專利名稱：一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于智能交通技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位 的裝置。
背景技術(shù)：
[0002]ETC系統(tǒng)(Electric Toll Collect，電子不停車收費(fèi))的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)人工收 費(fèi)的方式，使得車輛在通過高速公路、橋梁或隧道的收費(fèi)站時(shí)，無需停車即可完成繳費(fèi)的過 程，大大提高了道路的利用率，提高了車輛的通行速度，降低了交通擁堵，在一定程度上減 少了碳排放。同時(shí)也減少了收費(fèi)站的人工需求，降低了收費(fèi)車道的運(yùn)營成本。不停車的收 費(fèi)方式被越來越多的國家和城市所采用。[0003]隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市車輛的快速增長導(dǎo)致的交通擁擠問題越來越嚴(yán)重。傳統(tǒng)ETC 采用單車道設(shè)置，一車一桿，車輛通行速度很難超過40km/h，且車道設(shè)備占用路面面積較 大，不適于隧道、橋梁或?qū)挾扔邢薜氖召M(fèi)路口。[0004]而多車道自由流的收費(fèi)方式不設(shè)置車道欄桿，多車道之間沒有隔離，使得車輛通 行速度進(jìn)一步提高，收費(fèi)站不再是道路擁堵的關(guān)卡。同時(shí)也降低了車道基礎(chǔ)建設(shè)的成本和 占用路面的面積，這尤其對路橋收費(fèi)和隧道收費(fèi)至關(guān)重要。另外，一些城市擁堵嚴(yán)重的國 家，也采取多車道自由流的收費(fèi)方式，實(shí)行擁堵收費(fèi)，依照時(shí)間段對進(jìn)入擁堵路段的車輛進(jìn) 行浮動收費(fèi)，限制車輛數(shù)量，緩解擁堵狀況。[0005]多車道自由流是電子不停車收費(fèi)的一種方式，它與傳統(tǒng)ETC系統(tǒng)的區(qū)別是不劃分 車道，不使用欄桿。車輛直接通過而無需減速，可以任意并線行駛。對于自由流系統(tǒng)，其框 架圖如圖1所示。[0006]多車道自由流系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，多車道自由流系統(tǒng)主要由以下幾部分組 成:車載電子標(biāo)簽0BU(On Board Unit,車載單元)、電子標(biāo)簽讀寫天線RSlXRoadside Unit, 路測單元)、車輛檢測與車型定位、圖像抓拍與車牌識別、車道協(xié)調(diào)系統(tǒng)和結(jié)算后臺。[0007]安裝OBU的車輛通過自由流收費(fèi)站時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)工作過程如下:[0008]車型識別:車輛通過龍門架前，車輛檢測與車型識別系統(tǒng)采用激光光柵掃描，獲得 通過的車輛在外形尺寸，判斷車型，作為繳費(fèi)金額的依據(jù)；[0009]微波定位:通過接收OBU發(fā)射的射頻信號，對OBU進(jìn)行定位，配合車型識別功能一 起，判斷OBU上登記的車型與實(shí)際車型是否一致，若不一致則在后臺記錄，做違規(guī)處理；[0010]標(biāo)簽讀寫:車輛進(jìn)入RSU天線覆蓋區(qū)域內(nèi)，OBU被激活，開始與RSU進(jìn)行認(rèn)證通信。 通常情況下，RSU在確認(rèn)OBU合法后，記錄該OBU的MAC號，作為繳費(fèi)的依據(jù)，在后臺系統(tǒng)中 完成扣費(fèi)，同時(shí)生成交易流水號；[0011]圖像抓拍:在進(jìn)行通信交易的同時(shí)，圖像抓拍系統(tǒng)抓拍車輛照片，并對圖像進(jìn)行車 牌識別。抓拍圖像同時(shí)也自動生成流水號(規(guī)則與交易流水號相同)，與交易流水號匹配，自 動轉(zhuǎn)入保存；不能與交易流水號對應(yīng)的圖像，判定為違規(guī)車輛，作為費(fèi)用追討的依據(jù)。[0012]自由流由于不限制來車的車道，又要對非法車輛進(jìn)行稽查，所以需要對車輛及其所安裝的OBU進(jìn)行匹配，現(xiàn)有的匹配方法是用激光光柵對車體位置進(jìn)行測量，同時(shí)用微波 定位的方法對OBU的位置進(jìn)行測量，將兩者的位置進(jìn)行匹配，以最終實(shí)現(xiàn)車輛和OBU的配 對。[0013]多車道自由流的收費(fèi)方式已經(jīng)受到許多國家和城市的關(guān)注，是未來智能交通領(lǐng)域 的一個(gè)重要發(fā)展方向。在自由流的使用中提出了對車輛OBU進(jìn)行定位的需求?，F(xiàn)有的定位 方案主要有兩種:[0014]第一種方案是將RSU在龍門架每間隔約Im安裝一臺，從每臺RSU中提取OBU的幅 度信息，通過相應(yīng)算法得到OBU的位置信息。該方案的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較簡 單；該方案的缺點(diǎn)是需要的RSU模塊數(shù)量很多，對于三車道需要約十個(gè)模塊。各個(gè)模塊的一 致性要求很高，校準(zhǔn)困難且模塊級聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜。[0015]第二種方案是利用相控陣天線進(jìn)行定位，即通過有源移相裝置在不同時(shí)間點(diǎn)上實(shí) 現(xiàn)多個(gè)波束，利用不同波束所得到的相位及幅度信息，通過相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)定位。該方案的優(yōu) 點(diǎn)是模塊數(shù)量較少，一個(gè)車道只需要一個(gè)，該方案的缺點(diǎn)是硬件難度大，成本高，產(chǎn)品平均 無故障時(shí)間短，各個(gè)波束為時(shí)分，加大定位難度。實(shí)用新型內(nèi)容[0016]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)用新型的目的是提供一種利用無源多波束天線 進(jìn)行定位的裝置。該裝置能夠利用無源多波束的方法實(shí)現(xiàn)自由流定位的需求，以較低成本， 較簡單的方式達(dá)到較高的定位精度。[0017]為達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:[0018]一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，包括:多個(gè)波束天線單元，與多個(gè)波束 天線單元連接的信號檢波單元、信號鑒相單元，分別與信號檢波單元、信號鑒相單元連接的 檢波A/D單元和鑒相A/D單元，與檢波A/D單元和鑒相A/D單元連接的中央處理器CPU。[0019]進(jìn)一步，波束天線單元的數(shù)量為為2至10個(gè)，優(yōu)選的數(shù)量為3至8個(gè)。[0020]進(jìn)一步，所述的信號檢波單元包括以下子單元:在幅度信息中尋找最大值及加入 其他波束所得到的幅度值作為輔助信息的信息提取子單元，根據(jù)信息提取子單元提取的信 息利用擬合算法確定OBU車載單元相對于定位模塊在方位面的偏轉(zhuǎn)角度的處理子單元。[0021]所述的信號鑒相單元包括以下子單元:距離差Λ L計(jì)算子單元，通過平面幾何算 法由OBU相對于定位模塊的方位面偏轉(zhuǎn)角度求得OBU的位置的計(jì)算子單元。[0022]本實(shí)用新型的效果在于:采用本實(shí)用新型所述的裝置，可以利用無源多波束的方 案實(shí)現(xiàn)自由流定位的需求，以較低成本，較簡單的方式達(dá)到較高的定位精度。


[0023]圖1是多車道自由流系統(tǒng)組成示意圖；[0024]圖2是多車道自由流系統(tǒng)組成框圖；[0025]圖3是利用無源多波束天線進(jìn)行定位的方法流程圖；[0026]圖4是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中的裝置結(jié)構(gòu)圖；[0027]圖5是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中采取的陣元方式為2X4陣列具體形式的的示 意圖；[0028]圖6是主瓣左偏15°方位面方向圖；[0029]圖7是主瓣正向方位面方向圖；[0030]圖8是主瓣右偏15°方位面方向圖；[0031 ]圖9是OBU與各波束模塊位置示意圖。
具體實(shí)施方式
[0032]
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。[0033]本實(shí)用新型提出的方案是，以相對簡單的無源方式產(chǎn)生多個(gè)波束，在每個(gè)波束端口進(jìn)行鑒相和檢波，以實(shí)現(xiàn)對定位信息的提取。[0034]如圖4所示，一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，包括以下裝置:RSU路測單元，用于ETC交易的路測端，實(shí)現(xiàn)與OBU的配對交易和對OBU的定位；[0035]OBU車載單元，用于ETC交易的車載端，實(shí)現(xiàn)與RSU的配對交易；[0036]RSU包括了交易模塊、定位模塊，定位模塊又包括了多波束天線檢波器、鑒相器、A/ D采樣器以及中央處理器CPU;[0037]其中，多波束天線 用于產(chǎn)生多個(gè)波束；[0038]檢波器用于提取各個(gè)波束所得到OBU信號的幅度信息；[0039]鑒相器用于提取各個(gè)波束所得到OBU信號的相位信息；[0040]A/D米樣器實(shí)現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；[0041]CPU用于處理各波束幅度及相位的數(shù)字信號，通過相應(yīng)的算法得到最終OBU位置坐標(biāo)。[0042]本實(shí)施例中，所述的信號檢波單元包括以下子單元:在幅度信息中尋找最大值及加入其他波束所得到的幅度值作為輔助信息的信息提取子單元，根據(jù)信息提取子單元提取的信息利用擬合算法確定OBU車載單元相對于定位模塊在方位面的偏轉(zhuǎn)角度的處理子單元 ο[0043]所述的信號鑒相單元包括以下子單元:距離差Λ L計(jì)算子單元，通過平面幾何算法由OBU相對于定位模塊的方位面偏轉(zhuǎn)角度求得OBU的位置的計(jì)算子單元。[0044]本實(shí)用新型所涉及的是對OBU微波定位技術(shù)，如圖3步驟S1-S8所示，一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的方法，包括以下步驟:[0045](I) RSU發(fā)出交易發(fā)起信號；[0046]( 2 ) OBU返回交易響應(yīng)信號；[0047](3)定位模塊中檢波器提取各個(gè)波束所得到OBU信號的幅度信息，A/D采樣后將數(shù)字信號上傳CPU，通過相應(yīng)算法由各個(gè)信號幅度信息得到OBU位置；[0048](4)定位模塊中鑒相器提取各個(gè)波束所得到OBU信號的相位信息，A/D采樣后，將數(shù)字信號上傳CPU，通過相應(yīng)算法由各個(gè)信號相位信息得到OBU位置；[0049](5)綜合兩種算法所得到的結(jié)果得到最終OBU位置坐標(biāo)，上傳車道主控軟件；[0050](6)車道軟件通過比較車輛位置與OBU位置實(shí)現(xiàn)配對，完成定位。[0051]本實(shí)施例中，如果無源波束的數(shù)目為N，則可以得到幅度信息Al、A2、A3…An ;以及相位信息δ 1、δ 2、δ3...δη。實(shí)際應(yīng)用過程中，N通常為2 — 10,優(yōu)選為3 — 8,本實(shí)施例中N為3。由于在指向OBU的波束所得到的幅度信息最大，所以對于幅度信息，處理算法的思路為在所有幅度信息中尋找其最大值，并加入其他波束所得到的幅度值作為輔助 信息，利用擬合算法確定OBU相對于定位模塊在方位面的偏轉(zhuǎn)角度。對于相位信息，由于 各個(gè)波束相位中心在方位面存在固定的相對距離，OBU發(fā)出的信號到達(dá)各個(gè)波束相位中心 的距離不同，產(chǎn)生相位差，對于一個(gè)波長相位變化為2 π，信號的波長為已知的λ，由公式 AL=A δ*λ/2π由相位差可求得距離差，再通過平面幾何算法由OBU相對于定位模塊的 方位面偏轉(zhuǎn)角度求得OBU的位置。將幅度和相位得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理(權(quán)重通過實(shí)際 測試效果進(jìn)行修正)，就可得到OBU相對多波束定位模塊的角度信息。再綜合各個(gè)定位模塊 的角度信息，找到偏轉(zhuǎn)延長線的焦點(diǎn)即為OBU的位置信息，該位置信息不僅包含OBU在車道 上的橫向位置信息，也包含了距離龍門架的縱向位置信息。[0052]本實(shí)用新型綜合了已有的兩種方案的優(yōu)勢，所具有的優(yōu)點(diǎn)有:[0053]1、模塊數(shù)量較少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，一個(gè)車道只需要一臺設(shè)備[0054]2、模塊硬件實(shí)現(xiàn)簡單、成本低、穩(wěn)定性高[0055]3、天線一致性容易實(shí)現(xiàn)，可以控制相位中心盡量重合[0056]4、同時(shí)對幅度和相位信息進(jìn)行處理，提高定位精度[0057]5、在得到橫向定位信息的同事還能得到縱向定位的信息[0058]多波束天線的實(shí)現(xiàn)方式可采用:喇叭、八木、微帶、螺旋、拋物面等。[0059]波束偏角的實(shí)現(xiàn)可以通過安裝時(shí)的物理偏角實(shí)現(xiàn)，也可以通過有單元間存在相差 的陣列實(shí)現(xiàn)。[0060]偏轉(zhuǎn)的角度從O度(法向)到90度(平行)。[0061]由于產(chǎn)品低剖面、一致性、可加工性等考慮，微帶天線是較理想的實(shí)現(xiàn)方式。本實(shí) 用新型用微帶陣列三波束微帶天線舉例，具體指標(biāo)如下:[0062]波束寬度40° (俯仰)Χ20° (方位)[0063]駐波比小于1.5[0064]波束指向-15°、0°、15° (方位面偏轉(zhuǎn))。[0065]基于天線波束寬度的要求，本設(shè)計(jì)采取的陣元方式為2X4陣列具體形式如圖5所/Jn ο[0066]為保證單元間距為0.7倍的波長，現(xiàn)選單元橫向間距為36mm、縱向間距為34mm。通 過調(diào)整各個(gè)單元間相位關(guān)系可以進(jìn)行波束指向調(diào)整。當(dāng)各個(gè)單元相位一致時(shí)波束指向?yàn)榉?向；當(dāng)單元間存在相差為68.9°時(shí)可以使波束指向?yàn)?5° ;當(dāng)單元間存在相差為-68.9° 時(shí)可以使波束指向?yàn)?15°。具體方向圖如圖6、圖7、圖8所示。[0067]由以三個(gè)不同指向的方向圖可知，對于以固定的角度的入射信號三個(gè)波束所得到 的幅度信息是不同的，于是可以得到幅度差值對于入射角度的映射關(guān)系[0068]OBU在一個(gè)位置發(fā)出的信號到達(dá)三個(gè)波束相位中心時(shí)，存在距離差如圖9所示中 的L1、L2。由于信號在空間傳輸?shù)木嚯x不同，距離差會產(chǎn)生各個(gè)波束鑒相器所得到的相位 差，若1、2號波束存在相差δ I ;2、3號波束存在相差δ2。由于L=A* δ/2 π。所以可由 δ 1、δ2求得L1、L2。又因?yàn)槿齻€(gè)波束的間距已知，用平面幾何的方法就可以求得信號源的 位置。[0069]以上描述了利用無源多波束定位模塊完成定位的方法，以及無源多波束天線的實(shí) 現(xiàn)方式。[0070]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本實(shí)用新型所述的裝置并不限于具體實(shí)施方式
中所述 的實(shí)施例，上面的具體描述只是為了解釋本實(shí)用新型的目的，并非用于限制本實(shí)用新型。本 領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案得出其他的實(shí)施方式，同樣屬于本實(shí)用新型的技 術(shù)創(chuàng)新范圍，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求1.一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，包括:多個(gè)波束天線單元，與多個(gè)波束 天線單元連接的信號檢波單元、信號鑒相單元，分別與信號檢波單元、信號鑒相單元連接的 檢波A/D單元和鑒相A/D單元，與檢波A/D單元和鑒相A/D單元連接的中央處理器CPU。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，其特征在于:波束 天線單元的數(shù)量為2至10個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，其特征在于:波束 天線單元的數(shù)量為3至8個(gè)。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，其特征在 于，所述的信號檢波單元包括以下子單元:在幅度信息中尋找最大值及加入其他波束所得到的幅度值作為輔助信息的信息提取 子單元，根據(jù)信息提取子單元提取的信息利用擬合算法確定OBU車載單元相對于定位模塊 在方位面的偏轉(zhuǎn)角度的處理子單元。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，其特征在 于，所述的信號鑒相單元包括以下子單元:距離差A(yù)L計(jì)算子單元，通過平面幾何算法由OBU相對于定位模塊的方位面偏轉(zhuǎn)角度 求得OBU的位置的計(jì)算子單元。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用無源多波束天線進(jìn)行定位的裝置，屬于智能交通領(lǐng)域。該裝置包括多波束天線單元，與多波束天線單元連接的信號檢波單元、信號鑒相單元，分別與信號檢波單元、信號鑒相單元連接的檢波A/D單元和鑒相A/D單元，與檢波A/D單元和鑒相A/D單元連接的中央處理器CPU。采用本實(shí)用新型所述的裝置，可以實(shí)現(xiàn)自由流定位的需求，以較低成本，較簡單的方式達(dá)到較高的定位精度。
文檔編號G01S5/02GK202975316SQ20122071781
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者王致遠(yuǎn), 段起志 申請人:北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司