CN103514636B - 定位天线、定位天线组件、路侧单元和dsrc应用系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种定位天线、定位天线组件、路侧单元和DSRC应用系统，定位天线包括至少三个接收天线，所述接收天线的等效相位中心都在一条直线上，且各接收天线的等效相位中心之间存在距离，其中至少一个所述距离d₁₂<λ，至少一个所述距离d₁₃>Nλ。本申请的定位天线能够利用其按照一定距离排布的至少三个接收天线接收来自OBU的微波信号，便于RSU对这些微波信号进行相应的处理后，利用相位差法计算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的精确的定位信息，用来判断OBU是否位于本RSU的天线覆盖区域内，从而有效解决邻道干扰和跟车干扰问题。

Description

定位天线、定位天线组件、路侧单元和DSRC应用系统

技术领域

本申请涉及智能交通（ITS：Intelligent Transportation System）领域，尤其涉及一种定位天线、定位天线组件、路侧单元和专用短程通信技术（DSRC：Dedicated ShortRange Communication）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：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:Multilanefree 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定位天线、定位天线组件、路侧单元和DSRC应用系统。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种定位天线，包括至少三个接收天线，所述接收天线的等效相位中心都在一条直线上，且各接收天线的等效相位中心之间存在距离，其中至少一个所述距离d₁₂<λ，至少一个所述距离d₁₃>Nλ，λ为所述微波信号的波长，N≥1。

一种实施例中，3≤N≤10。

一种实施例中，所述接收天线的相位中心方向相同。

一种实施例中，所述接收天线采用相同类型的天线或者天线阵列。

一种实施例中，所述接收天线的极化方式是线极化、圆极化或椭圆极化的一种或多种。

一种实施例中，所述接收天线的天线方向图的中心方向正对道路的来车方向。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种定位天线组件，包括两组以上所述的定位天线，分别为第一定位天线和第二定位天线，所述第一定位天线中接收天线的排布方向垂直于所述第二定位天线中接收天线的排布方向。

根据本申请的第三方面，本申请提供一种RSU，包括以上所述的定位天线。

根据本申请的第四方面，本申请提供一种DSRC应用系统，包括以上所述的RSU。

一种实施例中，所述专用短程通信应用系统为单车道带栏杆机ETC系统、单车道带栏杆机ETC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ETC系统、单车道带栏杆机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。

本申请的有益效果是：本申请的定位天线能够利用其按照一定距离排布的至少三个接收天线接收来自OBU的微波信号，便于RSU对这些微波信号进行相应的处理后，利用相位差法计算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的定位信息，所用到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RSU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RSU结构框图。

具体实施例

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本申请实施例中，定位天线包括至少三个接收天线，用于接收同一OBU发送的微波信号，同一定位天线中所有接收天线的等效相位中心之间存在一定距离，以满足本申请采用的定位方法的使用条件，便于RSU利用该定位方法计算微波信号所对应的方位角，并根据该方位角计算OBU的定位信息。

实施例一：

本实施例基于RSU与OBU之间的信息交互实现了车辆定位。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。

如图1和图2所示，本实施例的定位天线11设置在RSU室外单元，包括至少三个接收天线，这些接收天线都排布在同一直线上，接收天线排布在同一直线上是指这些接收天线的等效相位中心位于同一直线上，各个接收天线的等效相位中心之间存在一定距离，其中至少一个距离d₁₂<λ，至少一个距离d₁₃>Nλ，λ为微波信号的波长，N≥1。

例如本实施例选取定位天线11中三个接收天线1、接收天线2和接收天线3形成一个天线组，这三个接收天线依次排列，接收天线2位于接收天线1和接收天线3之间，或者三各接收天线还可按照其他顺序排列，接收天线1与接收天线2之间的距离d₁₂<λ，接收天线1与接收天线3之间的距离d₁₃>Nλ。

每个接收天线都对应于一个信号接收通路，其包括一个信号接收机12和一个鉴相模块13，信号接收机12用于对接收天线接收的信号进行预处理后输入相应的鉴相模块13，鉴相模块13用于获取各接收天线接收的微波信号对应的数字化相位信息，并将其输入数字处理模块14进行处理。信号接收机12、鉴相模块13和数字处理模块14都设置在RSU的室内单元。

例如对于接收天线11，其接收来自OBU的微波信号后，输入到对应的信号接收机12的输入口，此时各信号接收机12的射频开关21连到天线口上，能够将微波信号输入低噪声放大单元22进行低噪声放大，放大后的信号输入混频器23与本振28（各信号接收机采用同一本振28，该本振28提供的本振信号输入所有信号接收机中的混频器23输入口，输入功率和相位一致）混频变成一个中频信号，中频信号经过一次中放模块24进行第一次放大后进入滤波器25进行中频滤波，滤掉干扰信号，再进入二次中放模块26进行第二次放大，最后将中频信号输入鉴相模块13，为确保输出的中频信号幅度稳定，还增加自动增益控制模块27进行控制。鉴相模块13利用A/D转换模块31对中频模拟信号转换成数字信号后输入现场可编程门阵列（FPGA：Field－Programmable Gate Array）模块32，FPGA模块32从数字信号中采集接收天线1所接收的微波信号对应的数字化相位信息，最后输入数字处理模块14进行处理。

数字处理模块14是RSU实现定位功能的核心计算模块，用于根据鉴相模块14得到的数字化相位信息，通过比较算法进行相位比较后获取接收天线2相对于接收天线1的相位差以及接收天线3相对于接收天线1的相位差以及根据获取的相位差和结合距离d₁₂和d₁₃，计算出微波信号的方位角θ，即微波信号与天线阵列法线之间的夹角。最后根据方位角θ计算OBU的定位信息，具体地，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。

微波信号的方位角θ的具体计算过程推导如下：

当OBU沿图示方向向定位天线11发送一个微波信号时，微波信号的来波方向与天线阵列法线之间的夹角为θ，即微波信号的方位角。微波信号分别到达三个接收天线时，由于微波信号与接收天线之间距离比较远，属于接收天线远场区域，因此相当于微波信号平行到达各个接收天线，接收天线2接收的微波信号比接收天线1接收的微波信号的相位滞后即接收天线2相对于接收天线1的相位差为接收天线3接收的微波信号比接收天线1接收的微波信号的相位滞后即接收天线3相对于接收天线1的相位差为

本实施例中，由于d₁₂<λ,

则（公式一）

由于d₁₃>Nλ，

则（公式二）

其中，为通过相位比较获取相位差时的实际度数，由于因此该数值具有唯一性。

为了确定N值,可利用如下公式：

（公式三）

以上公式中，d₁₂和d₁₃已知，可通过相位比较得到实际读数，而可根据公式三计算得出。

在可接受的误差范围内，如果假设：

则可结合公式三得到以下公式以确定N：

（公式四）

考虑到中包含有信号接收通路中各项处理所造成的误差，由公式三计算出的的误差数值为的误差数值的因此通过公式三和公式二计算出的仅近似相等，无法完全相等，只要计算出的的误差在可接受范围内，就可以用结合公式二和公式四得到以下公式来确定θ：

（公式五）

以上推导过程中，由公式二可知，的数值与假设值之间的差值为N值越大，则的误差值越小，然而N值过大则d₁₃较大，导致定位天线的总长度增加而布局困难，因此可选取3≤N≤10，既能够确保一定的定位精度，又方便天线布局。

本实施例中，定位天线安装在车道上方正中的龙门架上，按直线排列的至少三个阵列接收天线与车道地面平行，各接收天线的天线方向图中心方向对着来车方向，以覆盖一个车道宽度为佳，例如在ETC车道中，每一车道安装一个定位装置。

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，应尽量选择相同类型的天线或天线阵列，且各接收天线的相位中心方向相同，接收天线的极化方式是线极化、圆极化或椭圆极化的一种或多种。例如本实施例的接收天线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。

实施例二：

与实施例一不同的是，实施例一具有一组定位天线，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组件包括至少两组定位天线，且不同定位天线中接收天线的排布方向相互垂直，例如除了得到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。

本申请以上实施例的定位天线和定位天线组都可使用在各类DSRC应用系统，这些系统都包括以上所述的路侧单元。

DSRC应用系统可包括单车道带栏杆机ETC系统、单车道带栏杆机ETC系统、单车道自由流系统或多车道自由流系统，定位天线设置在单车道带栏杆机ETC系统、单车道带栏杆机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。DSRC应用系统还可包括多种车辆监控系统，例如车辆测速系统、车型识别系统、图像识别系统、图像抓拍系统等车辆监控系统对车辆进行实时监控或违规稽查。基于本申请定位天线的定位方法准确、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。

本申请的定位天线还可用于其他多种技术领域，对除车辆以外的其他运动体进行准确定位。

本领域技术人员可以理解，上述实施例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例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)

1.一种路侧单元，其特征在于，包括一种定位天线，所述定位天线包括接收天线1、接收天线2和接收天线3，各接收天线的等效相位中心都在一条直线上,且各接收天线的等效相位中心之间存在距离，其中接收天线1和接收天线2之间的距离d₁₂＜λ，接收天线1和接收天线3之间的距离d₁₃＞Nλ，λ为微波信号的波长，N≥1，且3≤N≤10，所述路侧单元根据各接收天线确定车载单元的定位信息；其中，所述路侧单元通过比较算法进行相位比较后获取接收天线2相对于接收天线1的相位差接收天线3相对于接收天线1的相位差以及根据获取的相位差和接收天线1和接收天线2之间的距离d₁₂和接收天线1和接收天线3之间的距离d₁₃，计算出微波信号的方位角θ， 为通过相位比较获取相位差时的实际度数，最后根据方位角θ得到车载单元的定位信息。

2.如权利要求1所述的路侧单元，其特征在于：各接收天线的相位中心方向相同。

3.如权利要求1所述的路侧单元，其特征在于：各接收天线采用相同类型的天线或者天线阵列。

4.如权利要求1所述的路侧单元，其特征在于：各接收天线的极化方式是线极化、圆极化或椭圆极化的一种或多种。

5.如权利要求1所述的路侧单元，其特征在于，包括至少两组所述定位天线，分别为第一定位天线和第二定位天线，所述第一定位天线中接收天线的排布方向垂直于所述第二定位天线中接收天线的排布方向。

6.一种专用短程通信应用系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的路侧单元。

7.如权利要求6所述的专用短程通信应用系统，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、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不停车收费系统、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.如权利要求6所述的专用短程通信应用系统，其特征在于，所述专用短程通信应用系统包括车辆检测系统、车辆测速系统、车型识别系统、图像识别系统、图像抓拍系统中的至少一个。