专利名称：基于dbf的obu定位方法、定位装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明关于智能交通技术，特别是关于不停车收费技术，具体的讲是一种基于DBF 的OBU定位方法、定位装置及不停车收费系统。
背景技术：
不停车收费系统是智能交通系统领域中一个特殊的应用，采用专用短程无线通信 (DSRC !Dedicated Short-Range Communication)技术实现整个收费过程，以使车辆在整个收费过程中保持行驶状态而不用停车。目前这一技术在高速公路收费中已经得到广泛应用。如图I所示，现有的高速公路不停车收费系统的主要包括下列设备I)车道计算机300 :负责对车道状态进行控制，并完成信息处理。2)路侧单元(RSU，Road Side Unit) 200 :由RSU天线和RSU控制器组成，内含PSAM 消费安全访问模块，对车载单元进行安全认证并完成信息采集并将信息传送给车道计算机 400。RSU天线一般安装在4、5米高，每个RSU覆盖一个车道。3)车载单元100 (OBU，On Board Unit):车载单元OBU安装在用户车辆上，装载用户身份信息和ESAM嵌入式安全模块，在交易时进行安全认证，对用户IC卡进行读写并将信息发送至路侧单元。OBU道路上的可通信区域一般为6-8米。路侧单元RSU是车道计算机400与车载0BU100之间的传输中介，当应收费的车辆通过收费车道时，路侧单元中的RSU天线发射一束微波广播信号，OBU与RSU之间经过相互认证后，OBU与RSU之间进行数据交换。OBU内被写入相应信息，RSU也得到了相应的数据， 之后上传到车道计算机。专利号为201010608098. O、发明名称为一种ETC系统中车载单元的定位装置和方法的专利申请中公开了如下技术方案(I)至少两个ETC路侧单元接收同一 OBU发送的微波信号；(2)根据微波信号获得该微波信号对应的功率强度值；(3)根据微波信号的功率强度值、至少两个ETC路侧单元的位置以及微波信号波长、微波功率检测因子确定OBU的位置信息。该申请文件保护的技术方案存在如下技术问题(I)在实际应用中，OBU天线的增益会给定位造成很大误差，而且各厂家OBU天线的方向图(增益)不同，因此会影响定位的精度。(2)在实际应用中经常会存在OBU不正对RSU的情况，该种情况下的定位精度会大大降低。(3)由于该方案的定位方式是基于微波信号的功率强度值进行的，而微波信号的信号传输受周边环境的影响非常大，因此微波信号在传输过程的衰减程度将难以估算。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于DBF的OBU定位方法、定位装置及不停车收费系统， 通过根据不同RSU定位装置接收到OBU发送的微波信号确定出OBU与不同RSU定位装置之间的方向角，进而根据不同RSU定位装置的位置及方向角实现对装有OBU车辆的精确定位， 解决了现有技术中的不停车收费系统定位精度差的问题。本发明的目的之一是，提供一种基于DBF的OBU定位方法，所述的方法包括路侧设备RSU采集车载设备OBU发送的微波信号，所述的路侧设备RSU包括RSU天线、RSU控制装置以及至少两个RSU定位装置；所述的RSU定位装置根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角；根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位置信息。为了实现OBU与RSU之间的认证，所述的方法还包括所述的RSU天线发送微波广播信号至所述的OBU ;所述的RSU天线接收所述的OBU根据所述微波广播信号返回的信号。本发明的目的之一是，提供一种不停车收费系统的RSU定位装置，所述的装置包括微波天线，用于采集车载设备OBU发送的微波信号；方向角确定模块，用于根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角。本发明的目的之一是，提供一种不停车收费系统，所述的系统包括车载设备 0BU、路侧设备RSU以及车道计算机，所述的路侧设备RSU包括RSU天线、RSU控制装置以及至少两个RSU定位装置；所述的RSU天线，用于发送微波广播信号至所述的OBU ;所述的 0BU，用于当接收到所述的微波广播信号后，向所述的RSU发送微波信号；所述的RSU定位装置，用于根据采集的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角；所述的RSU控制装置，用于根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位置信息，根据所述的位置信息发送所述的OBU对应的交易信息至所述的RSU天线；所述的RSU天线，还用于根据所述的交易信息与所述的OBU进行交易；所述的RSU控制装置，还用于将所述的OBU的位置信息以及交易信息发送至所述的车道计算机；所述的车道计算机，用于保存所述的位置信息以及交易信息。为了实现对OBU的准确定位，所述的至少两个RSU定位装置在一条直线上或者不
在一条直线上。为了实现RSU内部的相互通信，所述的RSU天线、所述的至少两个RSU定位装置通过专用通信线缆与所述的RSU控制装置联接。本发明的有益效果在于，通过根据不同RSU定位装置接收到OBU发送的微波信号确定出OBU与不同RSU定位装置之间的方向角，进而根据不同RSU定位装置的位置及方向角实现对装有OBU车辆的精确定位，解决了现有技术中的不停车收费系统定位精度差的问题，且由于能够对当前OBU进行精确定位，因此，不仅解决了相邻车道之间的干扰问题，实现了不停车收费系统的准确扣费，减少了不必要的纠纷，而且可实现对城市自由流等系统中装有OBU车辆的精确定位。本发明可以应用在现有的ETC收费系统、多车道自由流不停车收费系统、拥堵收费系统以及停车场管理系统等对OBU定位的场合。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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I为现有技术中的不停车收费系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于DBF的OBU定位方法的流程图3为图2中的步骤S202的具体流程图；图4为本发明实施例提供的一种不停车收费系统的结构框图；图5为本发明实施例提供的一种RSU定位装置的结构框图；图6为本发明实施例提供的RSU定位装置中微波天线的实施方式一的结构示意图；图7为本发明实施例提供的RSU定位装置中微波天线的实施方式二的结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种不停车收费系统的定位流程图；图9为本发明实施例中两个RSU定位装置在同一直线时的示意图；图10为两个RSU定位装置在同一直线时定位OBU的原理图；图11为本发明实施例中三个RSU定位装置在同一直线时的示意图；图12为三个RSU定位装置在同一直线时定位OBU的原理图；图13为双车道的OBU定位的连接示意图；图14为求微波到达方向的原理图。
具体实施例方式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，所描述的实施例仅仅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2为本发明实施例提供的一种基于DBF的OBU定位方法的流程图，由图2可知， 该方法包括S201 :至少两个路侧设备RSU分别采集车载设备OBU发送的微波信号。在本发明中，RSU可以为2个、3个或者至少两个。所述的路侧设备RSU包括RSU天线、RSU控制装置以及至少两个RSU定位装置。S202 :所述的RSU定位装置根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角。S203 :根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位
置信息。除上述步骤之外，该方法还包括所述的RSU天线发送微波广播信号至所述的 OBU0 RSU天线发送微波广播信号是为了唤醒0BU。所述的RSU天线接收所述的OBU根据所述微波广播信号返回微波信号。如此，实现了 RSU与OBU之间的安全认证，经过认证之后，即执行后续步骤S201至S203。图3为图2中的步骤S202的具体流程图，由图3可知，该步骤具体包括S301 :将采集到的微波信号进行同步下变频处理以得到多通道的中频信号；S302 :将所述的多通道的中频信号进行同步采集，将模拟信号转换为数字信号；S303:将所述的数字信号进行数字下变频处理得到所述微波信号的同相分量与正交分量，组成复数形式的输入信号；S304 :将所述的输入信号进行DBF算法以得到所述的OBU与RSU定位装置的方向角。图4为本发明实施例提供的一种不停车收费系统的结构框图，由图4可知，该系统包括车载设备0BU100、路侧设备RSU200以及车道计算机300，所述的路侧设备RSU200包括RSU天线201、RSU控制装置203以及至少两个RSU定位装置202 ；其中，所述的RSU天线201，用于发送微波广播信号至所述的0BU100 ；所述的0BU100，用于当接收到所述的微波广播信号后，向所述的RSU200发送微波信号;所述的RSU定位装置202，用于根据采集的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角；所述的RSU控制装置203，用于根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位置信息，根据所述的位置信息发送所述的OBU对应的交易信息至所述的RSU天线；所述的RSU天线201，还用于根据所述的交易信息与所述的OBU进行交易；所述的RSU控制装置203，还用于将所述的OBU的位置信息以及交易信息发送至所述的车道计算机300 ；所述的车道计算机300，用于保存所述的位置信息以及交易信息。所述的RSU天线、所述的至少两个RSU定位装置通过专用通信线缆与所述的RSU 控制装置联接。至少两个RSU定位装置设置在一条直线上或者不在一条直线上。本发明可以应用在现有的ETC收费系统、多车道自由流不停车收费系统、拥堵收费系统以及停车场管理系统等对OBU定位的场合。图8为本发明实施例提供的一种不停车收费系统的定位流程图，由图8可知，系统的定位流程主要包括S801 :系统上电并初始化；S802 :初始化系统参数；S803 =RSU天线发送广播信号搜索OBU ；S804:判断检测是否有OBU发送的微波信号，当检测到微波信号时，执行步骤 S805，否则返回执行步骤S803 ；S805 :如果有OBU微波信号，则多个RSU定位装置接收该微波信号，根据该微波信号确定出OBU相对RSU定位装置的方向角；S806 =RSU定位装置将方向角发送给RSU控制装置；S807 :RSU控制装置确定出OBU的精确位置，选择合适的RSU天线与OBU进行交易;S808 :交易完成后返回执行步骤S803。所述的RSU定位装置202包括微波天线2021，用于采集车载设备OBU发送的微波信号；方向角确定模块，用于根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角。RSU定位装置中的微波天线为天线阵列，通过一系列的天线单元组成。图6为本发明实施例提供的RSU定位装置中微波天线的实施方式一的结构示意图，I个或多个天线单元组成一个微波天线，多个天线单元在同一方向上等间距或不等间距地排列(图6中由左向右方向)，天线线阵采集到微波信号后即能得到一个方向角，即OBU到RSU定位装置的连线与线阵方向上的夹角。多个独立的天线单元排列在一起，当微波信号从不同方向入射到天线单元时，由于发射源到天线单元之间的距离不同，导致同一时刻各天线单元接收信号的相位不同，根据各天线单元的相位关系和微波信号的波长信息，可以求出发射源相对于天线阵列的方向。其原理如图14所示。图14中，天线线阵的方向向右，d为天线单元的距离，当d远远小于发射源到天线阵列距离时，可以将入射波看作是平行的。当入射角为α (即入射信号与天线线阵方向的夹角)，则发射源到两个天线单元的距离差为dcos (α),设微波信号的
波长为入，则微波信号到达两个天线单元的相位差为f dcos(<)由于不同方向到达的信
号其相位差不同，根据这个固定的相位关系，通过DBF算法便能求出发射源所在的方向，即入射角α。图7为本发明实施例提供的RSU定位装置中微波天线的实施方式二的结构示意图，在该实施方式中，天线单元按矩阵形式排列。图7为Ν*Μ的矩阵天线，矩阵天线能得到两个角度信息，即OBU到RSU的连线与天线水平以及竖直方向上的夹角。上述的天线单元可能是一个小天线块，也可能是多个天线块的一个组合。RSU定位装置中的方向角确定模块具体包括下变频模块2022，用于将采集到的微波信号进行同步下变频处理以得到中频信号;A/D采集模块2023，用于将所述的中频信号进行同步采集，将模拟信号转换为数
字信号;数字下变频模块2024，用于将所述的数字信号进行数字下变频处理得到所述微波信号的同相分量与正交分量，组成复数形式的输入信号；处理器2025，用于将所述的输入信号进行DBF算法以得到所述的OBU与RSU定位装置的方向角。图5为本发明实施例提供的一种RSU定位装置的结构框图，由图5可知，在该实施方式中RSU定位装置主要包括微波天线2021，用于采集车载设备OBU发送的微波信号；下变频模块2022，用于将采集到的微波信号进行同步下变频处理以得到中频信号;A/D采集模块2023，用于将所述的中频信号进行同步采集，将模拟信号转换为数
字信号;数字下变频模块2024，用于将所述的数字信号进行数字下变频处理得到所述微波信号的同相分量与正交分量，组成复数形式的输入信号；上述的微波天线2021、下变频模块2022、A/D采集模块2023、数字下变频模块2024 构成通道1，在该实施方式中，共有通道N，即共有N个上述的微波天线2021、下变频模块 2022、A/D采集模块2023、数字下变频模块2024，分别与处理器2052相连接。在该实施方式中，除了上述模块之外，RSU定位装置还包括
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射频本振模块2026，用于产生同步的射频本振源，以保证多个下变频模块的同
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少；时钟分配模块2027，用于产生同步的采样时钟以使多个A/D采集模块同步进行数据转换；ROM模块2028，用于保存RSU定位装置的上电信息和参数，以使RSU定位装置初始化；RAM模块，用于保存临时数据和运行程序；电源模块2029，用于向RSU定位装置提供稳定的电压；现场总线接口和串行通信接口用于实现RSU定位装置与RSU控制装置的通信功倉泛。本发明中的RSU定位装置是基于DBF技术确定方向角的，下面具体介绍基于DBF 技术求方向角的原理。每个RSU定位装置有多个独立的通道，通道的最前端是由多个天线单元组成天线阵列的微波天线。微波信号经过下变频处理后变为中频信号，对中频信号进行采集并进行数字下变频处理，得到N通道的输入信号为
权利要求
1.一种基于数字波束形成DBF的车载设备OBU定位方法，其特征是，所述的方法包括 路侧设备RSU采集车载设备OBU发送的微波信号，所述的路侧设备RSU包括RSU天线、RSU控制装置以及至少两个RSU定位装置；所述的RSU定位装置根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角；根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位置信息。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的方法还包括所述的RSU天线发送微波广播信号至所述的OBU ；所述的RSU天线接收所述的OBU根据所述微波广播信号返回微波信号。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的RSU定位装置根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角包括将采集到的微波信号进行同步下变频处理以得到多通道的中频信号；将所述的多通道的中频信号进行同步采集，将模拟信号转换为数字信号；将所述的数字信号进行数字下变频处理得到所述微波信号的同相分量与正交分量，组成复数形式的输入信号；将所述的输入信号进行DBF算法以得到所述的OBU与RSU定位装置的方向角。
4.根据权利要求I至3中任意一项所述的方法，其特征是，至少两个RSU定位装置设置在一条直线上或者不在一条直线上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的RSU天线、所述的至少两个RSU定位装置通过专用通信线缆与所述的RSU控制装置联接。
6.一种不停车收费系统中的RSU定位装置，其特征是，所述的装置包括微波天线，用于采集车载设备OBU发送的微波信号；方向角确定模块，用于根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的方向角确定模块包括下变频模块，用于将采集到的微波信号进行同步下变频处理以得到中频信号；A/D采集模块，用于将所述的中频信号进行同步采集，将模拟信号转换为数字信号；数字下变频模块，用于将所述的数字信号进行数字下变频处理得到所述微波信号的同相分量与正交分量，组成复数形式的输入信号；处理器，用于将所述的输入信号进行DBF算法以得到所述的OBU与RSU定位装置的方向角。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的装置还包括射频本振模块，用于产生同步的射频本振源，以保证多个下变频模块的同步；时钟分配模块，用于产生同步的采样时钟以使多个A/D采集模块同步进行数据转换； ROM模块，用于保存RSU定位装置的上电信息和参数，以使RSU定位装置初始化；RAM模块，用于保存临时数据和运行程序；电源模块，用于向RSU定位装置提供稳定的电压。
9.一种不停车收费系统，其特征是，所述的系统包括车载设备0BU、路侧设备RSU以及车道计算机，所述的路侧设备RSU包括RSU天线、RSU控制装置以及至少两个RSU定位装所述的RSU天线，用于发送微波广播信号至所述的OBU ；所述的0BU，用于当接收到所述的微波广播信号后，向所述的RSU发送微波信号； 所述的RSU定位装置，用于根据采集的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角；所述的RSU控制装置，用于根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位置信息，根据所述的位置信息发送所述的OBU对应的交易信息至所述的RSU 天线；所述的RSU天线，还用于根据所述的交易信息与所述的OBU进行交易；所述的RSU控制装置，还用于将所述的OBU的位置信息以及交易信息发送至所述的车道计算机；所述的车道计算机，用于保存所述的位置信息以及交易信息。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的RSU定位装置包括微波天线，用于采集车载设备OBU发送的微波信号；方向角确定模块，用于根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述的方向角确定模块包括下变频模块，用于将采集到的微波信号进行同步下变频处理以得到中频信号；A/D采集模块，用于将所述的中频信号进行同步采集，将模拟信号转换为数字信号；数字下变频模块，用于将所述的数字信号进行数字下变频处理得到所述微波信号的同相分量与正交分量，组成复数形式的输入信号；处理器，用于将所述的输入信号进行DBF算法以得到所述的OBU与RSU定位装置的方向角。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述的RSU定位装置还包括射频本振模块，用于产生同步的射频本振源，以保证多个下变频模块的同步；时钟分配模块，用于产生同步的采样时钟以使多个A/D采集模块同步进行数据转换； ROM模块，用于保存RSU定位装置的上电信息和参数，以使RSU定位装置初始化；RAM模块，用于保存临时数据和运行程序；电源模块，用于向RSU定位装置提供稳定的电压。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的系统，其特征是，至少两个RSU定位装置设置在一条直线上或者不在一条直线上。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的RSU天线、所述的至少两个RSU定位装置通过专用通信线缆与所述的RSU控制装置联接。
全文摘要
本发明实施例提供了一种基于DBF的OBU定位方法、定位装置及不停车收费系统，所述的方法包括路侧设备RSU采集车载设备OBU发送的微波信号，所述的路侧设备RSU包括RSU天线、RSU控制装置以及至少两个RSU定位装置；所述的RSU定位装置根据采集到的微波信号确定出所述的OBU与RSU定位装置的方向角；根据所述的方向角以及各个RSU定位装置之间的位置确定所述的OBU的位置信息。通过根据不同RSU定位装置接收到OBU发送的微波信号确定出OBU与不同RSU定位装置之间的方向角，进而根据不同RSU定位装置的位置及方向角实现对装有OBU车辆的精确定位，解决了现有技术中的不停车收费系统定位精度差的问题。
文档编号G01S5/02GK102592323SQ20121000856
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者杨胜姚, 田林岩 申请人:北京万集科技股份有限公司