CN103514638B - 一种基于dsrc技术的定位装置、rsu和应用系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于DSRC技术的定位装置、RSU和应用系统，定位装置包括：至少一个定位天线，所述定位天线包括至少三个接收天线；信号接收机：用于分别将所述接收天线接收的来自同一车载单元的微波信号输入鉴相模块；鉴相模块：用于分别获取所述接收天线接收的微波信号对应的数字化相位信息;数字处理模块：用于根据所述接收天线接收的微波信号之间的相位差计算所述微波信号的方位角θ，并根据所述方位角θ计算所述车载单元的定位信息。本申请的定位装置定位精度较高，能够有效解决邻道干扰和跟车干扰问题，确保DSRC应用系统的正常运行。

Description

一种基于DSRC技术的定位装置、RSU和应用系统

技术领域

本申请涉及智能交通（ITS：IntelligentTransportationSystem）领域，尤其涉及一种基于专用短程通信技术（DSRC：DedicatedShortRangeCommunication）技术的定位装置、RSU和应用系统。

背景技术

在电子不停车收费（ETC：ElectronicTollCollection）系统，设置在道路上的路侧单元（RSU：RoadSideUnit）与安装在车辆上的车载单元（OBU：On-boardUnits）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:Multilanefreeflow）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、基于DSRC技术的定位装置、RSU和应用系统。

根据本申请的第一方面，本申请提供基于专用短程通信技术的定位装置，包括：

至少一个定位天线，所述定位天线包括至少三个接收天线；

信号接收机：用于分别将所述接收天线接收的来自同一车载单元的微波信号输入鉴相模块；

鉴相模块：用于分别获取所述接收天线接收的微波信号对应的数字化相位信息;

数字处理模块：用于根据所述接收天线接收的微波信号之间的相位差计算所述微波信号的方位角θ，并根据所述方位角θ计算所述车载单元的定位信息。

一种实施例中，所述定位天线中的所有接收天线的等效相位中心在一条直线上，所述定位天线中任选三个接收天线组成天线组，所述天线组中第一个接收天线的等效相位中心与第二个接收天线的等效相位中心之间的距离为d₁₂、与第三个接收天线的等效相位中心之间的距离为d₁₃；

所述数字处理模块具体用于根据所述数字化相位信息，获取等效相位中心之间的距离为d₁₂的两个接收天线之间的相位差以及等效相位中心之间的距离为d₁₃的两个接收天线之间的相位差结合距离d₁₂和d₁₃，计算所述微波信号的方位角θ，并根据所述方位角θ计算所述车载单元的定位信息。

一种实施例中，所述定位天线中，d₁₂<λ，d₁₃>Nλ，λ为所述微波信号的波长，N≥1；所述数字处理模块中获取的 为获取相位差时的实际度数，则采用以下公式计算所述微波信号的方位角θ：

一种实施例中，所述定位天线中，3≤N≤10。

一种实施例中，所述鉴相模块包括相互连接的A/D转换单元和现场可编程门阵列（FPGA：Field－ProgrammableGateArray）单元：A/D转换单元用于将各接收天线接收的微波信号分别转换成数字信号，现场可编程门阵列单元用于根据所述数字信号获取各接收天线所接收的微波信号对应的相位相关信息。

一种实施例中，所述定位天线具有多个不同的天线组；所述数字处理模块用于计算多个天线组所对应的所述微波信号的方位角θ，以及根据多个天线组所对应的所述微波信号的方位角θ的均值计算所述车载单元的定位信息。

一种实施例中，所述定位天线具有至少两组，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；所述数字处理模块用于计算所述微波信号在至少两个方向的所述方位角θ，所述车载单元的定位信息包括至少两个方向的定位信息。

一种实施例中，还包括天线校准模块，用于对各接收天线对应的信号接收通路进行幅相校准。

根据本申请的第二方面，本申请还提供了一种路侧单元，包括以上所述的定位装置。

根据本申请的第三方面，本申请还提供了一种专用短程通信应用系统，包括以上所述的路侧单元。

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电子不停车收费系统、多车道带栏杆机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电子不停车收费系统、多车道带栏杆机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。

一种实施例中，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。

本申请的有益效果是：本申请基于DSRC技术、利用相位差法计算OBU发送的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，该定位装置不易受到信号多径衰落的影响，精度较高，当该定位技术用于车辆定位时，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定位装置结构框图；

图3为本申请一种实施例的定位装置处理微波信号的原理图；

图4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，RSU的定位天线利用至少三个接收天线接收同一OBU发送的微波信号，并利用相位差法计算该微波信号所对应的方位角，从而根据该方位角计算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室外单元具有接收天线，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至4所示，本申请的定位装置100主要包括定位天线11、信号接收机12、鉴相模块13和数字处理模块14。

其中，定位天线11包括至少三个接收天线，所有接收天线都排布在一条直线上，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还存在一定距离。这些接收天线形成至少一个三个任选的接收天线组成的天线组，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或者按照其他顺序排列。接收天线1的等效相位中心与接收天线2的等效相位中心之间的距离为d₁₂、接收天线1的等效相位中心与接收天线2的等效相位中心之间的距离为d₁₃。每个接收天线都对应于一个包括信号接收机12和一个鉴相模块13的信号接收通路或称为定位通路。

信号接收机12，用于对接收天线接收的微波信号进行预处理后输入相应的鉴相模块13，预处理主要包括微波信号的放大、变频和滤波处理。具体地，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，具体地，鉴相模块13包括相互连接的A/D转换单元31和FPGA模块32，A/D转换单元31用于将各接收天线接收的微波信号分别转换成数字信号，FPGA模块32用于根据数字信号获取各接收天线所接收的微波信号对应的相位相关信息。例如本实施例首先将信号接收机12预处理后的中频信号输入鉴相模块13的A/D转换模块31将中频模拟信号转换成数字信号，再将数字信号输入FPGA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。

数字处理模块14用于根据各鉴相模块14得到的数字化相位信息，获取天线组中第二接收天线相对于第一接收天线的相位差以及第三接收天线相对于第一接收天线的相位差以及用于根据获取的相位差和结合距离d₁₂和d₁₃，计算微波信号的方位角θ，即微波信号的来波方向与天线阵列法线之间的夹角为θ。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。

本实施例的信号接收机12将接收天线接收的高频微波信号通过变频处理转换为中频信号后，更加容易进行信号的比相,具体的变频处理中，通常将各个接收天线接收的高频信号经与同一本振信号进行差频处理后得到中频信号。

假设任两个接收天线接收到的高频信号分别为：

u2=U2cos(ωt)

本振信号为：

其中，为两高频信号u2与u1之间的相位差，ωL为本振信号的初相。

则对u1和uL进行差频处理得：

则对u2和uL进行差频处理得：

可见，变频处理后，两中频信号uL2与uL1之间的相位差仍为并未发生变化。

本实施例的定位天线中，设置天线组中接收天线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，N≥1，以满足本实施例采用的定位计算方法的使用条件。则信息处理模块14中计算微波信号的方位角θ的具体过程推导如下：

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。

以上实施例中，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100。

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。

本实施例中，所有信号接收机12、鉴相模块13和信号处理模块14都设置在RSU的室内单元，RSU的室内单元还包括与各个信号接收机12连接的幅相校准模块29，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接收天线对应的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。

实施例二：

与实施例一不同的是，本实施例的定位装置100中，数字处理模块14还可采用其他方式计算微波信号的方位角θ，例如定位天线的天线组中，将接收天线1设置在接收天线2与接收天线3之间时，首先由：

（公式六）

（公式七）

计算得到相位差与之间的差值

（公式八）

由于可由获取的相位差和相减得到，则就可以用公式八得到以下公式来确定θ：

（公式九）

实施例三：

本实施例的定位天线包括四个以上的接收天线，因此这些接收天线形成的不同的天线组具有多个，本实施例可根据具体需要选择多个天线组，数字处理模块14用于按照实施例一或实施例二的方式计算各天线组所对应的微波信号的方位角θ，得到多个方位角θ的数值，由于测量、数据处理和计算误差，这些数值之间必然存在一定差异，因此数字处理模块14取多个天线组所对应的微波信号的方位角θ的均值，即对所有计算出方位角θ的数值求和后取平均值，并利用均值计算OBU的定位信息，从而提高计算精度。

实施例四：

与以上不同的是，以上各实施例都仅具有一组定位天线，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，即还可增加沿垂直于道路延伸方向（横向）的一组定位天线，两组定位天线中都具有天线组，且两组天线中接收天线所接收的微波信号分别采用以上实施例的方法，依次经过鉴相步骤、相位差计算步骤和定位步骤后，在定位步骤中除了得到OBU的纵向位置坐标，还可新增加的定位天线接收的微波信号与天线阵列法线之间的夹角，将其作为OBU的倾斜角即可计算出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。

实施例五：

以上实施例的定位装置100形成RSU的定位通路，如图4所示，本实施例的RSU还包括信号收发通路，包括依次相连的收发天线15、信号接收机16、调制/解调模块17、编码/解码模块18和核心处理模块19，定位装置100中的数字处理模块14还与核心处理模块19相连，用于将得到的OBU的定位信息输入核心处理模块19。

其中，收发天线15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，根据覆盖区域的不同具体选择不同的天线结构。定位天线中的接收天线与收发天线15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15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16用于对来自调制/解调模块17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/解调模块17。

调制/解调模块17用于对RSU下行微波信号进行调制后发送到信号接收机16，以及对OBU应答返回的微波信号进行解调后输入编码/解码模块18。

编码/解码模块18用于对RSU下行微波信号进行FM0编码后发送到调制/解调模块17，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模块19。

核心处理模块19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。核心处理模块19还与幅相校准模块29信号连接，用于在接收天线的空闲时间向幅相校准模块29发送指令对各接收天线对应的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。例如当本实施例的OBU用于ETC系统时，核心处理模块19可根据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，则根据获得的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。

本申请以上实施例的定位装置100和OBU可广泛适用于各类DSRC应用系统，例如单车道带栏杆机ETC系统、多车道带栏杆机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、多车道带栏杆机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，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。

本申请的定位装置基于SDRC技术、采用相位差原理对车辆进行定位，与常用的雷达、全球定位系统(GPS：GlobalPositioningSystem)等其他定位技术相比，在ETC系统等各类与车辆进行短程通信的应用场景中具有更好的适用性。例如对于雷达定位技术，其利用反射信号实现了被动式远程车辆定位，具体地，车辆接收波束信号后对其进行反射，定位系统根据反射的波束信号进行定位，然而，这种定位方式在近距离环境下使用时精度极低，且严格要求信号的入射和反射路径中不能具有障碍物，因此根本无法适用于ETC系统等各类与车辆进行短程通信的应用场景。且本申请与根据各接收天线接收的微波信号的场强强度大小进行定位的方式相比，本申请不易受到信号多径衰落的影响，因此提高了定位精度。

本申请的定位方法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 (10)

1.一种基于专用短程通信技术的定位装置，其特征在于，包括：

至少一个定位天线，所述定位天线包括至少三个接收天线；

信号接收机：用于分别将所述接收天线接收的来自同一车载单元的微波信号输入鉴相模块；

鉴相模块：用于分别获取所述接收天线接收的微波信号对应的数字化相位信息；

数字处理模块：用于根据所述接收天线接收的微波信号之间的相位差计算所述微波信号的方位角θ，并根据所述方位角θ计算所述车载单元的定位信息；

所述定位天线中的所有接收天线的等效相位中心在一条直线上，所述定位天线中任选三个接收天线组成天线组，所述天线组中第一个接收天线的等效相位中心与第二个接收天线的等效相位中心之间的距离为d₁₂、与第三个接收天线的等效相位中心之间的距离为d₁₃；

所述数字处理模块具体用于根据所述数字化相位信息，获取等效相位中心之间的距离为d₁₂的两个接收天线之间的相位差以及等效相位中心之间的距离为d₁₃的两个接收天线之间的相位差结合距离d₁₂和d₁₃，计算所述微波信号的方位角θ，并根据所述方位角θ计算所述车载单元的定位信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述定位天线中，d₁₂＜λ，d₁₃＞Nλ，λ为所述微波信号的波长，N≥1；所述数字处理模块中获取的 为获取相位差时的实际度数，则采用以下公式计算所述微波信号的方位角θ：

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位天线中，3≤N≤10。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位天线中具有多个不同的所述天线组；所述数字处理模块用于计算多个天线组所对应的所述微波信号的方位角θ，以及根据多个天线组所对应的所述微波信号的方位角θ的均值计算所述车载单元的定位信息。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位天线具有至少两组，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；所述数字处理模块用于计算所述微波信号在至少两个方向的所述方位角θ，所述车载单元的定位信息包括至少两个方向的定位信息。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括天线校准模块，用于对各接收天线对应的信号接收通路进行幅相校准。

7.一种路侧单元，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的定位装置。

8.一种专用短程通信应用系统，其特征在于，包括权利要求7所述的路侧单元。

9.如权利要求8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、多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。

10.如权利要求8所述的系统，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。