CN104090264B - 一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及的是一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法。主要分为七个步骤：1.在无车辆经过时超宽带射频标签RF‑Tag不工作，而是进行卫星差分定位；当有车辆经过时，射频读卡器RF‑Reader发射信号激活RF‑Tag；2.RF‑Tag向RF‑Reader发射超宽带信号；3.计算出车载单位OBU与每个RF‑Tag的距离d_i；4.根据距离di进行相对定位得到车辆的相对坐标L₁5.根据RF‑Tag的经纬度和L₁得到车辆当前的经纬度L；6.根据经纬度L及卫星定位实时信息得到差分信息D，并保存到OBU内存；7.在后续无RF‑Tag的区域，使用差分信息D进行卫星差分定位。本发明可以适应高速公路特殊环境，实现车辆精确定位，为避免高速公路上车辆连环碰撞提供高精度的位置信息。

Description

一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及的是一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UWB等，在办公室、家庭、工厂、公园等方面得到了广泛应用。

UWB(Ultra Wide Band，超宽带)无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从0到数十GHz的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线系统可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、系统复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，特别是在精确测距和定位、短距离高速通信(100Mbps–1Gbps)、雷达探测、防侦听抗干扰保密通信等多个军用和民用领域均有广泛的应用前景。

目前我国高速公路通车里程已超过美国跃居世界第一，高速公路上的交通事故较以往也更为频繁。高速公路上车辆的行驶速度高、能量大、冲击强，一旦发生事故，一般为群死群伤的恶性交通事故。因此，高速公路交通安全是交通行业主动安全领域急需解决的重要问题。

目前国内外高速公路交通安全的研究成果大都集中在后车根据测距、测速结果和安全行驶模型实现的单车碰撞预警系统，无法实现多车的连环碰撞预警。如果只获得相邻车辆的直视距离是无法解决车辆连环碰撞的，只有获得了远距离多辆车的精确位置信息，并根据相对车速、加速度、距离等进行联合判断才有可能实现多车辆的连环碰撞预警，从而降低高速公路车祸尤其是连环追尾碰撞事故的发生率。

但是现有的精确定位系统，例如RTK(Real-Time Kinematic，实时动态差分定位)、CORS(Continuous Operational Reference System，连续运行参考系统)等GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球卫星导航系统)定位，由于地域跨度小、资费高等均不适合在高速公路这样跨地区的、大量终端并存的、缺少供电的交通行业应用。

如何获得车辆的精确位置信息是避免高速公路上车辆连环碰撞亟待解决的关键问题之一。因此，本发明提出了一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法。

发明内容

鉴于目前传统的精确定位系统不适合应用在高速公路场景中，本发明提出了一种应用在高速公路场景中一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法，从而可以为避免高速公路上车辆连环碰撞提供高精度的位置信息。

本发明的技术方案如下：

1.一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法，其特征在于OBU(On-BoardUnit，车载单元)设备中的RF-Reader(Radio Frequency Reader，射频读卡器)定时地发送激活信号，如果高速公路路肩上的超宽带RF-Tag(Radio Frequency Tag，射频标签)被激活则执行步骤1)进行基于UWB无源射频标签的定位，否则执行步骤2)使用DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System，差分全球卫星导航系统)进行定位：

1)基于UWB无源射频标签的定位

①RF-Tag向RF-Reader发射UWB定位信号和数据帧，帧中包括道路信息、RF-Reader之间的相对距离m_i,i+1和RF-Tag的精确经纬度坐标L₀；

②RF-Reader收到信号后，进行基于UWB的相对定位得到车辆的相对坐标L₁，同时提取RF-Tag的精确经纬度坐标L₀，进而根据L₀和L₁通过坐标变换计算得到车辆的经纬度坐标L，计算方法为：

OBU根据测得的高速公路路肩上多个RF-Tag发射的UWB射频信号的多普勒频移f_i以及车辆速度ν，利用公式(1)～(4)计算出OBU与每个RF-Tag的距离d_i

${\cos \mathrm{\θ}}_i=\frac{m_i}{\sqrt{m_i^2+d^2}}$ (i＝1,2,3,…,N) (1)

$f_i=\frac{2v\cos {\mathrm{\θ}}_i}{\mathrm{\λ}}$ (i＝1,2,3,…,N) (2)

m_i，i+1＝m_i+1-m_i (i＝1,2,3,…,N-1) (3)

$d_i=\sqrt{m_i^2+d^2}$ (i＝1,2,3,…,N) (4)

根据得到的OBU与每个RF-Tag的距离d_i和已知的每个RF-Tag的相对坐标(X_i,Y_i,Z_i)，利用公式(5)进行相对定位，得到车辆相对于RF-Tag的相对坐标L₁即(x,y,z)，

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2+{(Z_1-z)}^2}\\ \sqrt{{(X_2-x)}^2+{(Y_2-y)}^2+{(Z_2-z)}^2}\\ \·\·\·\·\·\·\\ \sqrt{{(X_N-x)}^2+{(Y_N-y)}^2+{(Z_N-z)}^2}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ \·\·\·\\ d_N\end{array}\right\}---\left(5\right)$

式中，N为路肩上该簇RF-Tag的数量，d为OBU到RF-Tag的垂直距离，d_i为OBU到第i个RF-Tag的直线距离，m_i为第i个RF-Tag与OBU在路肩方向的水平距离，m_i,i+1为相邻的第i个RF-Tag与第i+1个RF-Tag的距离，ν为车辆行驶速度，f_i为OBU测得的第i个RF-Tag发射的UWB信号的多普勒频移，θ_i为OBU相对第i个RF-Tag的径向方向与行驶方向的夹角，(x,y,z)是车辆即OBU目前相对于RF-Tag的相对坐标L1，(X_i,Y_i,Z_i)是已知的第i个RF-Tag的相对坐标；

③检测此时是否能接收到GNSS信号，如果不能接收则本次定位结束，定位结果为经纬度坐标L，否则进行非差分的GNSS定位得到经纬度坐标L’；

④非差分定位结果L’与UWB射频标签定位结果L进行比对，得到卫星定位差分信息D；

⑤将差分信息D保存到OBU内存以备在步骤2)中使用，此时本次定位结束，结果为经纬度坐标L；

2)基于DGNSS进行定位

从OBU内存中取出卫星定位差分信息D，进行DGNSS定位，得到车辆的经纬度坐标L；

2.进一步，上述步骤1)中，安装在路基上的超宽带RF-Tag是无源的，而且是成簇安装的，每簇之间的距离不超过20公里，每簇最少安装4个RF-Tag，第一个RF-Tag与最后一个RF-Tag的距离不超过UWB信号传播距离的2倍，约为150米；

3.进一步，上述步骤1)中，在激活阶段RF-Reader不使用UWB，而采用传统的UHF(Ultra High Frequency，超高频)向RF-Tag发送无线信号；当激活后，由RF-Tag向RF-Reader发送的定位、通信信号时使用的是UWB信号。

本发明可以适应高速公路下的特殊定位环境和要求，实现精确的车辆定位。通过无源超宽带射频标签解决高速公路没有供电的问题，通过RF-Tag簇解决海量设备安装维护低成本的问题，通过多普勒频移解决车辆高速移动的问题，在OBU端根据UWB精确估计的相对坐标与RF-Tag已知的经纬度坐标获取GNSS差分参考点的坐标、根据该参考点坐标以及此刻的GNSS信息生成在下一段无RF-Tag区间进行DGNSS定位的差分信息，从而可以消除公共的卫星时钟误差、大气对流层、电离层等造成的公共误差，最终实现精确的车辆定位。

附图说明

图1为高速公路车辆精确定位模型工作流程图；

图2为以成簇形式安装在高速公路路肩上的RF-Tag示意图；

图3为基于超宽带无源射频标签实现相对定位的示意图；

具体实施方式

以下结合图例，对本发明进行详细说明。

1.基于UWB无源射频标签的定位模型

传统的基于UWB的定位以及传统的GNSS差分定位都需要有源的参考基站提供信号，但是在高速公路中不适合使用有源的参考基站，所以本发明采用的是无源、只读RF-Tag，由于RF-Tag不需要电源或电池，所以可以解决高速公路无电源的问题；同时，无源RF-Tag几乎不需要维护且使用寿命长，所以可节省大量的人力物力。

拟采用的协同定位模型流程图如图1所示(虚线为信息流，实线为工作流)。

1)在没有车辆经过的时候，安装在高速公路路肩上的RF-Tag(Radio FrequencyTag，射频卡)不工作，此时安装在车辆上的OBU(On-Board Unit，车载单元)使用DGNSS进行定位；当有车辆经过时，OBU设备中的RF-Reader(Radio Frequency Reader，射频读卡器)发射的激活信号可以激活高速公路路肩上的RF-Tag。

2)RF-Tag被激活获得充足的能量后，向RF-Reader发射UWB信号以及包含道路信息、RF-Reader之间的相对距离m_i,i+1和RF-Tag的精确经纬度坐标L₀的帧，这些信息是安装时内置在每个RF-Tag里的。

3)由于UWB信号的波长λ和RF-Tag之间的距离m_i,i+1是已知的，OBU再根据测得的高速公路路肩上成簇安装(如图2所示)的相邻的多个RF-Tag发射的UWB射频信号的多普勒频移f_i以及车辆自身采集的速度信息ν，利用公式(1)～(4)可以计算出OBU与每个RF-Tag的距离d_i(几何关系对照图如图3所示)。

4)根据得到的OBU与每个RF-Tag的距离d_i和已知的每个RF-Tag的相对坐标(X_i,Y_i,Z_i)，利用公式(5)进行相对定位，得到车辆相对于RF-Tag的相对坐标L₁即(x,y,z)。

5)由于RF-Tag的经纬度坐标L₀是已知且准确的，误差为毫米级，而根据UWB测得的OBU的相对坐标的精度理论上可以达到厘米级，所以根据L₀和L₁进行坐标转换从而得到车辆当前所在的准确经纬度坐标L。

6)根据估计出的经纬度坐标L以及当前GNSS的实时信息可以得到GNSS差分信息D，并保存到OBU内存。

7)在后续的高速公路路基上没有RF-Tag的区域，即无法进行UWB精确定位时，则使用最近一次的差分信息D进行DGNSS定位。

2.RF-Tag的激活

由于UWB信号功率很低，所以为了能够给RF-Tag快速、足量充电，在激活阶段不使用UWB，而采用传统的UHF向RF-Tag发送无线信号；相反当激活后，为了充分利用UWB的低功耗、穿透能力强、定位精度高、传输速率高、抗多径能力强、可以在金属附近正常工作等特性，由RF-Tag向RF-Reader定位、通信时采用UWB信号。

3.基于UWB无源射频标签的相对定位方法

图3给出了RF-Reader接收来自路肩一侧UWB信号的定位示意图。假设高速公路为双向4车道，矩形代表在路肩铺设的RF-Tag，d为车辆到RF-Tag的垂直距离，ν为车辆行驶速度，θ_ι为车辆相对第i个RF-Tag的径向方向与行驶方向的夹角，m_i为第i个RF-Tag与车辆行驶方向的水平距离，f_i为车辆相对第i个RF-Tag的多普勒频移。传统的基于TOA(Time ofArrival)、RSSI(Received Signal Strength Indication)、TDOA(Time Difference ofArrival)的测距定位算法由于未考虑车辆通信的复杂电磁、非视距、高速运动环境，所以并不适合用在RF-Reader的测距定位。因此，本发明利用的是UWB信号的多普勒频移实现测距定位。

如图2所示，根据几何关系，可以得到公式(1)和(4)，由于车辆相对于RF-Tag是移动的，所以可以根据检测到的多普勒频移得到f_i，同时f_i满足公式(2)因为相邻两个RF-Tag的距离m_i,i+1也是已知的，固化在第i个RF-Tag里，所以可以得到公式(3)。另外，在OBU中，根据CAN(Controller Area Network，由德国BOSCH公司开发，并最终成为国际标准)总线，或者直接接入速度信号线可以获得准确的车速v；发射信号的波长λ是已知的。将这些已知量代入公式(1)～(4)，即可得到车辆相对于Ν个RF-Tag的相对坐标(定位精度理论上可以达到厘米级)。因为RF-Tag的经纬度坐标是预设的，所以根据得到的厘米级的相对坐标和RF-Tag的准确经纬度坐标即可得到当前车辆的高精度的经纬度坐标；根据距离d，即可推算出车辆所处的车道信息。

获得经纬信息后，OBU将该信息广播至邻近的其他车辆，这样邻近的车辆即可得知该车的位置，从而实现车辆连环碰撞预警。

4.基于自差分的GNSS定位方法

传统的GNSS差分定位需要架设参考基站，例如在RTK定位中，RTK基站架设在一个已知坐标值的固定点上，RTK基站将采集到的卫星差分信息通过无线电台或者移动数据网发送至待定位端。这种方式在高速公路中并不适合，首先是因为高速公路距离长，待定位端和基准站之间的距离对精度有决定性的影响，距离越大精度越低，其次是难以解决的电源及无线电台的问题。

而本发明采用的是自差分定位方式，不需要有源的RTK基站，即RF-Tag的地理位置结合UWB相对定位推算出的经纬度作为OBU的精确位置，将该精确位置与OBU端的GNSS定位信息进行演算得到差分信息，进而可以消除公共的卫星时钟误差、大气对流层、电离层等引起的误差。在后续的无RF-Tag区域，则根据该差分信息进行GNSS定位。

5.RF-Tag簇

为了降低车辆定位系统的安装成本，同时考虑到差分信息与距离的相关性，所以RF-Tag成簇安装(如图2所示)，每组之间的距离建议不超过20km。每簇中最少安装4个RF-Tag，第一个RF-Tag与最后一个RF-Tag的距离不超过UWB信号传播距离的2倍。

在GNSS信号差的路段，可以使用增大路边RF-Tag簇密度的方式实现基于UWB的相对定位并结合当前RF-Tag的经纬度坐标得到车辆的精确位置；在GNSS信号强的路段可以减少甚至没有RF-Tag簇，此时使用DGNSS即可得到较高的定位精度。

Claims (1)

1.一种基于超宽带无源射频标签的车辆定位方法，其特征在于OBU(On-Board Unit，车载单元)设备中的RF-Reader(Radio Frequency Reader，射频读卡器)定时地发送UHF(Ultra High Frequency，超高频)激活信号，如果高速公路路肩上的超宽带RF-Tag(RadioFrequency Tag，射频标签)被激活则执行步骤1)RF-Tag向RF-Reader发送UWB(Ultra WideBand，超宽带)定位、通信信号，进行基于UWB无源射频标签的定位，否则执行步骤2)使用DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System，差分全球卫星导航系统)进行定位：

1)基于UWB无源射频标签的定位

①路肩上无源的超宽带RF-Tag是成簇安装的，每簇之间的距离不超过20公里，每簇最少安装4个RF-Tag，第一个RF-Tag与最后一个RF-Tag的距离不超过UWB信号传播距离的2倍，约为150米；RF-Tag向RF-Reader发射UWB定位信号和数据帧，帧中包括道路信息、RF-Tag之间的相对距离m_i,i+1和RF-Tag的精确经纬度坐标L₀；

②RF-Reader收到信号后，进行基于UWB的相对定位得到车辆的相对坐标L₁，同时提取RF-Tag的精确经纬度坐标L₀，进而根据L₀和L₁通过坐标变换计算得到车辆的经纬度坐标L，计算方法为：

OBU根据测得的高速公路路肩上多个RF-Tag发射的UWB射频信号的多普勒频移f_i、车辆速度ν，以及已知的UWB发射信号的波长λ和RF-Tag之间的相对距离m_i,i+1，利用公式(1)～(4)计算出OBU与每个RF-Tag的距离d_i

${\mathrm{cos\θ}}_i=\frac{m_i}{\sqrt{m_i^2+d^2}}---\left(1\right)$

$f_i=\frac{2{\mathrm{vcos\θ}}_i}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

m_i,i+1＝m_i+1-m_i (3)

$d_i=\sqrt{m_i^2+d^2}---\left(4\right)$

上述公式(1)、(2)、(4)中i的取值范围为1,2,3,…,N，公式(3)中i的取值范围为1,2,3,…,N-1，根据得到的OBU与每个RF-Tag的距离d_i和已知的每个RF-Tag的相对坐标(X_i,Y_i,Z_i)，利用公式(5)进行相对定位，得到车辆相对于RF-Tag的相对坐标L₁即(x,y,z)，

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2+{(Z_1-z)}^2}\\ \sqrt{{(X_2-x)}^2+{(Y_2-y)}^2+{(Z_2-z)}^2}\\ \mathrm{......}\\ \sqrt{{(X_N-x)}^2+{(Y_N-y)}^2+{(Z_N-z)}^2}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ ...\\ d_N\end{array}\right\}---\left(5\right)$

式中，N为路肩上该簇RF-Tag的数量，d为OBU到RF-Tag的垂直距离，d_i为OBU到第i个RF-Tag的直线距离，m_i为第i个RF-Tag与OBU在路肩方向的水平距离，m_i,i+1为相邻的第i个RF-Tag与第i+1个RF-Tag的距离，ν为车辆行驶速度，f_i为OBU测得的第i个RF-Tag发射的UWB信号的多普勒频移，θ_i为OBU相对第i个RF-Tag的径向方向与行驶方向的夹角，(x,y,z)是车辆即OBU目前相对于RF-Tag的相对坐标L₁，(X_i,Y_i,Z_i)是已知的第i个RF-Tag的相对坐标；

③检测此时是否能接收到GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)信号，如果不能接收则本次定位结束，定位结果为经纬度坐标L，否则进行非差分的GNSS定位得到经纬度坐标L’；

④非差分定位结果L’与UWB射频标签定位结果L进行比对，得到卫星定位差分信息D；

⑤将差分信息D保存到OBU内存以备在步骤2)中使用，此时本次定位结束，结果为经纬度坐标L；

2)基于DGNSS进行定位

从OBU内存中取出卫星定位差分信息D，进行DGNSS定位，得到车辆的经纬度坐标L。