CN102959428A - 用于求得无线电信标和车辆仪器之间的距离的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在公路收费系统（1）中求得无线电信标（2）与经过无线电信标的车辆仪器（11）之间的距离（a）的方法，其中发射具有该信号频率的已知的时间上的曲线的信号，具有以下步骤：在经过时，在所述两个部件（2、11）的另一个中接收所述信号，并且相对于所述已知的时间上的曲线记录信号频率的时间上的曲线；在记录的频率曲线（13、14）中检测超过第一阈值的变化；在所述频率曲线中寻找在时间上位于检测到的变化之前和之后的两个远区，这些远区示出低于第二阈值的频率变化；缩放所记录的频率曲线，使得所述远区认定为预定值；以及由所述经缩放的频率曲线求得所述距离（a）。本发明还涉及用于实现所述方法的无线电信标（2）、设备和车辆仪器（11）。

Description

用于求得无线电信标和车辆仪器之间的距离的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在公路收费系统中求得无线电信标和经过所述无线电信标的车辆仪器之间的距离的方法，其中，所述无线电信标和车辆仪器两个部件中的至少一个发射信号，该信号具有信号频率的已知的时间上的曲线。本发明还涉及用于实现这种方法的无线电信标、设备和车辆仪器。

背景技术

在基于无线电信标的公路收费系统中，例如根据标准化研究所CEN或ETSI的DSRC（dedicated short range communication）、WAVE（wireless access in a vehicle environment）或者ITS-G5（intelligenttransport systems generation 5）标准，由车辆携带的车辆仪器（onboardunits,OBUs）通过短程无线电与在地理上分布的无线电信标通信，只要车辆仪器经过无线电信标。这种无线电通信通常用于在无线电信标的无线电覆盖范围中定位车辆，为了对地点的使用收费，或者简单地只用于注销在路上的无线电信标中由OBU产生的通行费数据。

经常期望的是确定车辆经过无线电信标的距离，例如为了在多车道的公路上处罚不缴纳通行费：如果多辆车并排地在不同的行驶车道上经过无线电信标并且这些车辆的无线电通信中的一个指示没缴纳通行费，例如通行费费用销帐失败、结算账户的账户余额不足、OBU失灵或错误地调节等、或者要计算取决于行驶车道的费用多少或通行费（多乘客行驶道路），则重要的是要知道这些并排行驶的车辆中的哪一辆要为此负责，以便能够例如在现场或者在信标的公路段的证据照片上可视地识别该车辆。

为了确定所述距离，现在已知不同的方法。一种方案是在无线电信标中使用多个局部偏移的接收天线，以便由单个天线接收的OBU信号之间的相位差测量确定OBUs在无线电接收区域中的位置。另一种方案由US 5790052已知，并且以相对于无线电信标的局部偏移的接收天线对OBU的不同的相对速度的多普勒测量为基础，以便由速度测量值的比来确定到所述两个接收天线的距离的比。最后，也可能为每条行驶车道使用带有无线电覆盖范围较小的单独的无线电信标。所有这些已知的方案是昂贵的，也因为这些方案以多个接收天线为基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于与公路收费系统中确定OBU和无线电信标之间的距离的方法和装置，其与已知的方案相比需要较低的有关仪器的用于转化的花费。

该目的在本发明的第一方面用开头所述类型的方法达到，该方法因为以下步骤而出众：

在经过时，在两个部件的另一个中接收所述信号，并且相对于所述已知的时间上的曲线记录信号频率的时间上的曲线；

在记录的频率曲线中检测超过第一阈值的变化；

在所述频率曲线中寻找在时间上位于检测到的变化之前和之后的两个远区，这些远区示出低于第二阈值的频率变化；

缩放所记录的频率曲线，使得远区认定为预定值；以及

由所述经缩放的频率曲线求得所述距离。

本发明充分利用以下情况，无线电信标信号或OBU信号的由多普勒效应决定的频率变化在直接经过的时间点（在该时间点的距离最小）与无线电信标与OBU之间的正常距离成反比，只要频率曲线归一化为信标和车辆之间的相对速度。后者通过分析在“远区”中的频率曲线来完成：在这些远区中，这些部件互相间隔的间距与正常距离相比非常大，并且所述正常距离可以忽略不计，使得多普勒频移的幅度在那里基本上只取决于固有速度并且由此能够确定多普勒频移。接下来，可以从对在信标的出现频率曲线最大变化（“多普勒跳跃”）的近区中的、补偿了固有速度的频率曲线的分析中，求得与正常距离的相关性并因此求得其本身。结果可以用唯一一个接收器和唯一一个天线只由OBU和无线电信标之间的无线电通信确定所述经过距离。

所述经缩放的频率曲线可以在近区中以最不相同的方式信号分析地分析。按照本发明的第一种实施形式，所述距离由所述经缩放的频率曲线在该频率曲线拐点的斜率求得。在拐点的斜率与经过距离成反比，并且可以例如通过微分法简单地求得。

按照本发明的一种替代的实施形式，所述距离由所述经缩放的频率曲线的位于所述经缩放的频率曲线的拐点与远区之间的频率值求得。在一个既与拐点相间隔又与远区相间隔的点上，经缩放的频率曲线的频率值本身是对于经过距离来说重要的标准：频率值越大，经过距离越小，反之亦然。这种标准省去了频率曲线的微分；因为所述比例关系为非线性的，为了求得经过距离，换算表通常是有利的。

另一种替代的实施形式为，所述距离由所述经缩放的频率曲线在位于其拐点与远区之间的一段上的积分求得。所述经缩放的频率曲线的积分也是对于经过距离来说重要的标准。所以，所述经缩放的频率曲线的频率值可以例如在拐点与所述远区之间积分，并且所述积分（“在曲线下方的面积”）——即便是非线性的——是对于经过距离来说的标准：所述积分越大，所述经过距离越小，反之亦然。用于换算积分与经过距离之间的非线性比例关系的表也是有利的。

本发明的方法可以在无线电信标和OBU之间在两个方向上使用，也就是说，既可以在OBU中基于对无线电信标的信号的分析使用，也可以在无线电信标中基于对OBU的信号的分析使用，或者也可以在两个部件中同时使用。与之相应的，在本发明的第一种实施形式中，所述信号由所述无线电信标发射并且由所述车辆仪器接收，其中，所述记录、检测、寻找、缩放和求得的步骤由所述车辆仪器实施，通过这种方式，车辆仪器能够确定其到无线电信标的经过距离。

由无线电信标发射的信号并不需要必须连续地发射，其优选也可以断续地发射并且时间离散地为接收所述信号的时间点处理所述频率曲线。通过这种方式确定频率曲线的时间离散的采样值；如果在足够短的时间间隔中存在足够的采样值，能够由此以充分的精确度确定所述距离。

这种实施形式特别适用于以下应用情况，所述信号通过所述无线电信标的重复的询问信号形成，所述询问信号要求经过的车辆仪器答复。当所述公路收费系统例如根据CEN-DSRC或者WAVE或ITS-G5标准工作，并且与之相应的，所述无线电信标具有CEN-DSRC、WAVE或者ITS-G5收发器时，所述断续的信号可以是由所述无线电信标周期性地发射出的按照CEN-DSRC的“信标服务表”消息（BST）或者按照WAVE或ITS-G5标准的“WAVE服务通告”消息。

这种实施形式的一种特别优选的变体的出众之处在于，所述询问信号的重复频率自适应地适配于无线电信标与车辆仪器之间的间距的至少近似的测量值。通过这种方式，在所关注的多普勒跳跃附近可以达到更大的在时间上的分辨率并且因此达到频率曲线的采样值的数量，这提高了距离确定的精确度。

无线电信标和车辆仪器之间的间距特别优选地由在无线电信标中接收的车辆仪器的答复信号的接收信号强度近似地确定，这省去了单独的间距测量传感器。

在一种替代的实施形式中，所述方法可以在无线电信标中使用，即所述信号由所述车辆仪器发射并且由所述无线电信标接收，其中，所述记录、检测、寻找、缩放和求得的步骤由所述无线电信标实施，以便求得经过的车辆仪器的距离。

在这种实施形式中，所述信号也并非必须连续地存在，而是断续地发射，并且时间离散地为接收所述信号的时间点处理所述频率曲线。例如，所述信号通过所述车辆仪器的答复信号的序列形成，所述答复信号分别作为所述无线电信标的重复的询问信号的答复而发出。在所述的CEN-DSRC或者WAVE或ITS-G5标准中，无线电信标的这种反复的询问信号也可以是BST或WSA消息或者也可以仅仅是由无线电信标发射的“回声”消息，以便要求OBU仅仅重复消息，例如为了试验目的。

在这种实施形式中，所述询问信号的重复频率也可以自适应地适配于无线电信标与车辆仪器之间的间距的至少近似的测量值，这提高了确定在拐点的斜率的精确度并且因此提了距离确定的精确度。特别优选的是，为了近似地确定间距，同样考虑在无线电信标中接收的并且为了确定距离而被分析的车辆仪器的信号的接收信号强度，使得为了这个目的不需要单独的间距测量器。

在第三种变体中，无线电信标和车辆仪器都可以分别以描述的方式和方法求得其到各个其他部件的距离；优选地，所述无线电信标和车辆仪器这些部件中的至少一个将由其求得的距离发送到所述两个部件中的另一个，所述另一个部件为了检查的目的将这样接收的距离与由其本身求得的距离比较。

优选地，接下来由所求得的距离确定多车道的公路中车辆在之上运动的行驶车道。通过这种方式可以在平行经过的车辆中清楚地将不缴纳通行费对应于一条行驶车道以及位于该行驶车道上的车辆。

当在车辆仪器中确定行驶车道时，例如为了计算取决于行驶车道的通行费，则行驶车道信息也可以由车辆仪器发送到无线电信标，并且由所述无线电信标用由它本身求得的距离或与它本身求得的行驶车道复检。所述车辆仪器的距离确定可以用常规的方式和方法实施，例如借助常规的间距测量传感器，或者用这里介绍的方式和方法实施。优选在无线电信标中比在车辆仪器中以较低的精确度求得距离，特别优选的是以降低了的采样率实施，因为这对于检查的目的来说是足够的。相反的情况也是可能的，并且可以是有意义的，当例如在无线电信标中可以比在车辆仪器中用成本优化的、具有较低的计算能力的部件更精确地执行求得距离。

用本发明的方法分析的多普勒频移可以在信号的每个任意频率测量，无论该信号是一个载波频率或者优选是其调制频率。调制频率理解为OBU信号的每个任意调制的频率，无论该信号是简单的频率或幅度调制、OFDM调制的一个调制频率或者一个脉冲或者突发调制，如其通过周期地传送整个数据块出现的；这种块重复频率也可以视为其多普勒频移能够测量的调制频率。

本发明的方法适用于所有类型的基于无线电信标的公路收费系统。本方法特别适用于CEN-DSRC和WAVE或ITS-G5公路收费系统，其中，为了发射信号而使用车辆仪器的或者无线电信标的CEN-DSRC、WAVE或者ITS-G5发射器。在RFID技术中的其他设计，或者每个蜂窝式的（例如GSM、UMTS、LTE）和近区无线电技术（例如蓝牙、WLAN）也是同样可能的。

本发明在第二方面也提供了一种用于公路收费系统的用来求得经过无线电信标的车辆的距离的无线电信标，所述车辆配有车辆仪器，所述车辆仪器发射信号，所述信号具有其频率的已知的时间上的曲线，其特点在于：

接收器，所述接收器被构造用于接收经过的车辆的信号；

连接到所述接收器的存储器，所述存储器被构造用于相对于所述已知的时间上的曲线记录所接收的信号的频率的时间上的曲线；

连接到所述存储器的检测器，所述检测器被构造用于检测在所记录的频率曲线中的变化；

连接到所述检测器和存储器的第一分析装置，所述第一分析装置被构造用于在所述频率曲线中寻找在时间上位于检测到的变化之前和之后的两个远区，这些远区示出低于阈值的频率变化；

连接到所述存储器和第一分析装置的缩放器，所述缩放器被构造用于缩放所记录的频率曲线，使得远区认定为预定值；以及

在所述缩放器之后连接的第二分析装置，所述第二分析装置被构造用于由经缩放的频率曲线求得所述距离。

所述无线电信标既可以固定地设置在公路上也可以移动地安装在例如公路收费系统的监督车辆上。

本发明在第三方面中提供了一种用于确定在多车道的公路上经过的带有车辆仪器的车辆的行驶车道的设备，包括

至少两个这里所介绍的类型的无线电信标，这些无线电信标在相对于公路纵向方向的法平面中互相间隔距离地大约位于相同的高度并且分别求得它们到所述车辆仪器的距离，以及

连接到所述无线电信标的第三分析装置，所述第三分析装置接收所述无线电信标所求得的距离，在这些距离中选出最小的距离并且由此确定所述行驶车道。

按照本发明的设备以以下认识为基础，只要所述距离没有变得小到使得时间上的分辨率不再足以在所关注的跳跃范围中正确地采集频率曲线，则借助多普勒跳跃分析确定的距离的精确度对于较小的距离来说高于较大的距离。

当使用安装在监督车辆上的移动的无线电信标时，所述设备的两个无线电信标优选可以分别设置在监督车辆的一侧上，使得这两个无线电信标具有互相间隔的距离，并且在监督车辆两侧经过的车辆能够根据其到两个无线电信标的不同距离而被清楚地识别。

本发明在第四方面中提供了一种用于确定在多车道的公路上经过的带有车辆仪器的车辆的行驶车道的设备，包括

至少两个这里所介绍的类型的无线电信标，这些无线电信标在相对于公路纵向方向的法平面中相互间隔距离地放置并且分别求得它们到所述车辆仪器的距离，以及

连接到所述无线电信标的第三分析装置，所述第三分析装置接收所述无线电信标所求得的距离并且由所述无线电信标的位置、它们互相间隔的距离以及所求得的距离通过三角测量求得所述行驶车道。

用按照本发明的这种类型的设备，也可以例如使用在公路上方设置的无线电信标，例如在跨越公路的桥横梁上，由这些无线电信标求得的距离能够通过三角分析确定各个行驶车道。

本发明在第五方面中提供了一种用于公路收费系统的用来求得到公路收费系统的无线电信标的距离的车辆仪器（OBU），所述无线电信标发射信号，所述信号具有该信号频率的已知的时间上的曲线，其特点在于：

接收器，所述接收器被构造用于接收无线电信标的信号；

连接到所述接收器的存储器，所述存储器被构造用于相对于所述已知的在时间上的曲线记录所接收到的信号的频率的时间上的曲线；

连接到所述存储器的检测器，所述检测器被构造用于检测在所记录的频率曲线中的变化；

连接到所述检测器和存储器的第一分析装置，所述第一分析装置被构造用于在所述频率曲线中寻找在时间上位于检测到的变化之前和之后的两个远区，这些远区示出低于阈值的频率变化；

连接到所述存储器和第一分析装置的缩放器，所述缩放器被构造用于缩放所记录的频率曲线，使得远区认定为预定值；以及

在所述缩放器之后连接的第二分析装置，所述第二分析装置被构造用于由经缩放的频率曲线求得所述距离。

关于按照本发明的无线电信标、设备和按照本发明的车辆仪器的其他特征和优点，请参照本发明的上述实施形式。

附图说明

在下文中借助优选的实施例参考附图进一步阐述本发明，图中示出：

图1示意性地在俯视图中示出在多车道的公路上的无线电信标以及在两辆车辆经过时的几何关系；

图2两辆车辆在经过无线电信标时的信号的频率曲线；

图3图2的频率曲线缩放后的频率曲线；

图4图3的经缩放的频率曲线的微分；

图5本发明的无线电信标或车辆仪器的方块电路图；

图6和7用于图3的经缩放的频率曲线的替代的分析方法；

图8a和8b用于实现图6和7的方法的图5的无线电信标或车辆仪器的第二分析装置的变体；

图9在断续发射的信号和相应的断续的频率曲线的基础上的本发明的变体；

图10至13在俯视图（图10和11）以及在公路方向上来看的侧视图（图12和13）中示出按照本发明的设备的不同实施形式，该设备用于在使用本发明的多个无线电信标的情况下在多车道的公路上确定行驶车道；

图14安装在监督车辆上的按照本发明的无线电信标；

图15安装在监督车辆上的带有两个按照本发明的无线电信标的设备。

具体实施方式

在图1中示出了公路收费系统1，其包括多个在地理上分布的无线电信标2（只代表性地示出了一个），这些无线电信标通过数据连接3与公路收费系统1的（未示出的）总站相连。无线电信标2分别布置在公路4上，这条公路可以包括多个行车道或者说行驶车道5，6。

无线电信标2例如由本地计算机7、接收器（收发器）8和摄像机9组成，为了处罚不缴纳通行费，该摄像机可以——由计算机7控制——拍摄公路4及其行驶车道5、6的图片。

所述接收器（收发器）8用于实施与在行驶车道5、6上经过无线电信标2的车辆12所携带的车辆仪器或者OBUs（onboard units，车载单元）11无线电通信10。所述无线电通信10通常是双向的数据包连接。在本发明的第一种实施形式中，分析由OBUs11向无线电信标2的接收器（收发器）8发送的信号就足够了，因此以下只讨论OBU11将信号10发送到无线电信标2的接收器8；在以后阐述的实施形式中也会分析在相反方向上的信号10。

不言而喻，无线电信标2并非必须是固定的，而也可以本身由车辆携带，例如由监督车辆2’携带，该监督车辆在流动着的交通中经过带有OBUs11的车辆或被这些车辆经过，详见下文阐述的图14和15的实施形式。

带有OBUs11的车辆12在行驶车道5、6上以不同的速度v₁、v₂运动，以不同的经过距离或者正常距离a₁、a₂经过无线电信标2，更确切地说，经过其接收器8。由OBUs11发出的信号10分别按照已知公式受到取决于频率的多普勒频移，

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

其中，

f_S为OBU11的信号10的发射频率；

f_D为如果OBU11朝着无线电信标2向前移动，无线电信标2中的信号10发生多普勒频移后的接收频率；

v为OBU11的速度；以及

c为光速。

当OBU11以距离a经过无线电信标2时，方程（1）可以借助几何学的考虑写为

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

其中，

a为在图1的坐标系中OBU11到无线电信标2的垂直距离；

x为在图1的坐标系中OBU11到无线电信标2的水平距离；在假设OBUs11的速度v或v₁、v₂为恒定的情况下，所述水平距离同时也相当于时间t；以及

f_B为如果OBU11以距离a经过无线电信标2时，无线电信标2中的信号10发生多普勒频移后的接收频率。

图2示出了接收频率f_B关于水平距离x或时间t的两条示例性的曲线。实线13示出了在行驶车道5上的OBU11接收频率曲线，而虚线14示出了在行驶车道6上的OBU11的接收频率曲线。如显而易见的，由多普勒效应决定的频率偏移±Δf₁、±Δf₂在频率曲线13、14的“远区”15、16中在最大的变化

的范围17很之前或者很之后较小，也就是说，在远区15、16中，频率变化f_B’低于显著性阈值ε。

因此，在远区15、16中（当然也进一步地在这些区域之外）多普勒频移±Δf的幅度不再取决于经过距离a而是几乎仅取决于速度v。因此，车速v对频率曲线13、14的影响可以这样消除，即缩放所述频率曲线，使其在远区15、16中分别认定为同一值，例如预定值±ΔF。

图3示出了这种缩放的结果，其中，缩放（“归一化”）所述记录的频率曲线13、14，使其在远区15、16中认定为预定值±ΔF。

因此，这些经缩放的频率曲线13’、14’按照

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

只取决于a/x的比，也就是说，只取决于经过距离a与水平距离x或时间t的比。

如从图3显而易见的，这些经缩放的频率曲线13’、14’特别明显地区别在于位置x=t=0的斜率

在该位置，这些曲线同时示出一个拐点20：经过距离a越大，经缩放的频率曲线13’、14’越“平滑”，也就是说，在拐点20的斜率f_B’越小。因此，经过距离a与斜率f_B’成反比例，即

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

所述在拐点20的斜率f_B’能够通过微分所述经缩放的频率曲线13’、14’求得，并且微分的结果在图4中示出。

在了解行驶车道5、6的车道宽度b₁、b₂的情况下，接下来可以由这样求得的经过距离a₁、a₂分别确定OBU11在发射信号10时所处的行驶车道5、6。通常，对经过距离a₁、a₂简单的相对比较也足以确定车辆的局部顺序。

到现在为止设定，OBU11的信号10的发射频率f_S是恒定的，也就是说，发射频率自己在时间上的曲线为恒定的曲线。但是也可能的是，OBU11发射具有在时间上不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，其中，发射频率f_S持续地——根据预定的或者已知的样式——变换。相对于OBU11发射频率f_S的预先已知的在时间上的曲线——无论该曲线是恒定的或变换的——记录所录的接收频率曲线13、14，也就是说，参照该曲线或基于该曲线进行归一化地，使得该影响可以由OBU11的已知的发射频率变化补偿。

因此，用于确定经过无线电信标2的OBUs11的经过距离a的方法形成如下：

首先，关于时间t（=x）记录OBU11的信号10的频率曲线13、14——必要时相关地涉及发射频率f_S的已知的在时间上的曲线。接下来，在频率曲线13、14中近似地确定出现显著的变化的区域17，也就是说

超过了预定的检测阈值o'（“第一阈值”）。这样的作用是得到用于寻找两个远区15、16的时间基点，这两个远区必须位于所述变化17之前和之后，并且远离所述变化，使得在这些远区中不再出现显著的频率变化

也就是说，该变化位于预定的显著性阈值ε（“第二阈值”）以下。

在了解远区17、18以及在这些远区中出现的多普勒频移±Δf₁、±Δf₂（因为其变化没有超过显著性阈值ε，所述多普勒频移也可以视为类似恒定的）的情况下，现在可以缩放频率曲线13、14，使得这些频率曲线13、14在其远区15、16中分别认定为同一预定值±ΔF。

接下来，在经缩放的频率曲线13’、14’中寻找拐点20。为此，在这些频率曲线中寻找那些位置x或时间t，在该位置或该时间，接收频率f_B要么具有“准恒定的”远区15、16之间的频率中值（“中点”），要么——当静止的OBU11的信号10的标称频率已知时——具有所述标称频率。这两种方式都可以不仅在缩放前在频率曲线13、14中确定所述拐点20而且在缩放后在经缩放的频率曲线13’、14’中确定所述拐点20。

在确定拐点20后，现在可以确定经缩放的频率曲线13’、14’在拐点20的斜率f_B’（x=t=0）（见图4）并且由此求得经过距离a或a₁、a₂，如上文所阐述的。

图5示出了用于实施所描述的方法的无线电信标2的示例性的硬件实现。无线电信标2连接到接收器8而具有存储器21，在该存储器中记录接收到的信号10在时间上的频率曲线13、14。连接到所述存储器21的检测器22检测变化范围17

并且将该信息17输送给第一分析装置23。第一分析装置23由此求得频率曲线13、14中

的远区15、16，并且用该信息15、16控制缩放器24，该缩放器将频率曲线13、14缩放为经缩放的频率曲线13’、14’。将后者输送给形式为微分器的第二分析装置25，该微分器在其拐点20的位置x=t=0计算斜率

以便由此求得经过距离a₁、a₂。

部件21-25可以例如通过无线电信标2的本地计算机8实现。

图6和7示出了所描述的方法的替代实施形式，这些实施形式区别在于由经缩放的频率曲线13’、14’求得经过距离a的步骤：如上文所阐述的，虽然经缩放的频率曲线13’、14’在拐点20的斜率f_B’的分析是对经过距离a特别有说服力的标准，但是也可以代替地分析经缩放的频率曲线13’、14’的其他信号分析的参数。

图6示出了第一种变体，其中，分析经缩放的频率曲线13’、14’在位于拐点20（x=t=0）与远区15、16之一之间的位置Δx=Δt的频率值f_{B， 1}或f_B，2，也就是说f_B，1（Δt）或f_B，2（Δt）。位置Δx=Δt可以例如在拐点20与远区15或16之一之间的途中选取。

由相应的频率值f_B，1（Δt）或f_B,2（Δt）则可以推断出相应的经过距离a₁、a₂：在预定的位置Δt的频率值f_B越大，经过距离a越小。在系列测试中，可以求得缩放的频率曲线13’、14’的属于某一经过距离a的频率值f_B并且将其例如储存在一个数据库或表格中，在测量时可以访问，以便由频率值f_B求得各个经过距离a。

图8a示出了图5中的无线电信标2的一种为此修改过的第二分析装置25。所述第二分析装置25在这里不构成为微分器，而是构成为采样元件，其在经缩放的频率曲线13’、14’的预定的位置Δt简单地推断出函数值f_B，其中，在拐点20与一个远区（例如远区16）之间选取位置Δt。

图7还示出了通过计算其积分来分析经缩放的频率曲线13’、14’的另一种可能。经缩放的频率曲线13’、14’从拐点20到预定的位置Δx=Δt的积分相当于在图7中用阴影示出的经缩放的频率曲线13’的面积F_B，1或经缩放的频率曲线14’的面积F_B，2。如显而易见的，积分f_B（Δt）根据经过距离a而不同。经过距离a越小，积分或面积F_B越大。又可以通过对不同的经过距离a的系列测试求得各个出现的面积或积分F_B，并且将其预先存储在表格或者数据库中，使得以后在测量工作中可以由测得的积分值F_B求得各个相应的经过距离a。

积分F_B的积分界限可以分别从拐点20（x=t=0）到在拐点20与远区15、16之一之间的点Δx=Δt选取，或者也可以从拐点20到一个远区15、16选择。也可以选取位于远区15、16之一之前、与拐点20间隔的点代替拐点20作为积分下限。

图8b示出用于图5中的无线电信标2的第二分析装置25的一个示例性的实现，其通过积分元件形成。所述积分元件25执行所述经缩放的频率曲线13’、14’在所述积分界限之间、例如在拐点20和远区16之间的积分，以便由此例如根据数据库表格求得各个经过距离a₁、a₂。

在本发明的另一种实施形式中，目前所描述的用于确定距离a的整个方法也可以在OBU11中实施，即基于OBU从无线电信标2接收的信号10的分析。为了实施这种方法变型，图5和8依此同时示出OBU11的示例性的硬件实现，并且与之相应的，部件7、8、21-25是OBU11的内部部件。

也可能的是，不仅无线电信标2而且OBU11根据所描述的方法确定到各自另一个部件11或2的距离。OBU11和信标2的接收器8则可以构成为收发器，并且无线电信标2可以可选地向OBU11发送由其求得的距离a和/或OBU11可以可选地向无线电信标2发送由其求得的距离a，为了用各自在那里求得的距离a复检。

以相同的方法，无线电信标2和OBU11也可以交换或告知基于求得的距离a确定的关于具有OBU11的车辆12所处的各个行驶车道5、6的信息。例如当应该收取取决于行驶车道的通行费或者处罚无正当理由地使用行驶车道时，所述关于行驶车道5、6的信息是有用的：例如所谓的“HOT-Lanes”（high occupancy toll lanes，高占用收费车道）是为具有某一乘客最少人数的车辆（所谓的high occupancy vehicles，HOV）预留的，但是在例如取决于乘客数的通行费（HOT费用）的付款的情况下也可以由带有更少乘客的车辆使用。当OBU11本身求得行驶车道5、6作为HOT费用的计算基础并且将其告知无线电信标2时，该无线电信标借助自己的距离测量器校验HOT费用的正确计算。

图9示出了所描述方法、无线电信标和OBUs的另一种变体，其中，在这里所关注的整个经过的时间段中，信号10不是连续地或持续地存在，而是由于无线电通信分配为总称为10_i的数据包10₁、10₂、10₃等中而断续地存在，也就是说由空隙26中断。在各个接收的通信伙伴中，无论是无线电信标2或者OBU11，可以只在离散的时间点记录信号10的接收频率f_B，使得频率曲线13、14在总称为27_i的采样值27₁、27₂、27₃等中是时间离散的（时间上的采样）。

不言而喻，采样值27_i这种离散的序列的微分f_B’可以在算法上非常简单地由每两个连续的采样值之间连线的斜率求得，如在现有技术中已知的，并且与之相应的，在拐点20的斜率f_B’近似地相当于在框定拐点20的两个采样值27’之间的斜率，这也相应地简化了微分器25的构造。

因为即使在用例如按照图5和8、常规的以时钟脉冲工作的处理器系统实现时，图1至4的“非中断”的实施形式也描述了具有采样率的时间离散的系统，所述采样率相当于所使用的模拟/数字转换器的采样率和所使用的处理器的时钟频率，与前述的实施形式相比，这只意味着精确度以在时间点27_i降低的采样率的程度降低。如果时间点27_i相应密集地设置，则得出用于时间离散的频率曲线13、14的相应较高的采样率，这种采样率导致在确定距离a时只有微小的精确度损失。

图9的实施形式的断续的信号10可以例如通过数据包10_i的序列形成，这些数据包在无线电信标2和OBU11之间根据CEN-DSRC或者WAVE或ITS-G5标准被交换。根据CEN-DSRC标准，无线电信标2例如周期性地发送所谓“信标服务表”消息（BST），以便要求进入其无线电覆盖范围的OBUs11答复。以相似的方法，无线电信标2根据WAVE或ITS-G5标准可以反复发射出所谓的“WAVE服务通告”消息（WSA），这些消息可以由经过的OBUs11接收。无线电信标2的每个BST或WSA消息形成了一个序列中的一个数据包10_i，这个序列可以由OBU11作为信号10以所描述的方式和方法分析。

与之相反的，无线电信标2可以将OBU11的反复的数据发送作为信号10分析。因为根据CEN-DSRC和WAVE或ITS-G5标准，OBUs11通常只答复无线电信标2的要求，为此，无线电信标2优选发出周期性反复的询问信号，该询问信号分别激发OBU11的答复，例如BST或者WSA消息的周期性的序列或者由OBU11反复的所谓的“回声消息”的周期性的序列。以这种方式，可以促使OBUs11反复地发射数据包10_i，这些数据包可以在无线电信标2中以所描述的方式和方法分析，以便求得距离a。

一种示例性的实施形式带有无线电信标2，其无线电覆盖范围从公路4的行驶方向上来看达到所述信标之前大约20m和之后20m，也就是说大约40m长，并且带有数据包10_i大约为10ms的时间距离，相当于大约100Hz的数据包发射频率，在这种实施形式中，在行驶速度为大约10kmh时，OBU11处于无线电信标2的无线电覆盖区域中大约13秒，使得可以发送1300个数据包10_i并因此可以制造频率曲线13、14的1300个采样值27_i。在行驶速度为大约130kmh时，仍然可以制造大约100个采样值27_i，这得出了频率曲线13、14的足够的在时间上的分辨率并因此得出确定距离a的足够的精确度。

当无线电信标2和OBU11都分别确定距离a，并且OBU11将由其求得的距离a发送到无线电信标2用于复检时，也可以一方面在信标2中另一方面在OBU11中为频率曲线13、14规定不同的采样率，特别是在信标2的一方规定降低了的采样率，因为这对于确认由OBU11告知的距离a是足够的。

另一种可能性是，数据包10’的重复频率f_A自适应地适配于无线电信标2和OBU11之间的间距

$e=\sqrt{a^2+x^2}$

即，使得重复频率随着减小的间距e而提高并且随着增加的间距e而降低，也就是说

$f_A\≡\frac{1}{e}$

通过这种方式，在所关注的多普勒跳跃附近可以达到采样值27_i更大的在时间上的分辨率或采样率，这有利于确定拐点20和在拐点20的斜率f_B’并因此有利于确定距离a。

可以借助无线电信标2或者OBU11中单独的间距测量传感器求得间距e；或者优选近似地由信号10的接收频率强度的测量值RSSI（“receivedsignal strength indication”）的测量值在OBU11自身或无线电信标2的收发器8中求得，也就是说

f_A≡RSSI

在使用无线电信标2的BST、WSA或者回声消息时，无论其为了在OBU11中分析而作为无线电信标2的数据数据包10’或者为了在无线电信标2中分析而用于释放OBU11的相应的答复数据包10’，重复频率f_A在两种变体中可以根据OBU11的各个答复数据包的接收信号强度RSSI改变。

图10至13和15示出了用于确定多车道公路4上由车辆12使用的行驶车道5、6、6’的设备28的不同变体，该设备28包括所描述的类型的多个无线电信标2。这些无线电信标2可以分别具有自己的本地计算机7或者具有一个共同的本地计算机7，并且通过相应的本地数据网（未示出）相连，并且通过数据连接3与公路收费系统1的（未示出的）总站相连。

设备28的无线电信标2都大约位于相对于公路纵向方向x的同一法平面29中并且可以安装在公路4上方大约同一高度（图10、11、12、15）或者不同的高度（图13、15），也就是说，既可以侧向地在公路4的两侧（图10）、在行驶车道5、6、6’旁边或中间（图11）、在公路4上方在一个跨越公路的桥横梁30上（图12）、在这些安装类型的结合中侧向地并且在公路4的上方（图13）或者侧向地在移动的监督车辆2’上（图15）。这些无线电信标2中的每一个在法平面29中求得其各自到经过的OBU11的距离a’、a”、a’’’。这样求得的距离a’、a”、a’’’可以根据无线电信标的设置多次进行分析：

在图10、11、12和15中的无线电信标2关于公路4位于大约同一高度的实施形式中，当每个无线电信标2对应于一个行驶车道5、6、6’时，可以根据测量最小距离a’、a”、a’’’的那个无线电信标2直接确定各个行驶车道5、6、6’。

另一方面，为了提高距离确定的精确度，也可以考虑设备28的大多数无线电信标2，即在多个无线电信标2和其求得的距离a’、a”、a’’’中考虑最小的那个距离，例如在图10、11和12中的距离a’用于进一步分析。这充分利用了以下效果，当斜率f_B’不是太平缓的时候，上述方程（1）-（4）的解在一个定点计算机7中导致更精确的结果，另一方面，由于信标2的安装位置，也不会超过最小距离a，也就是说，斜率f_B’没有大到使其在时间离散的系统中不再能够用足够多数量的距离值27_i分解。

在第三种变体中，可以考虑设备28的大多数无线电信标2，在了解无线电信标2的安装位置和其互相间隔的距离31的情况下，通过三角学的三角测量计算横向距离a并且可选地也计算OBU11在公路4上方的高度h（图12、13、15）。

所有所述对多个无线电信标2的分析可以例如在计算机7（“第三分析装置”）的一个或多个中实施。

图14示出了在公路收费系统1的移动的监督车辆2’上使用无线电信标2，并且图15示出了使用类型为设备28中的两个无线电信标2。因此，在不同的行驶车道5、6、6’上，经过所述监督车辆2’的车辆12可以根据其不同的经过距离a₁、a₂互相区分。当按照图15至少两个无线电信标2以互相间隔的距离31安装在监督车辆2’上（例如在监督车辆2’的两侧上）时，根据由单个无线电信标2测量的经过距离a₁、a₂也可以确定，经过的车辆12是在监督车辆2’的左边还是右边超车的。

本发明不限于所示出的实施形式，而是包括了属于接下来的权利要求的范围中的所有变体和变型。

Claims (34)

1.一种用于在公路收费系统（1）中求得无线电信标（2）与经过无线电信标的车辆仪器（11）之间的距离（a）的方法，其中两个部件、即无线电信标（2）和车辆仪器（11）中的至少一个发射信号（10），所述信号具有该信号频率（f_S）的已知的时间上的曲线，其特征在于以下步骤：

在经过时，在所述两个部件（2、11）的另一个中接收所述信号（10），并且相对于所述已知的时间上的曲线记录信号频率（f_B）的时间上的曲线（13、14）；

在记录的频率曲线（13、14）中检测超过第一阈值（σ）的变化（17）；

在所述频率曲线（13、14）中寻找在时间上位于检测到的变化（17）之前和之后的两个远区（15、16），这些远区示出低于第二阈值（ε）的频率变化（f_B’）；

缩放所记录的频率曲线（13、14），使得所述远区（15、16）认定为预定值（±ΔF）；以及

由所述经缩放的频率曲线（13’、14’）求得所述距离（a）。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离（a）由所述经缩放的频率曲线（13’、14’）在该频率曲线拐点（20）的斜率（f_B’）求得。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离（a）由所述经缩放的频率曲线（13’、14’）的位于所述经缩放的频率曲线的拐点（20）与远区（15、16）之间的频率值（f_B）求得。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离（a）由所述经缩放的频率曲线（13’、14’）在位于该频率曲线拐点（20）与远区（15、16）之间的一段（Δt）上的积分（F_B）求得。

5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述信号（10）由所述无线电信标（2）发射并且由所述车辆仪器（11）接收，其中，所述记录、检测、寻找、缩放和求得的步骤由所述车辆仪器（11）实施。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，断续地发射所述信号（10），并且时间离散地对于接收所述信号（10）的时间点（27_i）处理所述频率曲线（13、14）。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述信号（10）通过所述无线电信标（2）的重复的询问信号（10’）形成，所述询问信号要求经过的车辆仪器（11）答复。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述询问信号（10’）的重复频率（f_A）自适应地适配于无线电信标（2）与车辆仪器（11）之间的间距（e）的至少近似的测量值，优选适配于在所述无线电信标（2）中接收的所述车辆仪器（11）的答复信号的接收信号强度（RSSI）。

9.按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述信号（10）由所述车辆仪器（11）发射并且由所述无线电信标（2）接收，其中，所述记录、检测、寻找、缩放和求得的步骤由所述无线电信标（2）实施。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，断续地发射所述信号（10），并且时间离散地对于接收所述信号（10）的时间点（27_i）处理所述频率曲线（13、14）。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述信号（10）通过所述车辆仪器（11）的答复信号的序列形成，所述答复信号分别作为对所述无线电信标（2）的重复的询问信号的答复而发出。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，所述询问信号的重复频率（f_A）自适应地适配于无线电信标（2）与车辆仪器（11）之间的间距（e）的至少近似的测量值，优选适配于在所述无线电信标（2）中接收的信号（10）的接收信号强度（RSSI）。

13.一种包括按照权利要求5至8之一的第一种方法和按照权利要求9至12之一的第二种方法的方法，其特征在于，所述两个部件、即无线电信标（2）和车辆仪器（11）中的至少一个将由它求得的距离（a）发送到所述两个部件的另一个（11、2），所述另一个部件为了检查的目的将这样接收的距离（a）与由它本身求得的距离（a）比较。

14.按照权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，由所述距离（a）确定多车道的公路（4）中车辆（12）在之上运动的行驶车道（5、6。6’）。

15.按照权利要求5和14所述的方法，其特征在于，在所述车辆仪器（11）中确定行驶车道，由所述车辆仪器（11）将关于经确定的行驶车道（5、6、6’）的信息发送到所述无线电信标（2），并且所述无线电信标（2）用由它本身求得的距离（a）复检所接收的行驶车道信息。

16.一种用于公路收费系统（1）的用来求得经过无线电信标的车辆（12）的距离（a）的无线电信标（2），所述车辆配有车辆仪器（11），所述车辆仪器发射信号（10），所述信号具有该信号频率（f_S）的已知的时间上的曲线（13、14），其特征在于：

接收器（8），所述接收器被构造用于接收经过的车辆（12）的信号（10）；

连接到所述接收器的存储器（21），所述存储器被构造用于相对于所述已知的时间上的曲线记录所接收的信号（10）的频率（f_B）的时间上的曲线（13、14）；

连接到所述存储器（21）的检测器（22），所述检测器被构造用于检测在所记录的频率曲线（13、14）中的变化（17）；

连接到所述检测器（22）和存储器（21）的第一分析装置（23），所述第一分析装置被构造用于在所述频率曲线（13、14）中寻找在时间上位于检测到的变化（17）之前和之后的两个远区（15、16），这些远区示出低于阈值（ε）的频率变化（f_B’）；

连接到所述存储器（21）和第一分析装置（23）的缩放器（24），所述缩放器被构造用于缩放所记录的频率曲线（13、14），使得远区（15、16）认定为预定值（±ΔF）；以及

在所述缩放器（24）之后连接的第二分析装置（25），所述第二分析装置被构造用于由经缩放的频率曲线（13’、14’）求得所述距离（a）。

17.按照权利要求16所述的无线电信标，其特征在于，第二分析装置（25）构造成用于由经缩放的频率曲线（13’、14’）在该频率曲线拐点（20）的斜率（f_B’）求得所述距离（a）。

18.按照权利要求16所述的无线电信标，其特征在于，所述第二分析装置（25）构造成用于由所述经缩放的频率曲线的位于所述经缩放的频率曲线（13’、14’）的拐点（20）与远区（15、16）之间的频率值（f_B）求得所述距离（a）。

19.按照权利要求16所述的无线电信标，其特征在于，所述第二分析装置（25）构造成用于由所述经缩放的频率曲线（13’、14’）在位于该频率曲线拐点（20）与远区（15、16）之间的一段（Δt）上的积分（F_B）求得所述距离（a）。

20.按照权利要求16至19之一所述的无线电信标，其特征在于，所述无线电信标具有发射器（8）用于重复发射询问信号，以便要求经过的车辆仪器（11）分别给出答复信号（10_i），这些答复信号（10_i）断续地形成所述信号（10），其中，所述无线电信标（2）时间离散地对于存在所述信号（10）的时间点（27_i）处理所述频率曲线（13、14）。

21.按照权利要求20所述的无线电信标，其特征在于，所述询问信号的重复频率（f_A）自适应地适配于无线电信标（2）与车辆仪器（11）之间的间距（e）的至少近似的测量值，优选适配于在所述无线电信标（2）中接收的信号（10）的接收信号强度（RSSI）。

22.按照权利要求20或21所述的无线电信标，其特征在于，所述发射器（8）是CEN-DSRC、WAVE或者ITS-G5收发器并且所述发射器的询问信号是一种信标服务表消息或者WAVE服务通告消息。

23.按照权利要求16至22之一所述的无线电信标，其特征在于，所述无线电信标安装在多车道的公路（4）上，并且构造微分器（25）用于由所述距离（a）确定所述车辆（12）在之上经过的行驶车道（5、6、6’）。

24.按照权利要求16至23之一所述的无线电信标，其特征在于，所述无线电信标安装在所述公路收费系统（1）的监督车辆（2’）上。

25.一种用于确定在多车道的公路（4）上经过的带有车辆仪器（11）的车辆（12）的行驶车道（5、6、6’）的设备，包括

至少两个按照权利要求16至24之一所述的无线电信标（2），这些无线电信标在相对于公路纵向方向（x）的法平面（29）中互相间隔距离（31）地大约位于相同的高度并且分别求得它们到所述车辆仪器（11）的距离（a），以及

连接到所述无线电信标（2）的第三分析装置（7），所述第三分析装置接收所述无线电信标所求得的距离（a’、a”、a’’’），在这些距离中选出最小的距离（a）并且由此确定所述行驶车道（5、6、6’）。

26.按照权利要求24和25所述的设备，其特征在于，所述两个无线电信标（2）分别安装在所述监督车辆（2’）的一侧上。

27.一种用于确定在多车道的公路（4）上经过的带有车辆仪器（11）的车辆（12）的行驶车道（5、6、6’）的设备，包括

至少两个按照权利要求16至24之一所述的无线电信标（2），这些无线电信标在相对于公路纵向方向（x）的法平面（29）中互相间隔距离（31）地放置并且分别求得它们到所述车辆仪器（11）的距离（a’、a”、a'''），以及

连接到所述无线电信标（2）的第三分析装置（7），所述第三分析装置接收所述无线电信标所求得的距离（a’、a”、a’’’）并且由所述无线电信标的位置、它们互相间隔的距离（31）以及所求得的距离（a’、a”、a’’’）通过三角测量求得所述行驶车道（5、6、6’）。

28.一种用于公路收费系统的用来求得到公路收费系统（1）的无线电信标（2）的距离（a’、a”、a’’’）的车辆仪器，所述无线电信标发射信号（10），所述信号具有该信号频率的已知的时间上的曲线，其特征在于：

接收器（8），所述接收器被构造用于接收无线电信标（2）的信号（10）；

连接到所述接收器（8）的存储器（21），所述存储器被构造用于相对于所述已知的在时间上的曲线记录所接收到的信号（10）的频率（f_B）的时间上的曲线（13，14）；

连接到所述存储器（21）的检测器（22），所述检测器被构造用于检测在所记录的频率曲线（13、14）中的变化（17）；

连接到所述检测器（22）和存储器（21）的第一分析装置（23），所述第一分析装置被构造用于在所述频率曲线（13、14）中寻找在时间上位于检测到的变化（17）之前和之后的两个远区（15、16），这些远区示出低于阈值（ε）的频率变化（f_B’）；

连接到所述存储器（21）和第一分析装置（23）的缩放器（24），所述缩放器被构造用于缩放所记录的频率曲线（13、14），使得远区（15、16）认定为预定值（±ΔF）；以及

在所述缩放器（24）之后连接的第二分析装置（25），所述第二分析装置被构造用于由经缩放的频率曲线（13’、14’）求得所述距离（a）。

29.按照权利要求28所述的车辆仪器，其特征在于，所述第二分析装置（25）构成为用于由经缩放的频率曲线（13’、14’）在该频率曲线拐点（20）的斜率（f_B’）求得所述距离（a）。

30.按照权利要求28所述的车辆仪器，其特征在于，所述第二分析装置（25）构成为用于由所述经缩放的频率曲线的位于所述经缩放的频率曲线（13’、14’）的拐点（20）与远区（15、16）之间的频率值（f_B）求得所述距离（a）。

31.按照权利要求28所述的车辆仪器，其特征在于，所述第二分析装置（25）构成为用于由所述经缩放的频率曲线（13’、14’）在位于该频率曲线拐点（20）与远区（15、16）之间的一段（Δt）上的积分（F_B）求得所述距离（a）。

32.按照权利要求28至31之一所述的车辆仪器，其特征在于，所述车辆仪器时间离散地对于接收所述信号（10）的时间点（27i）处理所述频率曲线（13、14）。

33.按照权利要求28至32之一所述的车辆仪器，其特征在于，构造所述微分器（25），用于由所述距离（a’、a”、a’’’）确定多车道的公路（4）中所述车辆仪器（11）所处的行驶车道（5、6、6’）。

34.按照权利要求33所述的车辆仪器，其特征在于，所述车辆仪器具有发射器（8），并且所述发射器被构造为用于将关于所述经确定的行驶车道（5、6、6’）的信息发送到无线电信标（2）。

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