CN106205136A - 基于uwb的车辆定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于UWB的车辆定位系统及定位方法，该定位系统包括：设置于车辆上的UWB电子标签；间隔布置于停车区域的复数个UWB基站；用于根据来自至少三个UWB基站的参数值确定车辆的位置信息的处理装置。该定位方法包括：接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟；接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号；接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置。本发明具有定位精度高，稳定性好等优点。

Description

基于UWB的车辆定位系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆定位系统及方法，更具体地说，涉及一种基于UWB的车辆定位系统和定位方法，主要用于停车场、场站、路边/路内停车区域的停车自动收费领域。

背景技术

随着机动车辆的激增，停车场的智能管理需求越来越迫切。全球定位系统(GPS)是目前应用最成功的定位技术，但是对于室内近距离定位，其精度远远达不到要求。基于广泛普及的无线局域网(WLAN)的通信技术，如Zigbee、RFID、WiFi、蓝牙技术等也提供了多样的定位服务。基于ZigBee的定位技术主要是采用接收信号强度指示(RSSI)来实现，定位精度不高，一般在3～5m。基于RFID的定位技术是通过射频识别标签(Tags)或者无线收发器来存储和非接触地发送数据来进行自动身份辨认的技术。RFID应用于定位主要分为两种方式：一种是位置感知(Location-aware)方式，另一种是基于RSSI方式。为了达到较高的精度，通常需要大量的参考点和检测天线，同时不同的环境对无线能量传播的影响是必须考虑的因素，在定位算法中还存在着不容易确定的参数。当前比较流行的WiFi定位是IEEE802.11的一种定位解决方案，目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低，但WiFi收发器只能覆盖半径90m以内的地理区域，很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。蓝牙技术应用于定位，与WiFi有很多相似之处，主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库；同样有定位误差不稳定，受噪声信号干扰大的缺点。现有定位技术存在的上述缺陷导致它们无法真正在停车自动收费领域得以推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有定位技术无法在停车自动收费领域应用的问题，提供一种基于UWB的车辆定位系统及定位方法。

UWB(UltraWideband，超宽带)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。美国联邦通信委员会(FCC，Federal communications commission)对UWB的定义是：带宽大于500MHz，或相对带宽大于20％的无线电技术。从频域来看，UWB与传统的窄带和宽带不同，它的频带更宽。通常窄带是指相对带宽小于1％，宽带指的相对带宽在1％到25％之间，而相对带宽大于25％，而且中心频率大于500MHz的无线电技术，称为UWB。

本发明提供的一种基于UWB的车辆定位系统包括：

UWB电子标签，设置于车辆上，用于发射无线定位信号；

复数个UWB基站，间隔布置于停车区域，用于接收所述无线定位信号以及根据该无线定位信号确定所述车辆相对所述UWB基站的参数值；以及

处理装置，用于根据来自至少三个UWB基站的所述参数值确定车辆的位置信息。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，所述参数值为接收信号强度、信号到达时间和到达角度三个参数中的一个。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，所述参数值为信号到达时间，该定位系统进一步还包括：用于周期性向UWB基站发射时钟同步信号的同步信号发射设备；以及用于根据时钟同步信号计算UWB基站的时钟偏差进而对UWB基站确定的参数值进行修正的修正装置。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，所述复数个UWB基站中有一个为主基站，其余为从基站，所述处理装置和所述修正装置设置于所述主基站，所述同步信号发射设备设置于所述主基站或为一个独立的装置。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，该定位系统还包括一个工控中心，该工控中心直接与各UWB基站通信连接或通过一个UWB基站间接与其余UWB基站通信连接，所述处理装置和所述修正装置设置于所述工控中心。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，所述复数个UWB基站中的多个设置有所述处理装置和所述修正装置，所述同步信号发射设备设置于多个UWB基站或为一个独立的装置，所述复数个UWB基站中的多个还设置有手动切换开关或自动控制模块、用于切换UWB基站内部的所述处理装置和同步信号发射设备进入工作状态或休眠状态。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，所述修正装置包括指定所述复数个UWB基站中的一个UWB基站为基准基站，其余为非基准基站，该修正装置还包括：

第一计算子模块，用于采用UWB基站的坐标、同步信号发射设备的坐标以及电磁波传播速度计算时钟同步信号到达UWB基站所需时间；

第二计算子模块，用于将各非基准基站测量到的时钟同步信号到达时间分别与基准基站测量到的时钟同步信号到达时间相减，获得各非基准基站对应的同步信号到达时间差；

第三计算子模块，用于将非基准基站对应的同步信号到达时间差与时钟同步信号到达该非基准基站所需时间相减、再与时钟同步信号到达基准基站所需时间相加，获得当前时刻该非基准基站的时钟偏差；

第四计算子模块，用于采用当前时刻UWB基站的时钟偏差预测下一时刻UWB基站的时钟偏差；以及

第五计算子模块，用于采用预测到的下一时刻UWB基站的时钟偏差对下一时刻UWB基站测量到的无线定位信号到达时间进行修正。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，该车辆定位系统还包括视频识别子系统，该视频识别子系统与所述工控中心通信连接，用于通过视频跟踪定位车辆和/或识别车辆身份信息。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，还包括一个激活装置，该激活装置用于触发所述UWB电子标签开启定位模块；所述激活装置可以设置于至少一个UWB基站内或为一个独立的设备。

在上述的基于UWB的车辆定位系统中，优选地，所述UWB基站、处理装置、工控中心和/或视频识别子系统包括具有中继功能的WIFI模块，所述通信连接为WIFI连接；和/或

UWB电子标签还包括用以实现电子不停车自动收费的无线通信模块。

本发明提供的一种基于UWB的车辆定位方法包括如下步骤：

接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟；

接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号；

接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置。

在上述的基于UWB的车辆定位方法中，优选地，在所述接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟步骤之后；所述接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号步骤之前还包括：在驶入停车区域入口时，路侧单元激活所述UWB电子标签进入定位工作模式；以及在所述接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置步骤之后还包括：在驶离停车区域出口时，路侧单元触发所述UWB电子标签进入休眠模式。

在上述的基于UWB的车辆定位方法中，优选地，在所述接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置步骤之后还包括：将本次计算的车辆位置与前N次计算的车辆位置或前M秒内计算的车辆位置比较，如果相同，则通过匹配算法将车辆身份信息与车位位置列表匹配，获取车辆与车位的对应关系；所述车位位置列表包括各个车位对应区域的质心坐标，所述车辆身份信息从UWB电子标签发射的定位信号中获得或从入口处的视频识别设备识别得到。

本发明利用UWB通信技术实现车辆定位，具有定位精度高，稳定性好，车载单元成本低、耗电少、体积小等优点。

附图说明

图1为基于UWB车辆定位系统第一实施例的原理框图；

图2为基于UWB车辆定位系统第二实施例的原理框图；

图3为基于UWB车辆定位系统第三实施例的原理框图；

图4－6为基于UWB车辆定位系统第四实施例的原理框图；

图7为基于UWB车辆定位系统第五实施例的原理框图；

图8为一些实施例中UWB基站的框图；

图9－11为UWB基站的三种布局图；

图12－14为三种定位模型图；

图15－16为停车位位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的方案更加清楚明白，以下结合实例对本发明进一步详细说明。这些更详细的描述旨在帮助理解本发明，而不应被用于限制本发明。根据本发明公开的内容，本领域技术人员明白，可以不需要一些或者所有这些特定细节即可实施本发明。而在其它情况下，为了避免将发明创造淡化，未详细描述众所周知的操作过程。

图1中示意性地表示了第一实施例的原理及结构。请参照图1，第一实施例基于UWB车辆定位系统包括：UWB电子标签(图中未示出)，四个UWB基站11-14，以及用于根据来自至少三个UWB基站的参数值确定车辆的位置信息的处理装置。

UWB电子标签设置于车辆上，用于发射无线定位信号，如6.5GHZ无线信号。最好在无线定位信号中加载车辆身份信息(如车牌号)和车型信息等。最好在UWB电子标签内设置实现ETC(电子不停车自动收费)系统的无线通信模块，如5.8GHZ无线通信模块，以与ETC系统配合实现不停车自动收费。

四个UWB基站11-14间隔布置于停车区域，用于接收UWB电子标签发射的无线定位信号以及根据该无线定位信号确定所述车辆相对四个UWB基站11-14的参数值。其中，一个UWB基站11为主基站，其余三个UWB基站12-14为从基站，由于UWB电子标签设置于车辆上，UWB电子标签相对于UWB基站的参数值也就是车辆相对UWB基站11-14的参数值。

处理装置设置于主基站，该处理装置由主基站自身的处理器结合相应软件实现，以节约建设成本。应当理解，在主基站中也可以用单独的处理器结合相应软件来实现所述处理装置，而不共用UWB基站本身的处理器。

第一实施例中，车辆相对UWB基站的参数值为信号到达时间，对应地，所述处理装置采用TDOA算法。下面进一步说明该TDOA算法：假设一个UWB基站为原点，X,Y为定位区域的二维平面坐标，H为基站高度，h为UWB电子标签高度，则四个UWB基站11-14的坐标分别为(0,0,H)、(X₁,Y₁,H)、(X₂,Y₂,H)、(X₃,Y₃,H)，UWB电子标签的坐标为(X_T,Y_T,h)，UWB电子标签发射的电磁波(无线定位信号)到达主基站的行驶时间为Vt，UWB电子标签发射的电磁波到达主基站的到达时间为t₀、到达三个从基站的到达时间分别为t₁、t₂、t₃，UWB电子标签与基站高度差Vh＝H-h，该TDOA算法包括：

计算UWB电子标签发射的无线定位信号到达从基站与到达主基站的时间差，

τ₁＝t₁-t₀

τ₂＝t₂-t₀

τ₃＝t₃-t₀

采用计算得到的时间差、无线定位信号到达主基站的行驶时间、基站坐标和UWB电子标签坐标，通过空间坐标系中两点间的距离公式建立如下方程组，

(X_T-X₁)²+(Y_T-Y₁)²+Vh²＝c²(τ₁+Vt)²

(X_T-X₂)²+(Y_T-Y₂)²+Vh²＝c²(τ₂+Vt)²

(X_T-X₃)²+(Y_T-Y₃)²+Vh²＝c²(τ₃+Vt)²

X_T ²+Y_T ²+Vh²＝c²Vt²

上式两边开平方后有如下三元一次方程，

a₁X_T+b₁Y_T+m₁Vt+n₁＝0

a₂X_T+b₂Y_T+m₂Vt+n₂＝0

a₃X_T+b₃Y_T+m₃Vt+n₃＝0

其中，

a_i＝-2X_i

b_i＝-2Y_i

均为常数，i＝1，2，3

m_i＝-2c²τ_i

$n_i=X_i^2+Y_i^2-c^2{\mathrm{\τ}}_i^2$

解三元一次方程组得到UWB电子标签在XY平面的坐标(X_T,Y_T)及UWB电子标签发射的电磁波(无线定位信号)到达主基站的行驶时间Vt，再代入上述方程可求得UWB电子标签与基站高度差Vh，进而可求得h，从而得到UWB电子标签的坐标(X_T,Y_T,h)。由于UWB电子标签设置于车辆上，所以定位的标签位置也就近似于车辆位置。

此外，利用三个UWB基站也可以实现定位。三个UWB基站定位理论上是两个解，但是可以通过对基站工程安装位置的设计，例如主基站的坐标为(0,0,H)，其余两个从基站的坐标设计为(X₁,0,H)、(X₂,0,H)，巧妙地消去二次方程，将二次方程转化成一次方程，从而有唯一解。

为了提高定位精度，该定位系统进一步还包括：用于周期性向UWB基站发射时钟同步信号的同步信号发射设备；以及用于根据时钟同步信号计算UWB基站的时钟偏差进而对UWB基站确定的参数值进行修正的修正装置。

一种修正装置包括以下的五个子模块：

第一计算子模块，用于采用UWB基站的坐标和同步信号发射设备的坐标以及电磁波传播速度计算时钟同步信号到达UWB基站所需时间。这里以三个UWB基站定位，同步信号发射设备采用一个固定标签D(即，同步信号发射设备为一个独立的装置。注：该固定标签D并不是指车载的UWB电子标签)为例：假设固定标签D坐标为(X_t,Y_t,H_t)，固定标签定时发射时钟同步信号，发射周期为T；三个UWB基站标记为A,B,C，其中A为主基站，B,C为从基站，A的坐标为(0,0,H)，B的坐标为(X_b,Y_b,H)，C的坐标为(X_c,Y_c,H)，指定主基站A为基准基站，从基站B,C为非基准基站，通过空间直角坐标系中两点间的距离公式可知，固定标签D发射的时钟同步信号到达三个UWB基站A,B,C所需时间T_AD,T_BD,T_CD分别为：

$T_{\mathrm{AD}}=\sqrt{{(X_t-0)}^2+{(Y_t-0)}^2+{(H_t-H)}^2}/3\×{10}^8$

$T_{\mathrm{BD}}=\sqrt{{(X_t-X_b)}^2+{(Y_t-Y_b)}^2+{(H_t-H)}^2}/3\×{10}^8$

$T_{\mathrm{CD}}=\sqrt{{(X_t-X_c)}^2+{(Y_t-Y_c)}^2+{(H_t-H)}^2}/3\×{10}^8$

第二计算子模块，用于将各非基准基站测量到的时钟同步信号到达时间分别与基准基站测量到的时钟同步信号到达时间相减，获得各非基准基站对应的同步信号到达时间差。假设三个UWB基站A,B,C测量到的时钟同步信号到达时间分别为T’_A,T’_B,T’_C，将T’_B与T’_A相减可获得非基准基站B对应的同步信号到达时间差T’_BA，同样，将T’_C与T’_A相减可获得非基准基站C对应的同步信号到达时间差T’_CA。

第三计算子模块，用于将非基准基站对应的同步信号到达时间差与时钟同步信号到达该非基准基站所需时间相减、再与时钟同步信号到达基准基站所需时间相加，获得当前时刻该非基准基站的时钟偏差。假设三个UWB基站A,B,C的时钟偏差为△t_A,△t_B,△t_C，由于A为基准基站(即时钟是以主基站A为基准的)，所以△t_A＝0，而

Δt_B＝T_BA-T_BD+T_AD

Δt_C＝T_CA-T_CD+T_AD

从而可以计算出当前时刻三个UWB基站A,B,C的时钟偏差△t_A,△t_B,△t_C。

第四计算子模块，用于采用当前时刻UWB基站的时钟偏差预测下一时刻UWB基站的时钟偏差。将当前时刻时钟偏差输入预测算法可求得下一时刻UWB基站的时钟偏差。下面给出了一种预测算法－卡尔曼滤波预测算法，该卡尔曼滤波预测算法如下：

ΔT′(t+1)＝ΔT′(t)+a{ΔT(t)-ΔT′(t)}

其中，△T(t)为当前时刻的时钟偏差，△T’(t)为当前时刻预测的时钟偏差，△T’(t+1)为下一时刻预测的时钟偏差，t＝1,2,3,4,……,N,△T’(1)＝△T(0)，a可以取常数，例如a＝0.5，也可以通过最小二乘法求得最优的a，例如要使得

e＝Σ{ΔT(t)-ΔT′(t)}²＝Σ{ΔT(t)-ΔT′(t-1)-a[ΔT(t-1)-ΔT′(t-1)]}²

对e式子中的a进行求导并等于0，则有

a(t)＝Σ{ΔT(t)-ΔT′(t-1)}{ΔT(t-1)-ΔT′(t-1)}/Σ{ΔT(t-1)-ΔT′(t-1)}²

其中，t＝1,2,3,4,……,N。

第五计算子模块，用于采用预测到的下一时刻UWB基站的时钟偏差对下一时刻UWB基站测量到的无线定位信号到达时间进行修正。更具体地说，将下一时刻UWB基站测量到的无线定位信号到达时间减去预测到的该UWB基站在下一时刻的时钟偏差，即得到修正时钟偏差后的到达时间。

上述修正装置通过第一计算子模块实时计算时钟同步信号到达各个UWB基站所需时间，能够应用于各种场合，包括主基站可动态变化的应用场合。可以理解地，在一些应用场合，如果基站位置固定，且主基站是固定不变的，则时钟同步信号到达各个UWB基站所需时间是固定不变的，因此可以预先计算出时钟同步信号到达各个UWB基站所需时间T_AD,T_BD,T_CD存储于设备中，而在修正装置中省略上述的第一计算子模块。

第一实施例中，同步信号发射设备设置于主基站，修正装置设置于主基站。工作时，主基站向从基站周期性发射时钟同步信号，从基站在不发送数据的时候，接收时钟同步信号。当UWB电子标签发射出无线定位信号后，所有能接收到该无线定位信号的基站都会计算得到该无线定位信号到达本基站的到达时间(即所述车辆相对UWB基站的参数值)。从基站将该无线定位信号的到达时间发送至主基站，主基站根据各基站(可包含主基站本身)的“该无线定位信号的到达时间”以及各基站的布局情况，通过TDOA算法计算出UWB电子标签所在车辆的位置。应当理解，同步信号发射设备也可以不设置在主基站，例如可以由一个独立的固定标签周期性向UWB基站发射时钟同步信号。

上述第一实施例中，用一个UWB基站作为主基站，通过该UWB基站自身的处理器结合相应软件实现所述处理装置。具有：主基站可以直接进行计算并现场显示结果；能够节约建设成本等特点。但由于UWB基站自身的处理器往往计算能力有限，只能实现简单算法，当算法复杂，或者容量(标签数量)较大时，将无法提供适当的计算能力，因此第一实施例比较适合于较小容量(标签数量)或现场给出定位结果的场景。

图2中示意性地表示了第二实施例的原理及结构。请参照图2，第二实施例基于UWB车辆定位系统包括：UWB电子标签(图中未示出)，四个UWB基站21-24，用于根据来自至少三个UWB基站的参数值确定车辆的位置信息的处理装置，以及一个工控中心25。UWB电子标签与第一实施例中相同。

四个UWB基站21-24间隔布置于停车区域，用于接收UWB电子标签发射的无线定位信号以及根据该无线定位信号确定所述车辆相对四个UWB基站21-24的参数值。其中，一个UWB基站21为主基站，其余三个UWB基站22-24为从基站。

工控中心25通过主基站(即UWB基站21)间接与其余三个UWB基站22-24通信连接。用于根据来自至少三个UWB基站的参数值确定车辆的位置信息的处理装置设置于工控中心25，工控中心25采用计算机，所述处理装置由该计算机结合相应软件实现。

第二实施例中，车辆相对UWB基站的参数值为信号到达时间，对应地，所述处理装置采用TDOA算法。为了提高定位精度，第二实施例的定位系统进一步还包括：用于周期性向UWB基站发射时钟同步信号的同步信号发射设备；以及用于根据时钟同步信号计算UWB基站的时钟偏差进而对UWB基站确定的参数值进行修正的修正装置。同步信号发射设备设置于主基站，修正装置设置于工控中心25。TDOA算法及修正算法与第一实施例相同。

第二实施例中设置有工控中心25，工作时，主基站向从基站周期发射时钟同步信号，从基站在不发送数据的时候，接收时钟同步信号。当UWB电子标签发射出无线定位信号后，所有能接收到该无线定位信号的基站都会计算得到该无线定位信号到达本基站的到达时间(即所述车辆相对UWB基站的参数值)；从基站将该无线定位信号的到达时间发送至主基站，主基站将各基站(可包含主基站本身)的“该无线定位信号的到达时间”通过无线网络(如WIFI，3G，蓝牙等)或有线网络(如网线，串口等)发送至工控中心25；工控中心25根据各基站(可包含主基站本身)的“该无线定位信号的到达时间”以及各基站的布局情况，通过TDOA算法计算出该UWB电子标签所在车辆的位置。

由于工控中心计算能力强，可以实现复杂算法，而且安装相应软件后即可实现，不需要另外设计与开发。因此，第二实施例尤其适合应用于较大容量(标签数量)或可远程给出定位结果的场景。

图3中示意性地表示了第三实施例的原理及结构。请参照图3，第三实施例基于UWB车辆定位系统包括：UWB电子标签(图中未示出)，四个UWB基站31-34，用于根据来自至少三个UWB基站的参数值确定车辆的位置信息的处理装置，以及一个工控中心35，其中，一个UWB基站31为主基站，其余三个UWB基站32-34为从基站。此外该定位系统还包括用于周期性向UWB基站发射时钟同步信号的同步信号发射设备；以及用于根据时钟同步信号计算UWB基站的时钟偏差进而对UWB基站确定的参数值进行修正的修正装置。

第三实施例与第二实施例基本相同，区别在于：第二实施例的工控中心通过一个UWB基站(主基站)间接与其余UWB基站通信连接；而在第三实施例中，工控中心35直接与各UWB基站通信连接。

图4－图6中示意性地表示了第四实施例的原理及结构。请参照图4-图6，第四实施例基于UWB车辆定位系统包括：UWB电子标签(图中未示出)，六个UWB基站41-46，以及用于根据来自至少三个UWB基站的参数值确定车辆的位置信息的处理装置。同时该定位系统还包括用于周期性向UWB基站发射时钟同步信号的同步信号发射设备；以及用于根据时钟同步信号计算UWB基站的时钟偏差进而对UWB基站确定的参数值进行修正的修正装置。UWB电子标签与第一实施例中相同。

六个UWB基站41-46均设置有所述处理装置、同步信号发射设备和修正装置，因此，每个UWB基站均具备如下功能：发射时钟同步信号；接收待定位车辆相对其它UWB基站的参数值(如标签发射的无线定位信号到达基站的到达时间)；根据所述参数值以及各基站的布局情况计算标签位置。该处理装置和该修正装置由其所在UWB基站自身的处理器结合相应软件实现，以节约建设成本。应当理解，在UWB基站中也可以用单独的处理器结合相应软件来实现所述处理装置和修正装置，而不共用UWB基站本身的处理器。而且，每个UWB基站还设置有手动切换开关或自动控制模块，用于切换UWB基站内部的所述处理装置、同步信号发射设备和修正装置进入工作状态或休眠状态。

第四实施例中，没有固定的主基站，工作时，通过手动切换开关预置或通过自动控制模块动态设定一个UWB基站41开启其处理装置和/或同步信号发射设备，额外承担同步时钟信号发射的功能及定位计算的功能(即作为主基站使用)。如图4所示，在这样的方案中，当作为主基站使用的UWB基站41故障时，可以切换另外一个UWB基站42开启其处理装置和同步信号发射设备，作为主基站使用。因此能够避免其它方案中主基站故障时整个系统将全部瘫痪的缺陷。

进一步来看，第四实施例的方案还可以实现快速扩容，请参照图5，当定位区域需要扩大时，原主基站(UWB基站41)无法覆盖所有区域，此时通过启动另一个UWB基站44中的处理装置和同步信号发射设备使其作为中继基站对原主基站无法覆盖的区域发射时钟同步信号，则对于原主基站无法覆盖的区域中的从基站，该中继基站为它们的主基站，从而实现快速扩容。

此外，采用第四实施例的方案，还可以根据需要切换任意位置的UWB基站开启其处理装置作为主基站来执行定位计算功能。如图6所示，用UWB基站41作为主基站，UWB基站44作为中继基站，在一些情况下实时开启UWB基站45执行定位计算功能。

图7示意性地表示了第五实施例的结构及原理。请参照图7，第五实施例基于UWB车辆定位系统包括：UWB电子标签71，五个UWB基站72-76(其中一个作为主基站，其余作为从基站)，工控中心(后台服务器)77，工控中心77除了执行定位算法外，还可用于对车辆的位置信息进行管理等，前述这些部分的原理与第二或第三实施例相同，只是多了一个UWB基站，此处不在赘述。

第五实施例中进一步还包括视频识别子系统78、出入口交易装置和激活装置79。视频识别子系统78与工控中心77通信连接，用于通过视频跟踪定位车辆和/或识别车辆身份信息。可以根据具体情况在出入口、出入口与停车位之间的通道侧、以及停车位附近等位置配置视频识别子系统78的视频识别设备(摄像头)。入口的激活装置用于触发所述UWB电子标签开启定位模块，进入定位工作模式。出口的激活装置用于触发所述UWB电子标签进入休眠模式。通过在出入口设置激活装置，可以延长UWB电子标签的寿命。此外，激活装置还可以设备于一个UWB基站内。

图8中示意性地表示了一些实施例中UWB基站的结构。请参照图8，一些实施例中UWB基站包括：天线81，UWB射频模块82，时钟产生模块，信号处理及控制模块83，WIFI模块84，标签激活与通信模块85、电源自动切换模块86。天线81用于接收空中的微波信号。UWB射频模块82用于将微波信号进行解调/调制。时钟产生模块用来输出本地精准时钟给信号处理及控制模块83。信号处理及控制模块83包括：定位参数提取模块、同步模块、以及对数据进行解封装/组装的模块。同步模块用于发射时钟同步信号对其它UWB基站进行时钟同步，以进一步提高定位精度。WIFI模块84用于UWB基站之间、以及UWB基站与工控中心之间数据(如定位参数)传输，目的是为了不占用6.5GHZ的定位信道。标签激活与通信模块85用于和标签的辅助通信，采用433M频率，可以进行标签的激活控制以及标签和基站间的数据(如激活)传输，采用激活模块后，可以使车辆只有进入停车区域时才开启标签的定位模块，以延长标签寿命。电源自动切换模块86可以自动对交流输入和直流输入进行切换。

在上述各实施例中，所有UWB基站间隔地布置于停车区域内，这里所述的停车区域可以是路内停车场、客运场站、地下停车场等等。UWB基站的布局可根据具体停车场的布局进行设置，如图9－图11依次示出了在路内停车场、客运场站、地下停车场UWB基站的布局情况，其中圆圈表示UWB基站，每个矩形区域表示一个停车位。

在上述各实施例中，处理装置被设置在主基站、或所有UWB基站、或工控中心，可以利用工控中心或UWB基站自身的CPU结合相应算法(如TDOA算法)实现，也可以用独立的处理器实现。此外，处理装置本身也可以作为一个独立的装置，如果是独立装置则应具备通信功能，以实现其与基站及工控中心的通信。

上述实施例中，车辆相对UWB基站的参数值为信号到达时间，对应地，所述处理装置采用TDOA算法。但本发明并不限于此，本发明中车辆相对UWB基站的参数值可以是各种能够通过数学模型计算出车辆位置的参数值，优选接收信号强度(RSSI)、信号到达时间(TOA)、到达角度(AOA)，更优选信号到达时间(TOA)。

当选用RSSI或者TOA作为定位参数时，可通过圆形/球形定位模型来确定目标(即车辆)的位置信息。当选用AOA作为定位参数时，可通过角度定位模型来确定目标的位置信息。下面对一些定位模型进行说明：

1、圆形/球形定位模型：

圆形定位是对二维平面的目标定位，通过测量参考节点(即UWB基站)接收到目标节点(即载有UWB电子标签的车辆)定位信号的RSSI或者TOA，由此计算出参考节点到目标节点的距离，由目标节点到参考节点的距离d可以确定一个圆形，目标节点一定位于该圆上。当同时有N(N>＝3)个参考节点参与测距定位时，多个圆形之间的交点就是对应目标的位置，如图12所示。球形定位则是对三维空间的目标实现定位。

由此定义一组圆形方程：

$\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}=r_i......i=\mathrm{1,2,3}.$

求解上述方程组就可以得到目标节点的坐标值。理论上只需要2个方程即可求得方程的解，但在实际中由于各种误差源的存在，需要对3个以上的方程进行最小方差或是最大似然处理才能得到目标节点的位置。

在三维空间，目标节点N的位置坐标为(x，y，z)，通过计算目标节点N与参考节点Ni之间的距离ri，从而得到以Ni为球心，以ri为球半径的球面，则N位于这些球面的交点，得到方程组：

$\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}=r_i......i=\mathrm{1,2,3},4.$

选取4个以上的参考节点建立方程组进行计算，可以在三维空间中计算出目标节点的位置坐标。

2、双曲线/面定位模型：

这种定位模型是通过测量不同参考节点接收到同一目标节点定位信号的TDOA，从而计算出不同参考节点到目标节点的距离差，由目标节点到任何两个参考节点的距离差可以确定一组双曲线。当同时有N(N>＝3)个参考节点参与测距时，多个双曲线之间的交点就得到对目标位置的估计。与TOA相比，它的主要好处是不需要再精确地求得参考节点和目标节点的响应和处理时延，只要求所有参与测量的参考节点的时钟是同步的。

参照图13，二维平面中，当参考节点A和B与目标节点X间的距离差为d1时，目标节点必定位于以A和B为焦点，与两个焦点的距离差恒为d1的实线所确定的双曲线上。当同时测得参考节点A和C与目标节点X的距离差为d2时，就可以得到另一组以A和C为焦点，且与焦点的距离差恒为d2的实线表示的双曲线对上，两组双曲线的交点即为目标节点的位置。

3、角度定位模型

角度定位模型的几何原理是测量目标节点以LOS(LOS Light of Sight，视距传输)到达参考节点的信号角度，目标节点必然位于该角度所对应的一条直线上，也就是利用AOA信息定位的一个几何模型。参照图14，当两个参考节点N1和N2同时测得目标发出信号的LOS的到达角度后，其相应的两条直线的交点N即为目标节点所在的位置。

假设参考节点N1和参考节点N2分别测得目标节点发出的信号的到达角度为θ1和θ2，则得到方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}\tan \left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{x-x_1}{y-y_1}\\ \tan \left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\frac{x-x_2}{y-y_2}\end{array}\right.$

解这个方程组即可以得到目标节点的坐标值。可以看出，角度测量定位模型只需两个参考节点即可，当然，参与定位的参考节点数目越多，其数据的冗余度越高，定位的精度和成功率就会越高。

UWB基站、处理装置、工控中心和视频识别子系统最好都配置具有中继功能的WIFI模块，以实现稳定的无线通信。

一些实施例车辆定位方法包括以下步骤：

接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟。具体而言，可以通过上述修正算法修正时钟偏差实现时钟同步；

接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号；

接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间(即信号到达时间)，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置。

为了达到节省UWB电子标签的电能及延长其寿命的目的，进一步在所述接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟步骤之后；所述接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号步骤之前还包括：在驶入停车区域入口时，路侧单元激活所述UWB电子标签进入定位工作模式，即启动定位模块，如无线定位信号(6.5GHZ信号)的发送与接收模块；以及，在所述接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置步骤之后还包括：在驶离停车区域出口时，路侧单元触发所述UWB电子标签进入休眠模式，即并闭定位模块。

为了达到方便车主找车的目的，进一步，在所述接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置步骤之后还包括：将本次计算的车辆位置与前N次计算的车辆位置或前M秒内计算的车辆位置比较，如果相同(这里的所说的“相同”不应理解为完全相等，而是基本相等就可以，例如差值介于-0.5米至+0.5米之间即可)，则通过匹配算法将车辆身份信息与车位位置列表匹，配获取车辆与车位的对应关系。所述车位位置列表包括各个车位对应区域的质心坐标，具体地，如图15中，A、B、C、D、E、F、G为矩形停车位，用矩形质心坐标作为对应停车位的位置参数，将该车位位置列表预置在系统的主基站或工控中心等，以实现上述匹配步骤。所述车辆身份信息从UWB电子标签发射的定位信号中获得或从入口处的视频识别设备识别得到。

为了达到对一些未安装UWB电子标签的车辆定位的目的，进一步，上述定位方法还包括以下步骤：用停车区域出入口的视频识别设备识别车牌号，用出入口和停车位之间的视频识别设备跟踪车辆行驶轨迹，用停车位附近的视频识别设备识别停车位是否有车辆。如图16所示，摄像机照射ABCEDFG停车位，通过相应算法(如背景差分法)可以区分有车的车位(图中有阴影车位)和无车的车位。更进一步还可以包括：对无UWB电子标签的车辆与停车位进行对应，方便管理方管理和车主查找。由于入口已经对车辆进行车牌视频识别，同时车辆行驶路径上对车辆进行了视频跟踪，停车位上也对车辆进行视频跟踪与匹配，所以无标签车辆的车牌号码已经在入口可以得到，那么无标签车辆的车牌号码与其所在停车位也能一一对应。

进一步，上述定位方法还包括以下步骤：对视频识别子系统定位结果和UWB无线定位结果处理，区分车位上有UWB电子标签的车辆和无UWB电子标签的车辆。由于视频识别设备可识别出车辆停车车位，而无线定位技术可以识别出有标签车辆的停车车位，那么在视频识别设备识别出的车辆停车车位中去除有标签车辆的停车车位，剩下的就是无标签车辆的停车位置。

Claims (13)

1.一种基于UWB的车辆定位系统，其特征在于，该定位系统包括：

UWB电子标签，设置于车辆上，用于发射无线定位信号；

复数个UWB基站，间隔布置于停车区域，用于接收所述无线定位信号以及根据该无线定位信号确定所述车辆相对所述UWB基站的参数值；以及

处理装置，用于根据来自至少三个UWB基站的所述参数值确定车辆的位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：所述参数值为接收信号强度、信号到达时间和到达角度三个参数中的一个。

3.根据权利要求1所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：所述参数值为信号到达时间，该定位系统进一步还包括

用于周期性向UWB基站发射时钟同步信号的同步信号发射设备；以及

用于根据时钟同步信号计算UWB基站的时钟偏差进而对UWB基站确定的参数值进行修正的修正装置。

4.根据权利要求3所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：所述复数个UWB基站中有一个为主基站，其余为从基站，所述处理装置和所述修正装置设置于所述主基站，所述同步信号发射设备设置于所述主基站或为一个独立的装置。

5.根据权利要求3所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：该定位系统还包括一个工控中心，该工控中心直接与各UWB基站通信连接或通过一个UWB基站间接与其余UWB基站通信连接，所述处理装置和所述修正装置设置于所述工控中心。

6.根据权利要求3所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：所述复数个UWB基站中的多个设置有所述处理装置和所述修正装置，所述同步信号发射设备设置于多个UWB基站或为一个独立的装置，所述复数个UWB基站中的多个还设置有手动切换开关或自动控制模块、用于切换UWB基站内部的所述处理装置和同步信号发射设备进入工作状态或休眠状态。

7.根据权利要求3所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：所述修正装置包括指定所述复数个UWB基站中的一个UWB基站为基准基站，其余为非基准基站，该修正装置还包括

第一计算子模块，用于采用UWB基站的坐标、同步信号发射设备的坐标以及电磁波传播速度计算时钟同步信号到达UWB基站所需时间；

第二计算子模块，用于将各非基准基站测量到的时钟同步信号到达时间分别与基准基站测量到的时钟同步信号到达时间相减，获得各非基准基站对应的同步信号到达时间差；

第三计算子模块，用于将非基准基站对应的同步信号到达时间差与时钟同步信号到达该非基准基站所需时间相减、再与时钟同步信号到达基准基站所需时间相加，获得当前时刻该非基准基站的时钟偏差；

第四计算子模块，用于采用当前时刻UWB基站的时钟偏差预测下一时刻UWB基站的时钟偏差；以及

第五计算子模块，用于采用预测到的下一时刻UWB基站的时钟偏差对下一时刻UWB基站测量到的无线定位信号到达时间进行修正。

8.根据权利要求5所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：该车辆定位系统还包括视频识别子系统，该视频识别子系统与所述工控中心通信连接，用于通过视频跟踪定位车辆和/或识别车辆身份信息。

9.根据权利要求1－8中任意一项所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：还包括一个激活装置，该激活装置用于触发所述UWB电子标签开启定位模块；所述激活装置可以设置于至少一个UWB基站内或为一个独立的设备。

10.根据权利要求1－8中任意一项所述的基于UWB的车辆定位系统，其特征在于：

所述UWB基站、处理装置包括具有中继功能的WIFI模块，所述通信连接为WIFI连接；和/或

UWB电子标签还包括用以实现电子不停车自动收费的无线通信模块。

11.一种基于UWB的车辆定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟；

接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号；

接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置。

12.根据权利要求11所述的基于UWB的车辆定位方法，其特征在于，

在所述接收同步信号发射设备发射的时钟同步信号，并实时同步时钟步骤之后；所述接收进入停车区域的车辆所载的UWB电子标签发射的无线定位信号步骤之前还包括：在驶入停车区域入口时，路侧单元激活所述UWB电子标签进入定位工作模式；

在所述接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置步骤之后还包括：在驶离停车区域出口时，路侧单元触发所述UWB电子标签进入休眠模式。

13.根据权利要求11所述的基于UWB的车辆定位方法，其特征在于，

在所述接收到无线定位信号后，根据同步时钟生成接收时间，并将该接收时间发送至处理装置，以使处理装置根据至少三个UWB基站接收的针对同一所述无线定位信号各自所述的接收时间计算车辆所在位置步骤之后还包括：将本次计算的车辆位置与前N次计算的车辆位置或前M秒内计算的车辆位置比较，如果相同，则通过匹配算法将车辆身份信息与车位位置列表匹配，获取车辆与车位的对应关系；所述车位位置列表包括各个车位对应区域的质心坐标，所述车辆身份信息从UWB电子标签发射的定位信号中获得或从入口处的视频识别设备识别得到。