CN112235754A - 一种基于定向天线的v2x定位***及定位、搭建方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于定向天线的V2X定位***,包括:V2X信标设备,周期性地产生V2X信标帧,将该信号分成四路同时输出;多路定向天线,覆盖所需定位的定位区域,分别通过馈线接收V2X信标设备发出的信标帧,并将V2X信标帧辐射到指定范围的空间环境中;智能车载终端OBU,解算出智能车载终端OBU具***置坐标;任意一个定向天线的信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间与其他定向天线信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间均能够完全错开且时间顺序固定。本发明通过不同馈线长度所造成的时间差来区分不同定向天线,极大简化了***复杂性;充分利用V2X信号频率高,干扰小的优势,解决了弱GNSS环境下的车辆定位问题。
Description
技术领域
本发明涉及定向天线设计、V2X通信技术、室内定位算法等领域,具体涉及一种基于定向天线的V2X定位***,还涉及了V2X定位***的定位、搭建方法。
背景技术
目前,由于GPS与北斗导航卫星的广泛应用,室外导航定位技术的发展日趋成熟。然而由于卫星信号难以穿透室内建筑物,并且室内的环境非常复杂,存在的多径、非视距干扰导致室内导航定位难以实现或难以真正达到应用需求。
定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强,而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或近乎为零的一种天线。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率,增加保密性;采用定向接收天线的主要目的是增强信号强度增加抗干扰能力。
V2X通信技术主要包括DSRC技术、LTE-V技术和5G-V2X技术等。实现车辆和任何会被该车辆所影响的实体之间分享信息的技术。V2X是V2V(车辆对车辆通信Vehicle toVehicle)、V2I(车辆对基础设施通信Vehicle to Infrastructure)、V2P(Vehicle toPedestrian)等的统称,通过搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,融合现代通信与网络技术,实现车与X(人、车、路、后台等)智能信息的交换共享,获得实时路况、道路、行人等一系列交通数据,从而带来超视距的环境信号,同时能与交通灯、路标等周围基础设施进行互动,具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能,提供更安全、更节能、更环保、更舒适的出行方式,是物联网在车辆驾驶情景中的重要应用。
发明内容
根据背景技术提出的问题,本发明提供一种基于定向天线的V2X定位***来解决,接下来对本发明做进一步地阐述。
一种基于定向天线的V2X定位***,包括以下设备:V2X信标设备,周期性地产生V2X信标帧,将该信号分成四路同时输出;多路定向天线,覆盖所需定位的定位区域,分别通过馈线接收V2X信标设备发出的信标帧,并将V2X信标帧辐射到指定范围的空间环境中;智能车载终端OBU,安装在被测车辆上用以接收空间环境中的V2X信标帧,判断信号来自哪路定向天线,并解算出智能车载终端OBU具***置坐标;任意一个定向天线的信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间与其他定向天线信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间均能够完全错开,且时间顺序固定。
作为优选地,定向天线总共有四路,四路定向天线的馈线长度分别为L1、L2、L3、L4,并且L1<L2<L3<L4,L2-L1=L3-L2=L4-L3>L,L为定位区域的最大跨度值。
一种基于定向天线的V2X定位***的搭建方法,包括以下步骤:
S1,确定高精度定位区域及最大跨度L,依据项目定位区域的实际空间结构确定所能完全覆盖的高精度定位区域,并获取得到高精度定位区域的最大跨度L;
S2,获取定位天线的具体安装位置及角度,利用仿真软件模拟,将定向天线的俯仰角、方位角以及天线安装高度,有无遮挡物等参数作为输入,计算出定位天线安装的具***置及角度;
S3,获取定位天线的长度,根据定向天线的安装位置及高精度定位区域的最大跨度L确定定向天线馈线长度;
S4,安装并连接定位天线、V2X信标设备,将四个定向天线的信号输入端分别连接到V2X信标设备的信号输出端。
一种基于定向天线的V2X定位***的定位方法,在智能车载终端OBU在经过被定位区域时,将自动接受V2X信号,并依据以下步骤对接收到的V2X信号进行判断:
S1,智能车载终端OBU接收V2X信号,判断帧类型是否为定位信标帧,信号质量是否大于阈值,若同时满足则进入步骤S2,否则抛弃;
S2,判断该帧是否为接收到的首个定位信标帧,若是则记录其帧序列号,发射设备ID,发送、到达时间戳,四个定向天线的位置坐标等;若不是则进入步骤S3;
S3,判断该帧序列号、发射设备ID是否与首帧相同,若是则记录帧信息,以保证信标帧在一个定位周期内,并进入步骤S4,若不是,则进入步骤S5;
S4,判断目前符合条件的帧数量是否等于四,若是则关闭倒计时T,并使用差分定位算法计算车辆位置坐标,并进入步骤S6;若不是则进入步骤S5,
S5,启动倒计时T,T到时自动清空首帧标志位;
S6,首个信号标志清零,并返回步骤1。
有益效果:与现有技术相比,本发明通过不同馈线长度所造成的时间差来区分不同定向天线,极大简化了***复杂性;充分利用V2X信号频率高,干扰小的优势,解决了弱GNSS环境下的车辆定位问题,大幅扩展了车路协同硬件设备的应用范围。
附图说明
图1:本发明的***结构图;
图2:本发明区分V2X信号帧数据来源的示意图;
图3:本发明路侧搭建实施流程图;
图4:本发明的定位工作流程图。
具体实施方式
接下来结合附图1-4对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。
参考附图1,一种基于定向天线的V2X定位***,包括:
V2X信标设备,周期性地产生V2X信标帧,将该信号分成四路同时输出;
四路定向天线,覆盖所定位区域,分别通过馈线接收V2X信标设备发出的信标帧,并将V2X信标帧辐射到指定范围的空间环境中,所述四路定向天线的馈线长度分别为L1、L2、L3、L4,并且L1<L2<L3<L4,L2-L1=L3-L2=L4-L3>L,L定位区域的最大跨度值;
智能车载终端OBU,接收空间环境中的V2X信标帧,判断信号来自哪路定向天线,而后解算出智能车载终端OBU具***置坐标。
所述V2X信标设备包含V2X信号发生单元和射频分路器;其中,V2X信号发生单元可以产生并发送V2X信标帧,其物理形式为RSU(智能路侧终端)或其他具有V2X数据定制及发送能力的设备;射频分路器可以将V2X信号发生单元发送的V2X信标帧信号分成四路并同时输出到所述四个定向天线的信号输入端。
所述智能车载终端OBU被安装在被测车辆上,OBU位置坐标等同于车辆位置坐标,以实现对车辆的定位。智能车载终端OBU包含V2X接收单元和差分定位解算单元,其中,V2X接收单元可以接收V2X信标帧并记录接收时间戳和信号质量;其中,差分定位解算单元首先区分V2X信号帧的数据来源,即判断信号来自哪路定向天线,然后对数据进行计算得到OBU实时位置坐标。
定向天线的布置需确保能覆盖所需定位区域,而定向天线存在俯仰面角度α,方位面角度β,实际部署中需要对四个定向天线的覆盖区域进行计算,确保所定位区域同时在四个定向天线的覆盖范围内,其计算方式为本领域常识,本实施例不做进一步地阐述。
智能车载终端OBU接收空间环境中的V2X信标帧并判断信号来自哪路定向天线,其实现原理如下:
参考附图2,假设定向天线i收到V2X信标帧信号的时间分别为ti,(i=1,2,3,4),OBU接收到定向天线i发送的V2X信标帧信号的时间分别为ti’,(i=1,2,3,4);四路定向天线分别通过馈线连接至V2X信标设备,其长度分别为L1、L2、L3、L4,V2X信标设备周期性地产生V2X信标帧并将该信号分成四路同时输出,发送的V2X信标帧信号同时输出到四路定向天线;由于定向天线馈线长度差满足:L2-L1=L3-L2=L4-L3>L,而V2X信号在空气中与馈线中的传播速度均为c(光速),则必然有ti+1>ti’;
故而在定位区域内,任意一个定向天线的信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间与其他定向天线信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间均能够完全错开,且时间顺序固定,因此,根据信号到达的先后顺序即可区分不同的定向天线信号。
需要说明的是,本实施例采用的四路定向天线,在其他的实施例中可以采取任意多的定向天线,仅需满足能覆盖所需定位区域以及根据信号到达的先后顺序即可区分不同的定向天线信号即可,本实施例依据成本、定位精度以及处理速率综合考虑选取的四路定向天线。
为保证天线信号质量,L1长度应尽可能小,本实施例中,长度为L1的馈线可省略,将一路定向天线与V2X信标设备设置于同一地点。
参考附图3,本发明还提供了基于定向天线的V2X定位***的搭建方法,包括以下步骤:
S1,确定高精度定位区域及最大跨度L,依据项目定位区域的实际空间结构确定所能完全覆盖的高精度定位区域,并获取得到高精度定位区域的最大跨度L;
S2,获取定位天线的具体安装位置及角度,利用仿真软件模拟,将定向天线的俯仰角、方位角以及天线安装高度,有无遮挡物等参数作为输入,计算出定位天线安装的具***置及角度;
S3,获取定位天线的长度,根据定向天线的安装位置及高精度定位区域的最大跨度L确定定向天线馈线长度;
S4,安装并连接定位天线、V2X信标设备,将四个定向天线的信号输入端分别连接到V2X信标设备的信号输出端。
参考附图4,智能车载终端OBU安装在待定位车辆内,在启动智能车载终端OBU后,智能车载终端OBU在经过被定位区域时,将自动接受V2X信号,并依据以下步骤对接收到的V2X信号进行判断,实现定位:
S1,智能车载终端OBU接收V2X信号,判断帧类型是否为定位信标帧,信号质量是否大于阈值,若同时满足则进入步骤S2,否则抛弃;
S2,判断该帧是否为接收到的首个定位信标帧,若是则记录其帧序列号,发射设备ID,发送、到达时间戳,四个定向天线的位置坐标等;若不是则进入步骤S3;
S3,判断该帧序列号、发射设备ID是否与首帧相同,若是则记录帧信息,以保证信标帧在一个定位周期内,并进入步骤S4,若不是,则进入步骤S5;
S4,判断目前符合条件的帧数量是否等于四,若是则关闭倒计时T,并使用差分定位算法计算车辆位置坐标,并进入步骤S6;若不是则进入步骤S5,
S5,启动倒计时T,T到时自动清空首帧标志位;
S6,首个信号标志清零,并返回步骤1。
本发明通过不同馈线长度所造成的时间差来区分不同定向天线,极大简化了***复杂性;充分利用V2X信号频率高,干扰小的优势,解决了弱GNSS环境下的车辆定位问题,大幅扩展了车路协同硬件设备的应用范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于定向天线的V2X定位***,其特征在于包括以下设备:
V2X信标设备,周期性地产生V2X信标帧,将该信号分成四路同时输出;
多路定向天线,覆盖所需定位的定位区域,分别通过馈线接收V2X信标设备发出的信标帧,并将V2X信标帧辐射到指定范围的空间环境中;
智能车载终端OBU,安装在被测车辆上用以接收空间环境中的V2X信标帧,判断信号来自哪路定向天线,并解算出智能车载终端OBU具***置坐标;
任意一个定向天线的信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间与其他定向天线信号发送时间、智能车载终端OBU接收到相应信号的时间均能够完全错开,且时间顺序固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的V2X定位***,其特征在于:所述V2X信标设备包含V2X信号发生单元和射频分路器,V2X信号发生单元可以产生并发送V2X信标帧,射频分路器将V2X信号发生单元发送的V2X信标帧信号分成多路并同时输出到所述的多路定向天线的信号输入端。
3.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的V2X定位***,其特征在于:所述智能车载终端OBU包含V2X接收单元和差分定位解算单元,V2X接收单元接收V2X信标帧并记录接收时间戳和信号质量;差分定位解算单元区分V2X信号帧的数据来源判断信号来自哪路定向天线,并对数据进行计算得到OBU实时位置坐标。
4.根据权利要求1-3任一条所述的一种基于定向天线的V2X定位***,其特征在于:所述的定向天线总共有四路,四路定向天线的馈线长度分别为L1、L2、L3、L4,并且,L1<L2<L3<L4,L2-L1=L3-L2=L4-L3>L,L为定位区域的最大跨度值。
5.根据权利要求4所述的一种基于定向天线的V2X定位***,其特征在于:长度为L1的馈线省略,将此路定向天线与V2X信标设备设置于同一地点。
6.一种基于定向天线的V2X定位***的定位方法,其特征在于:在智能车载终端OBU在经过被定位区域时,依据以下步骤对接收到的V2X信号进行判断:
S1,智能车载终端OBU接收V2X信号,判断帧类型是否为定位信标帧,信号质量是否大于阈值,若同时满足则进入步骤S2,否则抛弃;
S2,判断该帧是否为接收到的首个定位信标帧,若是则记录其帧序列号,发射设备ID,发送、到达时间戳,四个定向天线的位置坐标等;若不是则进入步骤S3;
S3,判断该帧序列号、发射设备ID是否与首帧相同,若是则记录帧信息,以保证信标帧在一个定位周期内,并进入步骤S4,若不是,则进入步骤S5;
S4,判断目前符合条件的帧数量是否等于四,若是则关闭倒计时T,并使用差分定位算法计算车辆位置坐标,并进入步骤S6;若不是则进入步骤S5,
S5,启动倒计时T,T到时自动清空首帧标志位;
S6,首个信号标志清零,并返回步骤S1。
7.一种基于定向天线的V2X定位***的搭建方法,其特征在于包括以下步骤:
S1,确定高精度定位区域及最大跨度L,依据项目定位区域的实际空间结构确定所能完全覆盖的高精度定位区域,并获取得到高精度定位区域的最大跨度L;
S2,获取定位天线的具体安装位置及角度,利用仿真软件模拟,将定向天线的俯仰角、方位角以及天线安装高度,有无遮挡物等参数作为输入,计算出定位天线安装的具***置及角度;
S3,获取定位天线的长度,根据定向天线的安装位置及高精度定位区域的最大跨度L确定定向天线馈线长度;
S4,安装并连接定位天线、V2X信标设备,将四个定向天线的信号输入端分别连接到V2X信标设备的信号输出端。
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