CN106338755A - 基于车联网的车辆导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于车联网的车辆导航方法，该方法包括：在移动通信区中，车辆中安装的车载节点通过道路节点连入服务器，并由当地的访问寄存器进行定位；在导航区中，利用卫星的双向报文与服务器通信并进行相应的定位。本发明提出了一种基于车联网的车辆导航方法，实现车辆任意位置的定位和入网。并且按需进行位置更新，提高了系统整体性能。

Description

基于车联网的车辆导航方法

技术领域

本发明涉及GPS导航，特别涉及一种基于车联网的车辆导航方法。

背景技术

定位作为车联网中一个重要的基础部分，在车联网的网络部署和拓扑设计中扮演了十分重要的角色。车联网需要时刻跟踪车辆的位置，确保在需要对目标车辆进行消息传递时能迅速准确的找到车辆并将消息传递过去。目前商用车联网的定位基本是通过车载GPS收集车辆当前地理位置信息然后按一定时间间隔利用GPRS提交到服务器。车辆厂商通过与移动运营商的合作，直接利用通信运营商现有的通信设备，虽节省了车联网前期建设成本，但带来了很多负面影响，如上网费用过高、只能实现与网络的互动而不能实现车辆之间的直接互动。而且没有按照位置更新的实际需要而更新，造成了系统整体性能较差。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种基于车联网的车辆导航方法，包括：

在移动通信区中，车辆中安装的车载节点通过道路节点连入服务器，并由当地的访问寄存器进行定位；在导航区中，利用卫星的双向报文与服务器通信并进行相应的定位。

优选地，所述道路节点与车联网位置服务器之间通过以太网连接，车辆行驶在道路上通过道路节点接入车联网；道路节点实时广播车联网识别信号，当车辆进入道路节点信号范围接收到信号并经过身份验证后，即与车联网建立通信连接，共享车联网中相关信息；利用差分GPS在区域中部署多个位置精确已知的基准站，各基准站按预定义采样频率连续实时捕获记录卫星信号，并将未经差分处理的同步观测值传输到服务器数据处理中心；数据处理中心在接收到观测值后，按照预定算法处理后生成区域校正参数，并通过道路节点广播给其信号覆盖范围内的车辆，车辆在接收到该参数后，校正当前位置信息；道路节点在广播地区校正参数的同时将自己当前GPS经纬度信息一同广播给车辆，车辆将其解算后得到自己与道路节点基站之间精确距离；当车辆从一个道路节点蜂窝区驶向另一个道路节点蜂窝区时，比较相对信号强度，并比较离各个道路节点基站之间的距离，从而决定是否进行跨区切换；对位置区采用分级更新策略，道路节点蜂窝区级别和位置区级别更新时只对访问寄存器更新，访问寄存器级别更新时采取一步前向指针策略引入位置指针，只更新初始访问寄存器中关于车载终端当前所在访问寄存器的位置指针，仅仅在访问寄存器之间进行更新。

优选地，所述在导航区中，利用卫星的双向报文与服务器通信并进行相应的定位，进一步包括：

在车辆终端安装卫星信号双模接收机模块，当车辆终端发起位置更新操作时，将当前的地理位置信息通过双向报文发送到车联网位置服务器，车载卫星双模接收模块通过接收多个卫星信号并计算时差，然后将时差通过双向报文传送回服务器，服务器结合存储在本地中提前测量的精密星历参数解算出车辆当前位置后，根据车载终端需求将有关于用户位置信息再通过双向报文传送给车载终端，实现定位。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

本发明提出了一种基于车联网的车辆导航方法，实现车辆任意位置的定位和入网。并且按需进行位置更新，提高了系统整体性能。。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于车联网的车辆导航方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种基于车联网的车辆导航方法。图1是根据本发明实施例的基于车联网的车辆导航方法流程图。

本发明改进了车联网架构，通过划分拓扑结构对不同的结构设计相应的定位策略。基于该车联网架构确定位置更新和位置消息传递的性能。按组网特性和通信过程分为移动通信区和导航区。为移动通信区部署道路节点和车载节点，提供车辆的网络接入服务，在开始通信时，道路节点启动后，服务信道建立一个基本服务集，并通过控制信道周期性地向其他设备广播当前服务集的存在，广播消息包括其身份信息和含有位置、行驶速度、行驶方向信息的时间戳移动信息。道路节点通过控制信道广播携带有服务提供者IP地址、MAC地址和端口号等相关信息的服务公告。当载有车载节点的车辆进入移动通信区之后，开始接收道路节点通过控制信道所发送的广播帧服务公告，在本地设备进行解析并进行身份验证，如果验证通过就将当前车载节点信息加入其所连接的服务集，此时车辆终端正式接入了车联网，双方建立起通信连接并开始互相收发数据，交换信息。

当车辆无法检测到道路节点所广播的信号时，自动启动导航区通信模式。该区域利用GPS导航系统的双向报文功能来提供通信。当装备有GPS导航模块的车载终端A向卫星发送双向报文时，卫星收到信息后转发给地面中心站，中心站经过数据处理后根据数据请求转发给车载终端B或者服务器。双向报文中包含有对方的识别号、通信申请信号以及通信内容经过车载卫星模块加密后，通过卫星转发给地面中心站。地面中心站在接收到车载终端A所发送的通信申请信号以后，对数据进行解析然后加入广播电文，通过卫星广播给同样装备有卫星模块的车载终端B，或者根据通信内容通过Internet网络转发给服务器。

道路节点沿道路两侧部署，各个道路节点与车联网位置服务器之间通过以太网连接，车辆行驶在道路上通过道路节点接入车联网。道路节点实时广播车联网识别信号，当车辆进入道路节点信号范围接收到信号并经过身份验证后，即与车联网建立通信连接，可以共享车联网中相关信息。在定位精度方面，本发明利用差分GPS，在区域中部署多个位置精确已知的基准站，各基准站按预定义采样频率连续实时捕获记录卫星信号，并将未经差分处理的同步观测值传输到服务器数据处理中心。数据处理中心在接收到观测值后，按照预定算法处理后生成区域校正参数，并通过道路节点广播给其信号覆盖范围内的车辆，车辆在接收到该参数后，校正当前位置信息。

道路节点在广播地区校正参数的同时将自己当前GPS经纬度信息一同广播给车辆，车辆将其解算后得到自己与道路节点基站之间精确距离。当车辆从一个道路节点蜂窝区驶向另一个道路节点蜂窝区时，除了比较相对信号强度，还要比较离各个道路节点基站之间的距离，从而决定是否进行跨区切换。

在数据库的部署方面，本发明选取特定位置设置车联网归属寄存器来管理整个所有车联网用户的注册和位置信息。在各个子区域设置访问寄存器来管理其范围内的车载终端的位置信息。在移动通信区中，车辆通过道路节点连入服务器，并由当地的访问寄存器进行定位。而车辆在导航区中行驶时，启用导航区定位策略，利用卫星的双向报文与服务器通信并进行相应的定位。车载终端进行位置更新时，在旧访问寄存器中的车辆数据表中建立位置指针指向新的访问寄存器。当车辆继续行驶到另一个访问寄存器中时，两个访问寄存器之间互相通信。

在移动通信区的定位方面，将车联网的网络拓扑抽象成为一个网状结构，使用移动通信网络中蜂窝区来代替车联网中道路节点，并组成的二维蜂窝模型来进行分析。每个道路节点的覆盖范围构成一个正六边形蜂窝区，每个蜂窝区周围有六个相邻蜂窝区，多个道路节点蜂窝区组成一个位置区，多个位置区构成一个访问寄存器区，由一个访问寄存器管理范围内的车辆数据。车辆终端可以向任意一个方向行驶，模拟交通中车辆终端在十字交叉路况的转向行驶情况。道路节点除了周期性广播当前识别号以及提供车辆可靠性的链接外，还发送访问寄存器标识号、道路节点蜂窝区标识号。当车辆终端进入道路节点蜂窝区并接受到道路节点所广播的数据信号后，通过车载车载节点解析数据判断当前所处于网络是否属于拓扑，从而执行相应的定位策略。

一个访问寄存器作为一个地区内所有车辆的访问寄存器，管理辖区内若干个道路节点，进入该地区内的车辆都需要向访问寄存器注册信息，将当前位置信息写入访问寄存器数据库，例如当前车辆GPS注册信息、所处道路节点蜂窝区号、动态移动阈值等。若当前蜂窝区为中心蜂窝区，则中心蜂窝区周围相邻的6个蜂窝区称为第一环蜂窝区，依次向外推，直到第n环蜂窝区。令m为当前位置区中蜂窝区总数，可以计算得到m值为：m＝1+3n(n-1)。

本发明提出一个基于三层位置区的车联网结构拓扑：即规定一个地区的访问寄存器管辖范围内的道路节点蜂窝区数量是固定的，一个访问寄存器范围内包含k环位置区的拓扑结构，在一个位置区中包含有n环道路节点蜂窝区，其中n和k都是根据车辆的当前行驶速度、行驶方向并结合车辆的历史路由成功率而解算得出。

本发明对位置区采用分级更新策略，道路节点蜂窝区级别和位置区级别更新时只对访问寄存器更新，访问寄存器级别更新时采取一步前向指针策略引入位置指针，只更新初始访问寄存器中关于车载终端当前所在访问寄存器的位置指针，仅仅在访问寄存器之间进行更新。

为使车辆位置在合适的时机发起更新，本发明利用位置区级别进行粗定位，然后通过车联网中GPS精确定位。将车载终端在车联网中行驶情况分为三种情况，分别是在位置区内道路节点蜂窝区间行驶、同一个访问寄存器的不同位置区之间行驶和访问寄存器与访问寄存器间行驶三种情况，详细过程如下：

当车载终端在位置区中的内部蜂窝区之间行驶时，接收道路节点广播的网络特征报文，并通过部署的差分GPS获取车辆实时GPS信息。服务器将车辆历史路由成功率和由车载GPS模块获取车载终端当前行驶速度和行驶方向进行解算后确定道路节点蜂窝区级别移动阈值M，并根据M值设置当前动态位置区大小，即当前位置区含有n＝M环蜂窝区。在车载终端设置一个道路节点级别移动计数器，记录车载终端穿越道路节点蜂窝区数量。当车载终端跨越道路节点蜂窝区周界时，车载终端中移动计数器数值加1。当计数器数值d₁到达蜂窝区级别所设定的移动阈值M时，发起一次位置更新，将当前关于车载终端位置信息提交至访问寄存器进行相关数据操作，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号、车载终端的详细的地理信息GPS坐标、车载终端当前行驶速度和行驶方向等信息，本次更新只涉及访问寄存器。

当车载终端在同一个访问寄存器中不同位置区间行驶时，从服务器获取车辆的历史记录并确定位置区级别移动阈值N。通过道路节点信号覆盖范围的半径与所确定的移动阈值M的乘积解算出位置区半径。利用差分GPS获取车辆GPS数据，实时计算车载终端离开中心蜂窝区的距离是否大于或等于动态形成位置区的半径。如果是则确定车载终端已经离开当前位置区进入了新位置区，此时蜂窝区级别移动计数器d₁置零，位置区级别移动计数器值d₂加1。当计数器值d2到达位置区级别移动阈值N时，发起一次位置更新，只更新访问寄存器。

(3)当车载终端跨越当前道路节点周界进入新的道路节点蜂窝区，所接收到的关于访问寄存器标识号与车载终端中存储的标识号不一致时，可以判断车载终端正在跨访问寄存器行驶。将移动计数器d₁和d₂均置为0，车载终端向新的访问寄存器发送位置更新请求，新的访问寄存器记录并更新车载终端的信息，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号并以此作为当前位置区的中心蜂窝区。然后新的访问寄存器发起与原访问寄存器之间的通信，告知当前车载终端已经进入新的访问寄存器。原访问寄存器取消了车载终端在其中的注册状态，建立一个位置指针并指向新的访问寄存器。

为了满足导航区中车辆对定位精度的需求，首先在车辆终端安装卫星信号双模接收机模块。当车辆在一般情况下行驶，只需要利用车载卫星双模接收模块可以直接快速完成无源定位，解算得出10m级精度的位置信息以满足车辆在导航区中日常行驶需求。当车辆需要较高精度时，车辆终端发起位置更新操作，将当前的地理位置信息通过双向报文发送到车联网位置服务器，车载卫星双模接收模块通过接收多个卫星信号并计算时差，然后将时差通过双向报文传送回服务器，服务器结合存储在本地中提前测量的精密星历参数解算出车辆当前位置后，根据车载终端需求将有关于用户位置信息再通过双向报文传送给车载终端，达到高精度定位。该过程中车载终端仅仅完成计算时差和发送信息的功能，简化了车载终端的设计。

本发明对于导航区采用基于动态距离和时间的定位策略。针对不同行驶特性车辆确定的各自合适的位置区半径即位置更新距离阈值，节省服务器资源。

(1)车辆开始行驶时，若发现无法接收到道路节点信号，则切换到导航区定位策略。车辆通过车载卫星信号双模接收机使用双向报文将车辆识别号、经度、纬度、车辆速度发送到服务器，并设置当前车辆的GPS经纬度为当前位置区中心点存储到车辆位置寄存器中，并启动时间计数器开始计时。车联网在接收到数据并通过运算后将车辆当前最佳距离阈值R1发送给车辆，车辆将R1存储在距离寄存器。

(2)当车辆继续行驶时，通过车载卫星信号双模接收机获取当前实时GPS经纬度信息，并计算其与车辆所存储的当前位置区中心点GPS经纬度之间的距离。如果该距离超过车辆距离寄存器中存储的距离阈值R1，则车辆发起位置更新操作，向服务器报告当前车辆的车辆识别号、经度、纬度、车辆速度，并获取系统返回最新的距离阈值R2存储在距离寄存器中，将位置更新时的经纬度坐标存入车辆位置寄存器中，并将时间计数器置零。继续行驶直至下一次位置更新的发生。

(3)当车辆所装备的时间计数器计数满一个小时而车辆未因跨域位置区周界触发位置更新操作时，车辆主动发起一次位置更新操作向服务器报告当前所在精确位置。

所述双模接收机在提取导航电文数据和观测值的过程中，包括对卫星信号的解扩，并实现对卫星信号伪随机码和载波的搜索，然后对捕获后的信号进行跟踪、数据解调校验，将正确的导航电文以及观测值送入解算环节，以完成后续接收机的导航解算。

设Y_n(k)为第n次的相关运算值，x(k)为本地载波与本地伪随机码的组合，y_n(k)为第n毫秒接收到的原始中频信号数据，则第n次的相关运算可以用卷积的形式表达为：

$Y_n\left(k\right)=y_n\left(k\right)\⊗x(-k)$

N次的相干累加：

$Y_n\left(k\right)=Z\left(k\right)\⊗x(-k)$

其中N为接收到的原始中频数据的段数，是循环卷积运算。

利用先叠加后相关的快速累加算法，结合数据位估计方法来确定数据位反转位置。读取160ms的中频信号数据，分成8组20ms数据组，先进行半比特相关累加，得到存在数据位反转的一组20ms数据。

步骤1：将20ms数据信号分成2个10ms组，分别与本地伪随机码进行循环相关，搜索其幅值能量的最大值，比较2组的幅值能量大小，有数据位反转的组的幅值能量明显小于另一组，将较小的一组数据输入步骤2。

步骤2：从步骤1得到的10ms数据，再分成2组5ms数据，再进行与步骤1相同的相关运算和幅值能量比较，得到幅值能量小的一组输入步骤3。

步骤3：将从步骤2中得到的5ms数据分成2个2ms和1个1ms组，先比较2个2ms循环相关后的幅值能量大小，找到幅值能量小的一组输入步骤4；如果2个2ms数据组的幅值能量相当，那么与2个2ms并列分组的那个1ms就是我们要找的数据反转组。

步骤4：将从步骤3中得到的2ms数据组分成2个1ms组进行循环相关的幅值能量比较，确定其小的那组为数据位反转组。

步骤5：得到1ms的数据位反转位置，然后读取其1ms之后的19ms数据作为相关运算数据进行19ms循环相干积分，在利用码相位并行搜索捕获结果，当搜索到的幅值大于给定的捕获阈值时，捕获成功。

步骤6：将19ms数据叠加成1ms数据Z(k)，并与I支路和Q支路上某一频率的复制正弦和复制余弦载波信号混频后进行FFT运算，然后将变换结果与复制伪随机码FFT运算的共轭复数值相乘，接着将所得的乘积经过逆FFT运算得到在时域内的相关结果，最后对相关值进行检测来判断信号是否存在。

在跟踪卫星信号载频和相位的过程中，作为输入的数字中频信号，首先与载波环所复制的载波混频相乘，其中的I支路上与正弦复制载波相乘，在Q支路上与余弦复制载波相乘；然后，在I和Q支路上的混频结果信号i和q又分别与码环所复制的超前、即时和滞后三份伪随机码做相关运算；然后相关结果经积分-清除器后分别输出相干积分值；积分值当做载波环鉴别器的输入，而另外两条支路上的相干积分结果则作为码环鉴别器的输入；最后，载波环和码环分别对它们的鉴别器出值进行滤波，并将滤波结果用来调节各自的载波数控振荡器和伪随机码数控振荡器的输出相位和频率等状态，使载波环所复制的载波与接收载波保持一致，同时又使码环所复制的即时码与接收伪随机码保持一致。载波和码相位同时进行跟踪。码环采样非相干超前功率减去滞后功率的方法，对于载波环，即先用锁频环，使误差较小时再进入锁相环。从跟踪环路的相关器输出数据中提取导航电文，并且通过位同步和帧同步判断遥测码的帧头、子帧号以及对每个字的校验来判断导航电文的正确性。导航数据位的解调是通过在一个数据位间隔之上累加样本并观测结果的正负来完成的。

综上所述，本发明提出了一种基于车联网的车辆导航方法，实现车辆任意位置的定位和入网。并且按需进行位置更新，提高了系统整体性能。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和周界、或者这种范围和周界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种基于车联网的车辆导航方法，其特征在于，包括：

在移动通信区中，车辆中安装的车载节点通过道路节点连入服务器，并由当地的访问寄存器进行定位；在导航区中，利用卫星的双向报文与服务器通信并进行相应的定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述道路节点与车联网位置服务器之间通过以太网连接，车辆行驶在道路上通过道路节点接入车联网；道路节点实时广播车联网识别信号，当车辆进入道路节点信号范围接收到信号并经过身份验证后，即与车联网建立通信连接，共享车联网中相关信息；利用差分GPS在区域中部署多个位置精确已知的基准站，各基准站按预定义采样频率连续实时捕获记录卫星信号，并将未经差分处理的同步观测值传输到服务器数据处理中心；数据处理中心在接收到观测值后，按照预定算法处理后生成区域校正参数，并通过道路节点广播给其信号覆盖范围内的车辆，车辆在接收到该参数后，校正当前位置信息；道路节点在广播地区校正参数的同时将自己当前GPS经纬度信息一同广播给车辆，车辆将其解算后得到自己与道路节点基站之间精确距离；当车辆从一个道路节点蜂窝区驶向另一个道路节点蜂窝区时，比较相对信号强度，并比较离各个道路节点基站之间的距离，从而决定是否进行跨区切换；对位置区采用分级更新策略，道路节点蜂窝区级别和位置区级别更新时只对访问寄存器更新，访问寄存器级别更新时采取一步前向指针策略引入位置指针，只更新初始访问寄存器中关于车载终端当前所在访问寄存器的位置指针，仅仅在访问寄存器之间进行更新。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在导航区中，利用卫星的双向报文与服务器通信并进行相应的定位，进一步包括：

在车辆终端安装卫星信号双模接收机模块，当车辆终端发起位置更新操作时，将当前的地理位置信息通过双向报文发送到车联网位置服务器，车载卫星双模接收模块通过接收多个卫星信号并计算时差，然后将时差通过双向报文传送回服务器，服务器结合存储在本地中提前测量的精密星历参数解算出车辆当前位置后，根据车载终端需求将有关于用户位置信息再通过双向报文传送给车载终端，实现定位。