CN111045061A - 基于v2v的车辆间协作定位及距离感知方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法及装置，所述方法包括以下步骤：基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；通过车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。本发明无需车辆间通视，不受车辆间的障碍物影响。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法与装置。
背景技术
GNSS(Global navigation satellite system，全球卫星定位系统)伪距单点定位技术是采用单台GNSS接收机，在某一时刻同时量测到至少4颗卫星的伪距值，并利用接收机接收到的卫星广播星历，计算得到观测时刻的各颗卫星的卫星位置和卫星钟差，采用距离交会的方法求定接收机位置，建立伪距单点定位方程，估计包括三维坐标及接收机钟差在内的未知参数，以得到3到10米左右的定位结果。
RTK(Real-time kinematic，实时动态载波相位差分定位技术)定位是基于GPS差分技术和通信技术的高精度实时移动定位技术，其标准模式是通过在某一区域内架设一台基准站，基准站利用其无线电设备，将观测到的原始载波、伪距观测值及基准站坐标、天线信息编码至RTCM(国际海运事业无线电技术委员会)差分格式数据，发送给流动站用户；用户端接收差分格式数据，并构建站间、星间双差载波、伪距观测模型，消除了包括接收机载波伪距偏差、接收机、卫星钟差偏差，并大幅度削弱包括卫星轨道误差、大气误差等对模糊度的影响，使得双差模糊度得已快速固定，实现用户端高精度载波相位差分定位，精度可达厘米级，这种技术称为RTK技术。
车辆与车辆间的相对定位一般采用无线电测距技术，包括接收信号强度(RSS，Received Signal Strength)，基于时间的测距技术如到达时间(TOA，Time OfArrival)/到达时间差(TDOA，Time Difference Of Arrival)等。RSS测距方法虽然容易实现，却对路径损耗系数的估算误差极为敏感，容易受到信道衰落特性的影响，造成较大的测距误差。如车辆常规使用的激光雷达测距，通过计算通过接收信号与发送信号的相位之差来估计信号传播时间，乘以速度即为距离的估计量，但测量过程容易受到天气和大气影响，放大噪声干扰从而影响精度，同时当无法通视时易受障碍物影响而检测不到相对位置(视野盲区)。
采用GNSS技术的车辆间定位主要依靠车辆本身的伪距单点的定位结果，将车辆位置发送给服务端或周边车辆，其位置精度一般在3到10米，仅能提供车辆的概略位置；采用网络RTK技术可以获取到车辆实时的厘米级定位精度，但由于基准站的建设成本较高，因此只能满足区域的网络RTK覆盖，而且每个基准站只能覆盖有限区域，随着车辆与基准站的距离的加大而误差逐渐加大，影响模糊度固定的成功率和定位精度，且需依赖稳定可靠的通讯链路，实际使用过程中容易通讯中断而得不到可靠的定位位置，不适用于实时动态定位。
发明内容
本发明提出了一种基于V2V(Vehicle-to-Vehicle，车与车间)的车辆间厘米级相对定位及距离控制方法，对车辆安装搭载低成本GNSS接收设备实时接收卫星差分信号，利用车载的传输单元向周边其他车辆传输本车辆的实时GNSS原始观测值，并接收其他车辆的实时GNSS观测值，实现车辆间GNSS原始观测信息的车到车点对点的网状通讯交互和相对距离精确感知；
本发明针对各车辆的原始全星座GNSS观测数据，建立车间单差位置速度PV(Positioning-Velocity)滤波模型，消除公共卫星轨道、卫星钟差及大气误差部分，实现站间单差模糊度固定，获取厘米级的V2V相对位置确定。
本发明采用的技术方案具体如下：
一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，所述方法包括以下步骤：
基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的相对位置和速度；
通过车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
进一步地，所述原始观测数据包括：卫星星历、卫星载波观测值、卫星伪距观测值、卫星多普勒观测信息。
进一步地，通过车载传输单元将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据。
进一步地，所述车载传输单元采用元采用DRSC短程通信或者LTE网络架构。
进一步地，将车辆原始观测数据通过通讯网络传输至云端平台，由云端平台计算并下发给周边其他车辆，云端平台同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据。
进一步地，单差观测模型消除的误差包括卫星钟差、卫星硬件延迟、卫星载波偏差、卫星传播路径过程中的大气误差。
进一步地，通过单差观测模型获取车与车间的单差观测值，公式如下：
其中，s，k，j表示卫星、接收机及频率号，j＝1，2，…f；f表示频率数，Δ表示站点单差符号；
分别表示卫星s在两台接收机间在频率j上的单差伪距观测量、载波相位观测量、多普勒观测量；
表示卫星s在两台接收机间的站间单差几何距离；ΔδtΔk表示接收机钟差的站间单差值；
表示频率j上的接收机端单差伪距信号延迟；
表示频率j上的接收机单差载波相位信号延迟；λj是频率j上的载波波长；
是卫星s在两台接收机频率j上的单差相位整数模糊度；
表示接收机的几何方向参数；ΔδlΔk为两条接收机的单差钟漂参数差；
分别是卫星s在频率j上的单差伪距观测值、相位观测值、多普勒值观测噪声；c表示光速。
进一步地，所述滤波模型如下：
其中，Li为观测值矩阵，i为第i个观测历元，待估参数包括：空间三维相对位置、相对三维速度、单差模糊度、各系统各频段的单差接收机钟差及单差接收机钟漂。选择基准卫星，固定单差模糊度，滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度。
本发明还提供了一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知装置，包括：
数据采集单元，用于基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
数据传输与接收单元，用于将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
模型建立单元，用于当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
滤波解算单元，用于建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
车辆安全距离预警单元，用于基于车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
本发明还提供了一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序执行如下步骤：
基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
通过车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
本发明的有益效果在于，不依赖平台通讯，采用点对点的专用短程通信方法建立车联网状通讯交互，由于车辆间距离较短，采用单差载波观测模型可大幅度消除大气误差等影响，更快的固定模糊度并获得厘米级相对定位结果，同时无需车辆间通视，不受车辆间的障碍物影响。
附图说明
图1为本发明基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法流程图；
图2为本发明基于V2V的车辆间协作定位及距离感知装置结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于V2V的车辆间厘米级相对定位及距离控制方法和装置，对车辆安装搭载低成本GNSS接收设备实时接收卫星差分信号，利用车载的传输单元DSRC(Dedicated Short-Range Communication，专用短程通信)或基于LTE(Long TermEvolution，长期演进)网络架构向周边其他车辆传输本车辆的实时GNSS原始观测值，并接收来自其他车辆的GNSS观测信息，通过建立单差观测滤波方程，通过固定模糊度，得到各车辆在三维坐标框架下的精确的相对距离和相对速度，以实现车辆位置的共享和与周边车辆的相对距离的感知。
下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
实施例一：
本发明提供了一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，流程图见图1所示，具体包括以下步骤：
步骤一：车辆原始数据采集。
车辆实时获取车载GNSS终端的原始多星座观测数据，包括：卫星星历、卫星载波观测值、卫星伪距观测值、卫星多普勒观测信息。
步骤二：车与车间通讯连接。
利用车载的传输单元向周边其他车辆(根据本身车速和传输单元信号传播范围)传输本车辆的实时GNSS原始观测值(卫星载波观测值、卫星伪距观测值)，同时接收其他车辆传输的GNSS原始观测信值，其中传输单元可采用DRSC短程通信技术，或基于LTE(LongTerm Evolution，长期演进)网络架构实现车与车之间的通讯链接，或将各车辆实时观测数据通过通讯网络传输至云端平台，由云端平台计算并下发车辆位置。
步骤三：车与车单差观测值获取。
当车辆接收到其他车辆的原始载波伪距观测值后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差消除卫星钟差、卫星硬件延迟、卫星载波偏差等误差，并大幅度削弱卫星传播路径过程中的大气误差，一般对于小于5km以内的车与车之间的相对位置确定，可忽略大气误差的影响，则恢复的车与车间的单差观测值可写为：
其中：s，k，j表示卫星、接收机及频率号，j＝1，2，…f；f表示频段数，Δ表示站点单差符号；
分别表示卫星s在两台接收机间在频率j上的单差伪距观测量、载波相位观测量、多普勒观测量；
表示卫星s在两台接收机间的站间单差几何距离；ΔδtΔk表示接收机钟差的站间单差值；
表示频率j上的接收机端单差伪距信号延迟；
表示频率j上的接收机单差载波相位信号延迟；λj是频率j上的载波波长；
是卫星s在两台接收机频率j上的单差相位整数模糊度；
表示接收机的几何方向参数；ΔδlΔk为两条接收机的单差钟漂参数差；
是卫星s在频率j上的单差伪距观测值、相位观测值、多普勒值观测噪声；c表示光速。
步骤四：载体动态滤波模型建立。
建立车与车间的相对位置速度滤波模型，因此待估未知量包括：车与车间的空间三维相对位置、相对三维速度、单差模糊度、各系统各频段的单差接收机钟差及单差接收机钟漂，i为第i个观测历元，观测值矩阵Li可写为：
对于全星座解算，受到不同的观测频率影响，不同星座间的接收机间的载波偏差具有一定差异，因此GPS、北斗及伽利略系统需独自选取其对应的基准卫星。
选择基准卫星，并不估计基准卫星的模糊度，以恢复单差模糊度的整数特性，固定单差模糊度，滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置及速度。
步骤五：利用当前车与车间位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值(根据车辆相对速度和刹车反应时间确定预警风险范围)，当超过阈值时提供给驾驶员或车辆控制系统。
实施例二：
本发明基于动态车辆间的动对动速度PV滤波模型，对车辆间安全距离进行实时感知并判断安全距离。本发明还提供了一种基于单目视觉的共享单车辅助定位装置，如图2所示，包括：
数据采集单元，用于基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
数据传输与接收单元，用于将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
模型建立单元，用于当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
滤波解算单元，用于建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
车辆安全距离预警单元，用于基于车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
实施例三：
本发明还提供了一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序执行如下步骤：
基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
通过车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
本发明优选处理代码是C/C++，实现数据流输入、算法调用处理和自动化控制。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
通过车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
2.如权利要求1所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，所述原始观测数据包括：卫星星历、卫星载波观测值、卫星伪距观测值、卫星多普勒观测信息。
3.如权利要求1所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，通过车载传输单元将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据。
4.如权利要求3所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，所述车载传输单元采用元采用DRSC短程通信或者LTE网络架构。
5.如权利要求1所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，将车辆原始观测数据通过通讯网络传输至云端平台，由云端平台计算并下发给周边其他车辆，云端平台同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据。
6.如权利要求1所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，单差观测模型消除的误差包括卫星钟差、卫星硬件延迟、卫星载波偏差、卫星传播路径过程中的大气误差。
7.如权利要求1所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，通过单差观测模型获取车与车间的单差观测值，公式如下：
其中，s，k，j表示卫星、接收机及频率号，j＝1，2，…f；f表示频率数，Δ表示站点单差符号；
分别表示卫星s在两台接收机间在频率j上的单差伪距观测量、载波相位观测量、多普勒观测量；
表示卫星s在两台接收机间的站间单差几何距离；ΔδtΔk表示接收机钟差的站间单差值；
表示频率j上的接收机端单差伪距信号延迟；
表示频率j上的接收机单差载波相位信号延迟；λj是频率j上的载波波长；
是卫星s在两台接收机频率j上的单差相位整数模糊度；
表示接收机的几何方向参数；ΔδlΔk为两条接收机的单差钟漂参数差；
分别是卫星s在频率j上的单差伪距观测值、相位观测值、多普勒值观测噪声；c表示光速。
8.如权利要求7所述的一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知方法，其特征在于，所述滤波模型如下：
其中，Li为观测值矩阵，i为第i个观测历元，待估参数包括：空间三维相对位置、相对三维速度、单差模糊度、各系统各频段的单差接收机钟差及单差接收机钟漂；选择基准卫星，固定单差模糊度，滤波解算得到各历元下的车与车间的相对位置和速度。
9.一种基于V2V的车辆间协作定位及距离感知装置，其特征在于，所述装置包括：
数据采集单元，用于基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
数据传输与接收单元，用于将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
模型建立单元，用于当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
滤波解算单元，用于建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
车辆安全距离预警单元，用于基于车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
10.一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序执行如下步骤：
基于车载GNSS终端采集车辆原始观测数据；
将车辆原始观测数据传输给周边其他车辆，同时接收周边其他车辆传输的车辆原始观测数据；
当车辆接收到周边其他车辆的原始观测数据后，建立车与车间的单差观测模型，通过单差观测模型消除误差；
建立车与车间的相对位置和速度滤波模型，通过滤波解算得到各历元下的车与车间的厘米级相对位置和速度；
通过车与车间的相对位置和速度，将空间三维位置转为平面、高程方向相对运动位置，判断是否存在碰撞或接触风险，并提供预警阈值，当超过预警阈值时发出报警信号。
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