室外单元中的定位天线和收发天线接收到，定位天线接收该微波信号后的处理流程如以下步骤S202-S205，收发天线接收该微波信号后的处理流程如以下步骤S206-S209，两个处理流程结束后进入步骤S210。

步骤S202：定位天线中的至少三个接收天线11同时分别接收OBU发送的微波信号。

步骤S203：各信号接收机12接收来自接收天线11的微波信号，并将高频信号转换成中频信号后进行放大和滤波处理。

步骤S204:数字化处理单元利用A/D单元13对来自信号接收机的微波信号进行A/D转换，然后对转换后的数字信号再次变频和滤波处理。

步骤S205:数字波束成型器14对各阵元信号进行加权求和处理，最后形成波束信号，最后确定具有最大信噪比的波束信号所对应的方位角，该方位角即来自OBU的微波信号与天线阵列法线之间的夹角，并将该夹角数值得到该夹角后，结合接收天线的安装高度和角度，即可计算出OBU在RSU天线垂直投影点前方覆盖区域的具体坐标作为OBU的定位信息，

步骤S206：收发天线21接收到OBU的微波信号。

步骤S207:信号接收机22接收来自收发天线21的微波信号，并对微波信号并将高频信号转换成中频信号后进行放大和滤波处理。

步骤S208：调制/解调单元23对来自信号接收机的微波信号进行解调。

步骤S209：编码/解码单元24对来自调制/解调单元的信号进行解码,从而获取应答数据帧所包含的具体信息。

步骤S210：核心处理器25根据信号收发通路中编码/解码单元24解码得到的信息判断微波信号的有效性，如果微波信号有效，则根据定位通路得到的OBU的定位信息判断OBU是否在本RSU的天线信号覆盖区域内，如果是，则继续与OBU通信完成ETC交易逻辑过程，对其进行扣费，如果判断OBU不在本RSU的天线信号覆盖区域内，则不与其进行通信。

步骤S211：扣费完成后，RSU还可等待车道计算机发送搜索OBU指令或者重新向OBU发送唤醒信号和携带请求数据帧的微波信号，如果在约定的定时时间内没有收到OBU的携带应答数据帧的微波信号，则向幅相校准器发送信号幅相校准指令。

本申请以上实施例的车辆定位装置和方法可广泛适用于各类DSRC系统，例如单车道带栏杆机ETC系统、单车道自由流系统、多车道自由流系统、以及用于对车辆进行实时监控或违规稽查的车辆测速系统、车型识别系统、图像识别系统、图像抓拍系统等各类车辆监控系统。其中，定位天线设置在单车道带栏杆机电子ETC系统或单车道自由流系统的对应车道上，或设置在多车道自由流系统中的至少一个自由流断面上，能够通过对车辆的准确定位确认车辆是否在本RSU的天线覆盖区域内，从而有效避免跟车干扰、旁道干扰等现象。本申请的OBU定位方法准确、对当前RSU设备的改造较小，尤其在MLFF系统中，RSU能够对在多车道上自由通行的车辆进行准确定位，减少扣费错误，确保收费的正常进行。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种车辆定位装置，其特征在于，包括：

定位天线，包括至少三个在同一直线上排布的接收天线，所述接收天线用于接收同一车载单元发送的微波信号；所述微波信号包含封装有车辆信息的应答数据帧；

信号接收机，与所述接收天线连接，用于接收所述微波信号后输入数字化处理器；

数字化处理器，与所述信号接收机连接，用于对所述微波信号进行数字化处理；

数字波束成形器，与所述数字化处理器连接，对所述数字化处理后的信号进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角，再结合接收天线的安装高度和角度得到车载单元的定位信息；

还包括与所述信号接收机连接的幅相校准器；

还包括依次连接的收发天线、调制/解调器、编码/解码器和核心处理器，所述数字波束成形器与所述核心处理器连接；所述收发天线用于接收所述微波信号；调制/解调器用于对所述微波信号进行解调；编码/解码器用于对解调后的信号进行解码，以获得应答数据帧所包含的车辆信息；核心处理器用于根据编码/解码器解码得到的车辆信息，并在判断到所述微波信号有效后，根据所述定位信息判断所述车载单元是否位于覆盖区域内。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻两个接收天线的等效相位中心之间的间距相等。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，相邻两个接收天线的等效相位中心之间的间距为所述微波信号的波长的一半。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述数字波束成形器连接的波束控制器。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述定位天线具有两组，且两组所述定位天线中接收天线的排布方向相互垂直。

6.一种专用短程通信应用系统，其特征在于，包括权利要求5所述的车辆定位装置。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述专用短程通信应用系统为单车道带栏杆机电子不停车收费系统、多车道带栏杆机电子不停车收费系统、单车道自由流系统或多车道自由流系统，所述定位天线设置在所述单车道带栏杆机电子不停车收费系统或单车道自由流系统的对应车道上，或设置在多车道自由流系统中的至少一个自由流断面上。

8.一种车辆定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

信号接收步骤：利用在同一直线上排布的至少三个接收天线，接收同一车载单元发送的微波信号；同时利用收发天线接收所述微波信号；所述微波信号中包含封装有车辆信息的应答数据帧；

数字化处理步骤：对所述接收天线接收的微波信号进行数字化处理；

方位角确定步骤：对所述数字化处理后的信号，进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角；

定位步骤：根据所述方位角，再结合接收天线的安装高度和角度得到所述车载单元的定位信息；

解调步骤：对收发天线接收的微波信号进行解调；

解码步骤：对解调后的信号进行解码，以获得应答数据帧所包含的车辆信息；

方位判断步骤：根据解码得到的车辆信息，在判断到所述微波信号有效后，根据所述定位信息判断所述车载单元是否位于覆盖区域内；

幅相校准步骤：在接收天线空闲时，对各信号接收通路进行幅相校准。