CN107101638A - 车载电子标签的定位装置、方法和路测单元 - Google Patents

车载电子标签的定位装置、方法和路测单元 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车载电子标签的定位装置、方法和路测单元。其中，定位装置包括：相控阵天线、信号处理单元、FPGA处理单元和DSP运算单元；相控阵天线分别与信号处理单元和FPGA处理单元连接，信号处理单元分别与FPGA处理单元和DSP运算单元连接，FPGA处理单元与DSP运算单元连接；FPGA处理单元，用于通过波束扫描定位算法获得车载电子标签的第一定位结果；DSP运算单元，用于通过基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得车载电子标签的第二定位结果，并根据第一定位结果和第二定位结果确定车载电子标签的位置。本发明提供的车载电子标签的定位装置，提升了车载电子标签的定位精度。

Description

车载电子标签的定位装置、方法和路测单元
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种车载电子标签的定位装置、方法和路测单元。
背景技术
为了节省车辆缴纳高速路费的时间，高速公路收费站通过不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)来实现不停车收费。ETC系统包括设置在车辆上的车载电子标签(On board Unit，OBU)和设置在收费站的路侧单元(Road Side Unit，RSU)。当车辆通过高速路收费站时，路侧单元可以通过车辆上的车载电子标签，自动从车载电子标签可读取的支付卡上扣除高速路费，从而实现不停车收费。
随着城市化的发展，ETC车道的车流量不断增加，在一些车流量很大的站点，已经出现了同向多车道的应用模式。当一个ETC车辆驶入其中一条ETC车道时，会对本车道内的其他ETC车辆以及相邻ETC车道内的ETC车辆造成干扰，即跟车干扰或者邻道干扰。此时，如果路测单元不能准确区分各个ETC车辆的位置，就会造成误放行或者重复扣费问题。例如：位于相邻两个车道的两个ETC车辆，如果将本车道内ETC车辆的位置定位为在另一个车道上，则可能从本车道ETC车辆的车载电子标签可读取的支付卡上扣除高速路费，却将另一个车道上的ETC车辆误放行。而本车道内的ETC车辆在通行时就会重复扣费。
可见，跟车干扰或者邻道干扰问题已经严重影响了ETC车辆车主的利益，因此，如何准确定位ETC车辆的位置亟待解决。
发明内容
本发明提供一种车载电子标签的定位装置、方法和路测单元，提升了车载电子标签的定位精度。
本发明提供的车载电子标签的定位装置，包括：相控阵天线、信号处理单元、FPGA处理单元和DSP运算单元；
所述相控阵天线分别与所述信号处理单元和所述FPGA处理单元连接，所述信号处理单元分别与所述FPGA处理单元和所述DSP运算单元连接，所述FPGA处理单元与所述DSP运算单元连接；
所述相控阵天线，用于接收车载电子标签发送的射频信号；
所述信号处理单元，用于将所述射频信号转换为数字信号；
所述FPGA处理单元，用于根据所述数字信号通过波束扫描定位算法获得所述车载电子标签的第一定位结果；
所述DSP运算单元，用于根据所述数字信号通过基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得所述车载电子标签的第二定位结果，并根据所述第一定位结果和所述第二定位结果确定所述车载电子标签的位置。
可选的，所述DSP运算单元具体用于：
根据所述第一定位结果和所述第二定位结果获得所述车载电子标签的定位偏差；
若所述定位偏差位于预设偏差范围内，则将所述第一定位结果指示的位置或者所述第二定位结果指示的位置作为所述车载电子标签的位置。
可选的，所述第一定位结果为所述车载电子标签的第一坐标值(X1，Y1)，所述第二定位结果为所述车载电子标签的第二坐标值(X2，Y2)。
可选的，所述定位偏差包括：X方向上的第一偏差|X1-X2|和Y方向上的第二偏差|Y1-Y2|；
所述定位偏差位于预设偏差范围内，包括：
所述第一偏差小于第一预设阈值，且所述第二偏差小于第二预设阈值。
可选的，所述定位偏差为所述第一坐标值与所述第二坐标值之间的距离。
可选的，所述第一定位结果为所述射频信号的第一波达方向，所述第二定位结果为所述射频信号的第二波达方向；所述定位偏差为所述第一波达方向与所述第二波达方向的差值。
本发明提供的路测单元，包括本发明任一实施例提供的车载电子标签的定位装置。
本发明提供的车载电子标签的定位方法，包括：
接收车载电子标签发送的射频信号；
将所述射频信号转换为数字信号；
根据所述数字信号通过波束扫描定位算法获得所述车载电子标签的第一定位结果；
根据所述数字信号通过基于多信号分类MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得所述车载电子标签的第二定位结果；
根据所述第一定位结果和所述第二定位结果确定所述车载电子标签的位置。
本发明提供一种车载电子标签的定位装置、方法和路测单元。本发明提供的车载电子标签的定位装置，FPGA处理单元根据数字信号通过波束扫描定位算法获得车载电子标签的第一定位结果，DSP运算单元用于根据数字信号通过基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得车载电子标签的第二定位结果。将FPGA波束扫描定位与DSP超高分辨率定位相融合，有效提高了相控阵天线的抗干扰能力，提高了车载电子标签的定位准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的车载电子标签的定位装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的车载电子标签的定位方法的流程图。
附图标记说明：
11：相控阵天线； 12：信号处理单元；
13：FPGA处理单元； 14：DSP运算单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的车载电子标签的定位装置的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的车载电子标签的定位装置，可以包括：相控阵天线11、信号处理单元12、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)处理单元13和数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)运算单元14。
相控阵天线11分别与信号处理单元12和FPGA处理单元13连接，信号处理单元12分别与FPGA处理单元13和DSP运算单元14连接，FPGA处理单元13与DSP运算单元14连接。
相控阵天线11，用于接收车载电子标签发送的射频信号。
信号处理单元12，用于将射频信号转换为数字信号。
FPGA处理单元13，用于根据数字信号通过波束扫描定位算法获得车载电子标签的第一定位结果。
DSP运算单元14，用于根据数字信号通过基于多信号分类(multiple signalclassification，MUSIC)算法的超高分辨率定位算法获得车载电子标签的第二定位结果，并根据第一定位结果和第二定位结果确定车载电子标签的位置。
本实施例提供的车载电子标签的定位装置，在结构上，包括相控阵天线11、信号处理单元12、FPGA处理单元13和DSP运算单元14。相控阵天线11为可以通过控制天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。在本实施例中，相控阵天线11中各个辐射单元的馈电相位可以由FPGA处理单元13控制。相控阵天线11在ETC车道区域形成了一定的覆盖范围。覆盖范围可以根据相控阵天线11的不同、ETC车道区域的不同而有所不同。例如：覆盖范围可以包括道路宽度方向2.5～4米，道路行车方向0～10米。FPGA处理单元13可以为包括FPGA芯片的外围电路。DSP运算单元14可以为包括DSP芯片的外围电路。
本实施例提供的车载电子标签的定位装置，实现车辆定位的原理如下：
ETC车辆驶入ETC车道区域后，ETC车辆上的车载电子标签将发送射频信号，射频信号中可以携带车载电子标签的标识，该标识可以唯一区分不同的车载电子标签。需要说明，本实施例对于射频信号中携带的其他信息不做限定。相应的，相控阵天线11接收车载电子标签发送的射频信号，并将射频信号发送给信号处理单元12。信号处理单元12可以对射频信号进行本振、混频、滤波等处理，将射频信号转换为数字信号，并将数字信号发送给FPGA处理单元13和DSP运算单元14。FPGA处理单元13根据数字信号通过波束扫描定位算法获得车载电子标签的第一定位结果，并把第一定位结果发送给DSP运算单元14。第一定位结果指示了通过波束扫描定位算法获得的车载电子标签的位置。DSP运算单元14，用于根据数字信号通过基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得车载电子标签的第二定位结果。第二定位结果指示了通过基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得的车载电子标签的位置。由于通过两种算法获得了车载电子标签的两个定位结果，因此，DSP运算单元14可以根据第一定位结果和第二定位结果最终确定车载电子标签的位置。
可见，本实施例提供的车载电子标签的定位装置，一方面利用FPGA实现波束扫描定位，另一方面利用DSP的高运算能力实现基于MUSIC的超高分辨率定位。在信号相对稳定、干扰较小时，FPGA波束扫描定位和DSP基于MUSIC的超高分辨率定位的定位结果应当基本一致，两种技术可以相互验证，可以更好的提高定位精度。而在信号不稳定、干扰较大时，FPGA波束扫描定位和DSP基于MUSIC的超高分辨率定位的定位结果的不一致性将加大，通过第一定位结果和第二定位结果可以确定本次无法准确确定车载电子标签的位置。因此，本实施例提供的车载电子标签的定位装置，将FPGA波束扫描定位与DSP超高分辨率定位相融合，有效提高了相控阵天线的抗干扰能力，提高了车载电子标签的定位准确度。
需要说明的是，本实施例提供的车载电子标签的定位装置，是以一个ETC车辆发送射频信号进行示例性说明。在实际场景中，ETC车道区域中可能存在多个ETC车辆。在同一时间，多个ETC车辆可能同时发送射频信号。相应的，相控阵天线11在同一时间可以从各个方向接收多个ETC车辆发送的射频信号。由于射频信号中会携带车载电子标签的标识，该标识可以唯一区分不同的车载电子标签。因此，FPGA处理单元13对数字信号进行处理后，可以获得多个车载电子标签的标识以及与每个标识对应的第一定位结果。DSP运算单元14对数字信号进行处理后，可以获得多个车载电子标签的标识以及与每个标识对应的第二定位结果。对于同一个车载电子标签的标识，DSP运算单元14可以根据与该车载电子标签对应的第一定位结果和第二定位结果最终确定该车载电子标签的位置。
需要说明的是，本实施例对于相控阵天线11的类型、型号不做特别限定，可以根据需要进行设置。
需要说明的是，本实施例对于FPGA处理单元13、DSP运算单元14的实现方式不做限定。对于FPGA处理单元13中包括的FPGA芯片、DSP运算单元14中包括的DSP芯片的类型和型号不做限定，根据需要进行设置。
需要说明的是，本实施例对于信号处理单元12将射频信号转换为数字信号的实现方式不做限定，可以采用现有的任意一种信号转换算法。
需要说明的是，本实施例对于波束扫描定位算法的实现方式不做限定，可以采用现有的任意一种波束扫描定位算法。波束扫描定位算法基于波束扫描理论，通过天线波束方位扫描覆盖区域，从而确定目标在覆盖区域内的位置。作为一个示例，波束扫描定位算法可以为：FPGA处理单元13预先为相控阵天线11中各阵子设置不同方向对应的方向系数。FPGA处理单元13根据数字信号与各个方向预设的方向系数做内积运算，内积最小的方向即为车载电子标签的当前方向，从而可以获得第一定位结果，实现定位。
需要说明的是，本实施例对于基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法的实现方式不做限定，可以采用现有的任意一种基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法。其中，MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法。从几何角度讲，信号处理的观测空间可以分解为信号子空间和噪声子空间，显然这两个空间是正交的。信号子空间由阵列接收到的数据协方差矩阵中与信号对应的特征向量组成，噪声子空间则由协方差矩阵中所有最小特征值(噪声方差)对应的特征向量组成。作为一个示例，基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法可以为：FPGA处理单元13对数字信号进行协方差运算，重构Toeplitz矩阵。DSP运算单元14对Toeplitz矩阵进行特征值分解，通过谱峰搜索算法构造信号子空间和噪声子空间，保证在不受信号相关性影响的情况下，对信号子空间和噪声子空间作正确估计，估算出波达方向，获得第二定位结果，实现定位。
可选的，DSP运算单元14可以具体用于：
根据第一定位结果和第二定位结果获得车载电子标签的定位偏差。
若定位偏差位于预设偏差范围内，则将第一定位结果指示的位置或者第二定位结果指示的位置作为车载电子标签的位置。
具体的，根据第一定位结果和第二定位结果获得的车载电子标签的定位偏差，可以反映出通过FPGA波束扫描定位和DSP基于MUSIC的超高分辨率定位的定位结果的不一致程度。如果定位偏差位于预设偏差范围内，说明两种技术的定位结果基本一致，此时，信号相对稳定、干扰较小，定位结果准确。因此，可以将第一定位结果指示的位置或者第二定位结果指示的位置作为车载电子标签的位置，提高了ETC车辆的定位准确度。
需要说明的是，本实施例对于预设偏差范围不做限定，可以根据定位偏差的具体实现方式进行设置。
可选的，第一定位结果可以为车载电子标签的第一坐标值(X1，Y1)，第二定位结果为车载电子标签的第二坐标值(X2，Y2)。
可选的，作为第一种实现方式，定位偏差可以包括：X方向上的第一偏差|X1-X2|和Y方向上的第二偏差|Y1-Y2|。
相应的，定位偏差位于预设偏差范围内，可以包括：
第一偏差小于第一预设阈值，且第二偏差小于第二预设阈值。
其中，本实施例对于第一预设阈值、第二预设阈值的具体取值不做限定，可以根据需要进行设置。
可选的，作为第二种实现方式，定位偏差可以为第一坐标值与第二坐标值之间的距离。
可选的，第一定位结果可以为射频信号的第一波达方向，第二定位结果为射频信号的第二波达方向。定位偏差为第一波达方向与第二波达方向的差值。
其中，波达方向(Direction of arrival，DOA)是指空间信号到达天线阵元的方向角，简称波达方向。
本实施例提供一种车载电子标签的定位装置，包括相控阵天线、信号处理单元、FPGA处理单元和DSP运算单元。本实施例提供的车载电子标签的定位装置，FPGA处理单元根据数字信号通过波束扫描定位算法获得车载电子标签的第一定位结果，DSP运算单元用于根据数字信号通过基于MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得车载电子标签的第二定位结果。将FPGA波束扫描定位与DSP超高分辨率定位相融合，有效提高了相控阵天线的抗干扰能力，提高了车载电子标签的定位准确度。
本发明实施例还提供一种路测单元，包括图1所示实施例提供的车载电子标签的定位装置。
其中，车载电子标签的定位装置的技术原理和技术效果与图1所示实施例类似，此处不再赘述。
图2为本发明实施例提供的车载电子标签的定位方法的流程图。本实施例提供的车载电子标签的定位方法，执行主体可以为图1所示实施例提供的车载电子标签的定位装置。如图2所示，本实施例提供的车载电子标签的定位方法，可以包括：
S101、接收车载电子标签发送的射频信号。
S102、将射频信号转换为数字信号。
S103、根据数字信号通过波束扫描定位算法获得车载电子标签的第一定位结果。
S104、根据数字信号通过基于MUSIC的超高分辨率定位算法获得车载电子标签的第二定位结果。
S105、根据第一定位结果和第二定位结果确定车载电子标签的位置。
可选的，S105、根据第一定位结果和第二定位结果确定车载电子标签的位置，可以包括：
根据第一定位结果和第二定位结果获得车载电子标签的定位偏差。
若定位偏差位于预设偏差范围内，则将第一定位结果指示的位置或者第二定位结果指示的位置作为车载电子标签的位置。
可选的，第一定位结果为车载电子标签的第一坐标值(X1，Y1)，第二定位结果为车载电子标签的第二坐标值(X2，Y2)。
可选的，定位偏差包括：X方向上的第一偏差|X1-X2|和Y方向上的第二偏差|Y1-Y2|。
定位偏差位于预设偏差范围内，可以包括：
第一偏差小于第一预设阈值，且第二偏差小于第二预设阈值。
可选的，定位偏差为第一坐标值与第二坐标值之间的距离。
可选的，第一定位结果为射频信号的第一波达方向，第二定位结果为射频信号的第二波达方向。定位偏差为第一波达方向与第二波达方向的差值。
本实施例提供的车载电子标签的定位方法，执行主体可以为图1所示实施例提供的车载电子标签的定位装置，其技术原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种车载电子标签的定位装置，其特征在于，包括：相控阵天线、信号处理单元、现场可编程门阵列FPGA处理单元和数字信号处理DSP运算单元；
所述相控阵天线分别与所述信号处理单元和所述FPGA处理单元连接，所述信号处理单元分别与所述FPGA处理单元和所述DSP运算单元连接，所述FPGA处理单元与所述DSP运算单元连接；
所述相控阵天线，用于接收车载电子标签发送的射频信号；
所述信号处理单元，用于将所述射频信号转换为数字信号；
所述FPGA处理单元，用于根据所述数字信号通过波束扫描定位算法获得所述车载电子标签的第一定位结果；
所述DSP运算单元，用于根据所述数字信号通过基于多信号分类MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得所述车载电子标签的第二定位结果，并根据所述第一定位结果和所述第二定位结果确定所述车载电子标签的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DSP运算单元具体用于：
根据所述第一定位结果和所述第二定位结果获得所述车载电子标签的定位偏差；
若所述定位偏差位于预设偏差范围内，则将所述第一定位结果指示的位置或者所述第二定位结果指示的位置作为所述车载电子标签的位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一定位结果为所述车载电子标签的第一坐标值(X1，Y1)，所述第二定位结果为所述车载电子标签的第二坐标值(X2，Y2)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述定位偏差包括：X方向上的第一偏差|X1-X2|和Y方向上的第二偏差|Y1-Y2|；
所述定位偏差位于预设偏差范围内，包括：
所述第一偏差小于第一预设阈值，且所述第二偏差小于第二预设阈值。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述定位偏差为所述第一坐标值与所述第二坐标值之间的距离。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一定位结果为所述射频信号的第一波达方向，所述第二定位结果为所述射频信号的第二波达方向；所述定位偏差为所述第一波达方向与所述第二波达方向的差值。
7.一种路测单元，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一项所述的车载电子标签的定位装置。
8.一种车载电子标签的定位方法，其特征在于，包括：
接收车载电子标签发送的射频信号；
将所述射频信号转换为数字信号；
根据所述数字信号通过波束扫描定位算法获得所述车载电子标签的第一定位结果；
根据所述数字信号通过基于多信号分类MUSIC算法的超高分辨率定位算法获得所述车载电子标签的第二定位结果；
根据所述第一定位结果和所述第二定位结果确定所述车载电子标签的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一定位结果和所述第二定位结果确定所述车载电子标签的位置，包括：
根据所述第一定位结果和所述第二定位结果获得所述车载电子标签的定位偏差；
若所述定位偏差位于预设偏差范围内，则将所述第一定位结果指示的位置或者所述第二定位结果指示的位置作为所述车载电子标签的位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一定位结果为所述车载电子标签的第一坐标值(X1，Y1)，所述第二定位结果为所述车载电子标签的第二坐标值(X2，Y2)。
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