CN103901399B - 一种利用无源多波束天线进行定位的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用无源多波束天线进行定位的方法和系统，属于智能交通领域。现有的方法对一个车道中车辆位置的测量可以利用多个定位模块或者利用有源相控阵模块来进行。本发明所述的方法包括以下步骤：（1）利用无源的方式在一个定位模块中产生多个波束，采集到同一OBU（车载单元的）所发出的信号；（2）分别利用定位模块中的检波器及鉴相器得到各个波束的幅度及相位信号，并利用A/D采样进行数字化得到数字信号；（3）对数字信号进行处理，得到OBU的最终位置信息。采用本发明所述的方法和系统，可以实现自由流定位的需求，以较低成本，较简单的方式达到较高的定位精度。

Description

一种利用无源多波束天线进行定位的方法和系统

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种利用无源多波束天线进行定位的方法和系统。

背景技术

ETC系统（Electric Toll Collect，电子不停车收费）的出现，改变了传统人工收费的方式，使得车辆在通过高速公路、桥梁或隧道的收费站时，无需停车即可完成缴费的过程，大大提高了道路的利用率，提高了车辆的通行速度，降低了交通拥堵，在一定程度上减少了碳排放。同时也减少了收费站的人工需求，降低了收费车道的运营成本。不停车的收费方式被越来越多的国家和城市所采用。

随着经济的发展，城市车辆的快速增长导致的交通拥挤问题越来越严重。传统ETC采用单车道设置，一车一杆，车辆通行速度很难超过40km/h，且车道设备占用路面面积较大，不适于隧道、桥梁或宽度有限的收费路口。

而多车道自由流的收费方式不设置车道栏杆，多车道之间没有隔离，使得车辆通行速度进一步提高，收费站不再是道路拥堵的关卡。同时也降低了车道基础建设的成本和占用路面的面积，这尤其对路桥收费和隧道收费至关重要。另外，一些城市拥堵严重的国家，也采取多车道自由流的收费方式，实行拥堵收费，依照时间段对进入拥堵路段的车辆进行浮动收费，限制车辆数量，缓解拥堵状况。

多车道自由流是电子不停车收费的一种方式，它与传统ETC系统的区别是不划分车道，不使用栏杆。车辆直接通过而无需减速，可以任意并线行驶。对于自由流系统，其框架图如图1所示。

多车道自由流系统组成框图如图2所示，多车道自由流系统主要由以下几部分组成：车载电子标签OBU（On Board Unit，车载单元）、电子标签读写天线RSU（Roadside Unit，路测单元）、车辆检测与车型定位、图像抓拍与车牌识别、车道协调系统和结算后台。

安装OBU的车辆通过自由流收费站时，整个系统工作过程如下：

车型识别：车辆通过龙门架前，车辆检测与车型识别系统采用激光光栅扫描，获得通过的车辆在外形尺寸，判断车型，作为缴费金额的依据；

微波定位：通过接收OBU发射的射频信号，对OBU进行定位，配合车型识别功能一起，判断OBU上登记的车型与实际车型是否一致，若不一致则在后台记录，做违规处理；

标签读写：车辆进入RSU天线覆盖区域内，OBU被激活，开始与RSU进行认证通信。通常情况下，RSU在确认OBU合法后，记录该OBU的MAC号，作为缴费的依据，在后台系统中完成扣费，同时生成交易流水号；

图像抓拍：在进行通信交易的同时，图像抓拍系统抓拍车辆照片，并对图像进行车牌识别。抓拍图像同时也自动生成流水号（规则与交易流水号相同），与交易流水号匹配，自动转入保存；不能与交易流水号对应的图像，判定为违规车辆，作为费用追讨的依据。

自由流由于不限制来车的车道，又要对非法车辆进行稽查，所以需要对车辆及其所安装的OBU进行匹配，现有的匹配方法是用激光光栅对车体位置进行测量，同时用微波定位的方法对OBU的位置进行测量，将两者的位置进行匹配，以最终实现车辆和OBU的配对。

多车道自由流的收费方式已经受到许多国家和城市的关注，是未来智能交通领域的一个重要发展方向。在自由流的使用中提出了对车辆OBU进行定位的需求。现有的定位方案主要有两种：

第一种方案是将RSU在龙门架每间隔约1m安装一台，从每台RSU中提取OBU的幅度信息，通过相应算法得到OBU的位置信息。该方案的优点是单个模块的设计和实现较简单；该方案的缺点是需要的RSU模块数量很多，对于三车道需要约十个模块。各个模块的一致性要求很高，校准困难且模块级联的拓扑结构较复杂。

第二种方案是利用相控阵天线进行定位，即通过有源移相装置在不同时间点上实现多个波束，利用不同波束所得到的相位及幅度信息，通过相应算法实现定位。该方案的优点是模块数量较少，一个车道只需要一个，该方案的缺点是硬件难度大，成本高，产品平均无故障时间短，各个波束为时分，加大定位难度。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种利用无源多波束天线进行定位的方法和系统。该方法和系统能够利用无源多波束的方法实现自由流定位的需求，以较低成本，较简单的方式达到较高的定位精度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种利用无源多波束天线进行定位的方法，包括以下步骤：

（1）利用无源的方式在一个定位模块中产生多个波束，采集到同一OBU车载单元的信号；

（2）分别利用定位模块中的检波器及鉴相器得到各个波束的幅度及相位信号，并利用A/D采样进行数字化得到数字信号；

（3）对数字信号进行处理，得到OBU的最终位置信息。

进一步，步骤（1）中，利用无源的方式在一个定位模块中产生波束的数量为2至10个，优选的数量为3至8个。

进一步，步骤（2）中，在所有波束的幅度信息中寻找最大值，并加入其他波束所得到的幅度值作为辅助信息，利用拟合算法确定OBU车载单元相对于定位模块在方位面的偏转角度。

更进一步，步骤（2）中，对于相位信息，对于一个波长相位变化为2π，信号的波长为已知的λ，由公式ΔL=Δδ*λ/2π，由相位差Δδ可求得距离差ΔL，再通过平面几何算法由OBU相对于定位模块的方位面偏转角度求得OBU的位置。

一种利用无源多波束天线进行定位的系统，包括RSU路测单元、OBU车载单元，RSU包括了交易模块和定位模块，其中，所述的定位模块包括以下装置：多波束天线单元，与多波束天线单元连接的信号检波单元、信号鉴相单元，分别与信号检波单元、信号鉴相单元连接的检波A/D单元和鉴相A/D单元，与检波A/D单元和鉴相A/D单元连接的中央处理器CPU；

其中，多波束天线单元用于利用无源的方式产生多个波束；

信号检波单元用于提取各个波束所得到OBU信号的幅度信息；

信号鉴相单元用于提取各个波束所得到OBU信号的相位信息；

检波A/D单元和鉴相A/D单元用于实现模拟信号向数字信号的转换；

中央处理器CPU用于处理各波束幅度及相位的数字信号，通过相应的算法得到最终OBU位置坐标。

本发明的效果在于：采用本发明所述的方法，可以利用无源多波束的方案实现自由流定位的需求，以较低成本，较简单的方式达到较高的定位精度。

附图说明

图1是多车道自由流系统组成示意图；

图2是多车道自由流系统组成框图；

图3是本发明所述的利用无源多波束天线进行定位的方法流程图；

图4是本发明的系统结构图；

图5是本发明具体实施方式中采取的阵元方式为2×4阵列具体形式的的示意图；

图6是主瓣左偏15°方位面方向图；

图7是主瓣正向方位面方向图；

图8是主瓣右偏15°方位面方向图；

图9是OBU与各波束模块位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明提出的方法是，以相对简单的无源方式产生多个波束，在每个波束端口进行鉴相和检波，以实现对定位信息的提取。

如图4所示，一种利用无源多波束天线进行定位的系统，包括以下装置：RSU路测单元，用于ETC交易的路测端，实现与OBU的配对交易和对OBU的定位；

OBU车载单元，用于ETC交易的车载端，实现与RSU的配对交易；

RSU包括了交易模块、定位模块，定位模块又包括了多波束天线检波器、鉴相器、A/D采样器以及中央处理器CPU；

其中，多波束天线用于产生多个波束；

检波器用于提取各个波束所得到OBU信号的幅度信息；

鉴相器用于提取各个波束所得到OBU信号的相位信息；

A/D采样器实现模拟信号向数字信号的转换；

CPU用于处理各波束幅度及相位的数字信号，通过相应的算法得到最终OBU位置坐标。

本发明所涉及的是对OBU微波定位技术，如图3步骤S1-S8所示，一种利用无源多波束天线进行定位的方法，包括以下步骤：

（1）RSU发出交易发起信号；

（2）OBU返回交易响应信号；

（3）定位模块中检波器提取各个波束所得到OBU信号的幅度信息，A/D采样后将数字信号上传CPU，通过相应算法由各个信号幅度信息得到OBU位置；

（4）定位模块中鉴相器提取各个波束所得到OBU信号的相位信息,A/D采样后，将数字信号上传CPU，通过相应算法由各个信号相位信息得到OBU位置；

（5）综合两种算法所得到的结果得到最终OBU位置坐标，上传车道主控软件；

（6）车道软件通过比较车辆位置与OBU位置实现配对，完成定位。

本实施例中，如果无源波束的数目为N,则可以得到幅度信息A1、A2、A3…An；以及相位信息δ1、δ2、δ3…δn。实际应用过程中，N通常为2－10，优选为3－8，本实施例中N为3。由于在指向OBU的波束所得到的幅度信息最大，所以对于幅度信息，处理算法的思路为在所有幅度信息中寻找其最大值，并加入其他波束所得到的幅度值作为辅助信息，利用拟合算法确定OBU相对于定位模块在方位面的偏转角度。对于相位信息，由于各个波束相位中心在方位面存在固定的相对距离，OBU发出的信号到达各个波束相位中心的距离不同，产生相位差，对于一个波长相位变化为2π，信号的波长为已知的λ，由公式ΔL=Δδ*λ/2π由相位差可求得距离差，再通过平面几何算法由OBU相对于定位模块的方位面偏转角度求得OBU的位置。将幅度和相位得到的数据进行加权处理（权重通过实际测试效果进行修正），就可得到OBU相对多波束定位模块的角度信息。再综合各个定位模块的角度信息，找到偏转延长线的焦点即为OBU的位置信息，该位置信息不仅包含OBU在车道上的横向位置信息，也包含了距离龙门架的纵向位置信息。

本发明综合了已有的两种方案的优势，所具有的优点有：

1、模块数量较少，拓扑结构简单，一个车道只需要一台设备

2、模块硬件实现简单、成本低、稳定性高

3、天线一致性容易实现，可以控制相位中心尽量重合

4、同时对幅度和相位信息进行处理，提高定位精度

5、在得到横向定位信息的同事还能得到纵向定位的信息

多波束天线的实现方式可采用：喇叭、八木、微带、螺旋、抛物面等。

波束偏角的实现可以通过安装时的物理偏角实现，也可以通过有单元间存在相差的阵列实现。

偏转的角度从0度（法向）到90度（平行）。

由于产品低剖面、一致性、可加工性等考虑，微带天线是较理想的实现方式。本发明用微带阵列三波束微带天线举例，具体指标如下：

波束宽度40°（俯仰）×20°（方位）

驻波比小于1.5

波束指向-15°、0°、15°（方位面偏转）。

基于天线波束宽度的要求，本设计采取的阵元方式为2×4阵列具体形式如图5所示。

为保证单元间距为0.7倍的波长，现选单元横向间距为36mm、纵向间距为34mm。通过调整各个单元间相位关系可以进行波束指向调整。当各个单元相位一致时波束指向为法向；当单元间存在相差为68.9°时可以使波束指向为15°；当单元间存在相差为-68.9°时可以使波束指向为-15°。具体方向图如图6、图7、图8所示。

由以三个不同指向的方向图可知，对于以固定的角度的入射信号三个波束所得到的幅度信息是不同的，于是可以得到幅度差值对于入射角度的映射关系

OBU在一个位置发出的信号到达三个波束相位中心时，存在距离差如图9所示中的L1、L2。由于信号在空间传输的距离不同，距离差会产生各个波束鉴相器所得到的相位差，若1、2号波束存在相差δ1；2、3号波束存在相差δ2。由于L=λ*δ/2π。所以可由δ1、δ2求得L1、L2。又因为三个波束的间距已知，用平面几何的方法就可以求得信号源的位置。

以上描述了利用无源多波束定位模块完成定位的方法，以及无源多波束天线的实现方式。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种利用无源多波束天线进行定位的方法，包括以下步骤：

(1)利用无源的方式在一个定位模块中产生多个波束，采集到同一OBU(车载单元)的信号；

(2)分别利用定位模块中的检波器及鉴相器得到各个波束的幅度及相位信号，并利用A/D采样进行数字化得到数字信号；

(3)对数字信号进行处理，在所有波束的幅度信息中寻找最大值，并加入其他波束所得到的幅度值作为辅助信息，利用拟合算法确定OBU车载单元相对于定位模块在方位面的偏转角度；对于相位信息，对于一个波长相位变化为2π，信号的波长为已知的λ，由公式ΔL＝Δδ*λ/2π，由相位差Δδ可求得距离差ΔL，再通过平面几何算法由OBU相对于定位模块的方位面偏转角度求得OBU的位置，得到OBU的最终位置信息。

2.如权利要求1所述的一种利用无源多波束天线进行定位的方法，其特征是：步骤(1)中，利用无源的方式在一个定位模块中产生波束的数量为2至10个。

3.如权利要求2所述的一种利用无源多波束天线进行定位的方法，其特征是：步骤(1)中，利用无源的方式在一个定位模块中产生波束的数量为3至8个。

4.一种利用无源多波束天线进行定位的系统，包括RSU路测单元、OBU车载单元，RSU包括了交易模块和定位模块，其特征在于，所述的定位模块包括以下装置：多波束天线单元，与多波束天线单元连接的信号检波单元、信号鉴相单元，分别与信号检波单元、信号鉴相单元连接的检波A/D单元和鉴相A/D单元，与检波A/D单元和鉴相A/D单元连接的中央处理器CPU；

其中，多波束天线单元用于利用无源的方式产生多个波束；

信号检波单元用于提取各个波束所得到OBU信号的幅度信息；

信号鉴相单元用于提取各个波束所得到OBU信号的相位信息；

检波A/D单元和鉴相A/D单元用于实现模拟信号向数字信号的转换；

中央处理器CPU用于处理各波束幅度及相位的数字信号，通过相应的算法得到最终OBU位置坐标；对各个波束所得到OBU信号的幅度信息的处理方法是：在所有波束的幅度信息中寻找最大值，并加入其他波束所得到的幅度值作为辅助信息，利用拟合算法确定OBU车载单元相对于定位模块在方位面的偏转角度；对各个波束所得到OBU信号的相位信息的处理方法是：对于相位信息，对于一个波长相位变化为2π，信号的波长为已知的λ，由公式ΔL＝Δδ*λ/2π，由相位差Δδ可求得距离差ΔL，再通过平面几何算法由OBU相对于定位模块的方位面偏转角度求得OBU的位置。

5.如权利要求4所述的一种利用无源多波束天线进行定位的系统，其特征在于：多波束天线单元利用无源的方式产生波束的数量为2至10个。

6.如权利要求5所述的一种利用无源多波束天线进行定位的系统，其特征在于：多波束天线单元利用无源的方式产生波束的数量为3至8个。