专利名称：一种纵向定位的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，特别涉及一种纵向定位的方法及装置。
背景技术：
自由流电子收费方式是在没有物理隔离设备的收费公路上，应用电子收费技术自动完成对多条车道上自由行驶的车辆进行收费处理的方式。在此方式下车辆可以自由行驶，通行能力高，是城市拥堵收费所采用的基本形式。路侧设备和车载设备是自由流系统的核心设备，当装有车载设备的车辆通过路侧设备的区域时，路侧设备与车载设备进行通信，路侧设备读取车载设备的信息，获取车辆的 ID (Identity，身份标识)、车型、车牌等信息，对合法车辆进行费用收取等操作，如果车辆为非法车辆，路侧设备的联动抓拍系统对车辆进行抓拍，以便后续对非法车辆进行罚款稽查等操作。自由流系统需要解决的一个问题就是跟车问题，当在路侧设备的交易区域中能前后同时容纳两辆以上的车辆时，如果其中有一辆车是合法车辆，另一辆是非法车辆，那么系统就不能区分合法和非法车辆而造成非法车辆的逃费。因此自由流系统对路侧设备的交易区域的宽度一股都是有所限制的，考虑到车体长度和跟车距离，通常要求交易区域限制在4米以内。对于路侧设备交易区域的限制，通常的做法是调整路侧设备的天线的发射功率和角度，尽可能的使天线的覆盖范围限制在希望的范围之内。但是这样的方法不能保证交易范围的准确，因为，一方面由于天线存在旁瓣等因素，不可能将天线的覆盖范围精确的控制，另一方面由于车载单元个体的差异，灵敏度会存在不同，导致了通行距离的不同，从而导致车载单元有可能在希望的交易区域外可以与路侧单元进行交易。因此，除了单纯的调整天线的功率和角度外，还需要有其他方法来保证交易范围，一个解决办法就是获知车辆与天线的纵向距离，当车辆在希望的交易区域外时，即使响应了路侧单元的信号也不进行通信。这样就需要有获得车辆与天线纵向距离的方法，已有的一些方法一股是根据收到的RSSI (Received Signal Strength Indication,接收信号强度指示)直接计算出距离，有的算法还可以计算出方位，但是这些方法大部分计算量较大，算法复杂，或计算所需的时间较长，有的还需要DSP (Digital Signal Processing,数字信号处理)芯片的辅助。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纵向定位的方法及装置，能更好地解决纵向定位方法计算量较大、算法复杂、有的还需要DSP芯片辅助的问题。根据本发明的一个方面，提供了一种纵向定位的方法，所述方法包括以下步骤A、在用来定位移动物体纵向距离的横向测量线的上方设置多个接收天线；B、根据所述多个接收天线关于接收信号的功率序列标准差与所述纵向距离的对应关系，预先计算对应于不同纵向距离的功率序列标准差，并建立保存各个纵向距离与所计算的各个功率序列标准差的标准差列表；C、在对所述移动物体进行纵向定位时，所述多个接收天线接收所述移动物体发射的无线信号，根据所述无线信号计算其功率序列标准差，并通过查找所述标准差列表，得到与所述功率序列标准差对应的纵向距离。其中，所述纵向距离是所述物体相对于测量线的垂直距离。其中，所述步骤B包括BI、计算各个接收天线对应于不同纵向距离的天线增益和空间衰减；B2、根据所述各个接收天线的天线增益和空间衰减计算各个接收天线的接收功率；
B3、归一化处理所述各个接收天线的接收功率并计算归一化功率序列标准差。其中，所述步骤B在计算天线增益和空间衰减之前还包括B4、建立标准差列表；B5、将所述不同纵向距离及其对应的已计算出的归一化功率序列标准差保存在所述标准差列表中。其中，所述步骤BI包括计算所述各个纵向距离对应的物体与各个接收天线中心线的夹角，并根据所述夹角查询天线方向图得到各个接收天线对应于不同纵向距离的天线增益。其中，所述步骤C包括Cl、在对所述移动物体进行纵向定位时，所述多个接收天线接收所述移动物体发射的无线信号，并计算接收信号强度指示RSSI ；C2、将所述各个接收天线的RSSI转化为功率，并对所述各个接收天线的功率归一化处理，计算归一化功率序列的标准差；C3、根据所述归一化功率序列的标准差查找所述标准差列表，得到与所述归一化功率序列标准差对应的纵向距离。根据本发明的另一方面，提供了一种纵向定位的装置，所述装置包括多个接收天线，设置在定位移动物体纵向距离的横向测量线的上方，用于接收所述移动物体发射的无线信号；预先设置模块，用于利用所述多个接收天线关于接收信号的功率序列标准差与所述纵向距离的对应关系，预先计算对应于不同纵向距离的功率序列标准差，并建立保存各个纵向距离与所计算的各个功率序列标准差的标准差列表；控制器，用于根据所述无线信号计算其功率序列标准差，并通过查找所述标准差列表，得到与所述功率序列标准差对应的纵向距离。其中，所述预先设置模块包括增益和衰减计算单元，用于计算各个接收天线对应于不同纵向距离的天线增益和空间裳减；功率计算单元，用于根据所述各个接收天线的天线增益和空间衰减计算各个接收天线的接收功率；标准差计算单元，用于归一化处理所述各个接收天线的接收功率并计算归一化功率序列标准差。其中，所述控制器还包括存储单元，用于存储所述不同纵向距离及其对应的已计算出的归一化功率序列标准差。其中，所述预先设置模块还用于计算不同纵向距离对应的物体与各个接收天线中心线的夹角，并根据所述夹角查询天线方向图得到所述各个接收天线的天线增益。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于一、测量纵向距离的算法简单、计算量小。
二、不仅可以应用于自由流系统，还可以应用于其他需要获得信源纵向距离的场
入
口 ο
图I是本发明实施例提供的一种纵向定位方法的原理图；图2是本发明实施例提供的初始化流程的示意图；图2a是本发明实施例提供的一种纵向定位系统的组成示意图；图3是本发明实施例提供的距离定位流程的示意图；图3a是本发明实施例提供的天线阵天线接收功率实测图；图4是本发明实施例提供的计算不同纵向距离的标准差的流程图；图4a是本发明实施例提供的天线方向图；图4b是本发明实施例提供的L-S坐标图；图5是本发明实施例提供的一种纵向定位装置的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。图I是本发明实施例提供的一种纵向定位方法的原理图，如图I所示，所述方法包括以下步骤步骤S101，在用来定位移动物体纵向距离的横向测量线的上方设置多个接收天线.步骤S102，根据所述多个接收天线关于接收信号的功率序列标准差与所述纵向距离的对应关系，预先计算对应于不同纵向距离的功率序列标准差，并建立保存各个纵向距离与所计算的各个功率序列标准差的标准差列表；步骤S103，在对所述移动物体进行纵向定位时，所述多个接收天线接收所述移动物体发射的无线信号，根据所述无线信号计算其功率序列标准差，并通过查找所述标准差列表，得到与所述功率序列标准差对应的纵向距离。本发明实施例提供的一种定位纵向方法的流程分为初始化流程和距离定位流程两部分。图2是本发明实施例提供的初始化流程的示意图，如图2所示，初始化流程包括以下步骤
步骤S201，初始化系统参数。初始化系统参数，包括天线挂高h，天线距离m，定位精度，信号频率f，其中，h为6米，m为O. 95米，f为5. 8GHz，定位精度为m/2，有效通信区域为纵向距离5_8米。例如在图2a中，每车道设置5个接收天线Rl、R2、R3、R4、R5，假设信源S位于A点，A的横坐标X与R3最为接近，即偏移量k小于等于m/2。以车道中心即R3在地面的投影为原点，以车道的行驶方向为纵轴，以天线在地面的投影形成的直线即测量线为横轴，天线R1、R2、R3、R4、R5分别设置在-I. 9m,-O. 95m、0m、0. 95m、l. 9m的横轴上。其中，纵向距离是所示信源与天线阵在地面上投影的距离L，测量线是天线阵地在地面上的投影。步骤S202，计算对应于不同纵向距离的标准差。假设信号从信源发射出的功率值为PO，则经过天线接收后的功率值Pn为Pn =PO(Gn-Dn)。其中G为接收天线的增益，D为信号在自由空间的衰减。G与天线和信源的夹 角有关，通过计算天线与信源的夹角并查询天线方向图，即可得到G ;而D与信号频率和信源与天线的直线距离有关，可以给定一个频率，通过计算天线与信源的直线距离得到这个频率下信号在自由空间的衰减。可见，只要知道天线与信源的夹角和直线距离就可以得到接收功率Pn。首先，计算信源与天线Rn的夹角α n (n = 1,2,3,4,5),如图2a所示，α η的计算公式为α ! = cos-: (\ L2 + h2 / :2m + k]2 -r L2 + hz)a 2 = COS L2 + Ii2 / :m 十 k]:十 L2 + Il2 )a 3 = COS-1 (\ L2 + h2 / \ k2 -(- Ir + h2)a 4 = COS-: (\ L2 十 Ii2 / - k]: + L2 + h2)a 5 = cos-1 (\ L2 + h2 /、/:2m —k]: + L2 + h2)当k、m、h都是常数时，L越大，％越趋近于0，各a n之间的差距越小，即信源的纵向距离越近，信源与天线阵不同天线之间的夹角差越大，天线阵不同天线之间的增益差值也就越大，反之也成立。同时在精度为m/2的情况下，可以认为射频标签横坐标位于接收到最大功率的天线的坐标上，即k = O。因此CIn仅与纵向距离L有关。然后，计算信源到天线Rn的直线距离Ln。如图2a所示，Ln的计算公式为Li = ^ [2m + k]2 - L2 + h2L2 = ν·*[ιιι - k]2 + L·2 十 h2L3 = Vk2 + L2 — h2L4 = ^[in — k]2 + L2 十 Il2L5 = ^[2m— k]2 - L2 + Ii2类似于a n，当k，m和h都是常数时，信源离天线阵的纵向距离越近，天线阵中各天线接收到的信号差距越大。同样，在精度为m/2的情况下，可以认为射频标签横坐标位于接收到最大功率的天线的坐标上，即k = O。因此天线与信源的直线距离Ln也仅与纵向距离L有关。
这样，接收功率Pn就可以表示为Pn = PO (G (L)-D (L)) = P0*Gn (L)，可见此时的各天线接收信号功率序列除了跟纵向距离有关外，还和发射功率PO有关，因此对功率序列进行归一化处理从而去掉PO的影响，则接收到的归一化功率为Pn(L) = Gri(L)/GiiCL),可见归一化功率只与纵向距离L有关。因此，归一化功率的
标准差 玉=」Σ =1 ρπ&)-1/Η) = /^也与纵向距离L 一一对应。根据上述分析及公式，计算出不同纵向距离L的标准差值。步骤S203，将得到的标准差制成表格存储在控制器的内存中。将计算出的标准差值制成与k和纵向距离相关的二维表格即标准差列表，并将标准差列表存储在控制器的内存中。图3是本发明实施例提供的距离定位流程的示意图，当信源距离天线阵越近，各天线收到的信号之间的差值就会越大，如图3a所示，而各天线收到的信号功率序列的标准差恰恰反映了这种波动，如果各天线收到的信号功率序列仅仅与纵向距离相关，那么信号序列的标准差就可以和纵向距离一一对应，从而通过计算信号序列的标准差估计信源的纵向距离。如图3所示，距离定位流程包括以下步骤·步骤S301，天线接收到信源信号。当有车载单元响应路侧单元的信号时，各接收天线接收车载单元的信号，计算RSSI 值。步骤S302，天线将RSSI传给控制器。步骤S303，控制器将功率归一化。控制器接收到各天线计算出的RSSI值后，将RSSI转换成功率值，并进行归一化处理。步骤S304，控制器计算归一化功率的方差。步骤S305，控制器查表确定纵向距离。控制器将步骤S304计算得到的方差与标准差列表中的值进行对比，即可得到车载单元的纵向距离范围。图4是本发明实施例提供的计算不同纵向距离的标准差的流程图，如图4所示，计算标准差的步骤如下所示步骤S401，计算标签与天线的直线距离。根据Ln的计算公式计算标签与天线的直线距离，其中，标签假设处于中心轴线即纵坐标上，纵向距离为1-12米，标签步进间隔为I米。根据Ln的计算公式计算出的Ln如下表所示
权利要求
1.一种纵向定位的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 A、在用来定位移动物体纵向距离的横向测量线的上方设置多个接收天线； B、根据所述多个接收天线关于接收信号的功率序列标准差与所述纵向距离的对应关系，预先计算对应于不同纵向距离的功率序列标准差，并建立保存各个纵向距离与所计算的各个功率序列标准差的标准差列表； C、在对所述移动物体进行纵向定位时，所述多个接收天线接收所述移动物体发射的无线信号，根据所述无线信号计算其功率序列标准差，并通过查找所述标准差列表，得到与所述功率序列标准差对应的纵向距离。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述纵向距离是所述物体相对于测量线的垂直距离。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括 BI、计算各个接收天线对应于不同纵向距离的天线增益和空间衰减； B2、根据所述各个接收天线的天线增益和空间衰减计算各个接收天线的接收功率； B3、归一化处理所述各个接收天线的接收功率并计算归一化功率序列标准差。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B在计算天线增益和空间衰减之前还包括 B4、建立标准差列表； B5、将所述不同纵向距离及其对应的已计算出的归一化功率序列标准差保存在所述标准差列表中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤BI包括 计算所述各个纵向距离对应的物体与各个接收天线中心线的夹角，并根据所述夹角查询天线方向图得到各个接收天线对应于不同纵向距离的天线增益。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括 Cl、在对所述移动物体进行纵向定位时，所述多个接收天线接收所述移动物体发射的无线信号，并计算接收信号强度指示RSSI ； C2、将所述各个接收天线的RSSI转化为功率，并对所述各个接收天线的功率归一化处理，计算归一化功率序列的标准差； C3、根据所述归一化功率序列的标准差查找所述标准差列表，得到与所述归一化功率序列标准差对应的纵向距离。
7.一种纵向定位的装置，其特征在于，所述装置包括 多个接收天线，设置在定位移动物体纵向距离的横向测量线的上方，用于接收所述移动物体发射的无线信号； 预先设置模块，用于利用所述多个接收天线关于接收信号的功率序列标准差与所述纵向距离的对应关系，预先计算对应于不同纵向距离的功率序列标准差，并建立保存各个纵向距离与所计算的各个功率序列标准差的标准差列表； 控制器，用于根据所述无线信号计算其功率序列标准差，并通过查找所述标准差列表，得到与所述功率序列标准差对应的纵向距离。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述预先设置模块包括 增益和衰减计算单元，用于计算各个接收天线对应于不同纵向距离的天线增益和空间衰减; 功率计算单元，用于根据所述各个接收天线的天线增益和空间衰减计算各个接收天线的接收功率； 标准差计算单元，用于归一化处理所述各个接收天线的接收功率并计算归一化功率序列标准差。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器还包括 存储单元，用于存储所述不同纵向距离及其对应的已计算出的归一化功率序列标准差。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述预先设置模块还用于计算不同纵向距离对应的物体与各个接收天线中心线的夹角，并根据所述夹角查询天线方向图得到所述各个接收天线的天线增益。
全文摘要
本发明公开了一种纵向定位的方法及装置，该方法包括在用来定位移动物体纵向距离的横向测量线的上方设置多个接收天线；根据所述多个接收天线关于接收信号的功率序列标准差与所述纵向距离的对应关系，预先计算对应于不同纵向距离的功率序列标准差，并建立保存各个纵向距离与所计算的各个功率序列标准差的标准差列表；在对所述移动物体进行纵向定位时，所述多个接收天线接收所述移动物体发射的无线信号，根据所述无线信号计算其功率序列标准差，并通过查找所述标准差列表，得到与所述功率序列标准差对应的纵向距离。本发明通过预先计算不同纵向距离对应的标准差，解决了纵向定位计算量较大、算法复杂、所需时间较长的问题。
文档编号H04B17/00GK102891722SQ201110205580
公开日2013年1月23日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者张恺, 曾祥希, 李延波, 金磊, 吴明远 申请人:中兴通讯股份有限公司