基于UWB/DGNSS的高速公路車輛精確定位方法的研究

陳 梟， 崔學(xué)榮, 宋會(huì)英

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院， 青島 266580)

基于UWB/DGNSS的高速公路車輛精確定位方法的研究

陳 梟， 崔學(xué)榮, 宋會(huì)英

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院， 青島 266580)

目前高速公路車輛碰撞事故發(fā)生率居高不下，但相關(guān)研究成果主要集中在基于前后距離測(cè)量的單車碰撞預(yù)警，無法避免車輛連環(huán)碰撞。車輛連環(huán)碰撞預(yù)警的主要技術(shù)難題是車輛的精確定位問題，因?yàn)楦咚俟反嬖谌鄙匐娫?、車輛高速移動(dòng)、不相鄰車輛的非視距，以及海量設(shè)備安裝維護(hù)的低成本要求等限制，造成定位困難。為此，提出了基于超寬帶(Ultra Wideband，UWB)無源射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)相對(duì)定位和基于自差分衛(wèi)星的絕對(duì)定位方法，二者協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)高速公路車輛的精確定位。研究成果可用于車輛連環(huán)碰撞預(yù)警、物聯(lián)網(wǎng)及其他高精度位置服務(wù)領(lǐng)域。

DGNSS； UWB； 精確定位； 高速公路； 連環(huán)碰撞

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外高速公路交通安全的研究成果大都集中在后車根據(jù)測(cè)距、測(cè)速結(jié)果和安全行駛模型實(shí)現(xiàn)的單車碰撞預(yù)警系統(tǒng)[1]。例如：日本要求2014年11月以后生產(chǎn)的新款大型卡車陸續(xù)配備該系統(tǒng)，歐盟也要求2013年秋季后新銷售的大型車必須配備該系統(tǒng)。但這僅僅是單車碰撞預(yù)警，無法實(shí)現(xiàn)多車的連環(huán)碰撞預(yù)警。

高速公路追尾碰撞發(fā)生的最主要原因是在較近的車距、較高的車速下，前車突然剎車[2]、拐彎或出現(xiàn)故障，而后方連續(xù)多輛車未能及時(shí)剎住所導(dǎo)致的連環(huán)碰撞。在高速公路上離異常車最近的車有可能發(fā)現(xiàn)前車的異常，但是由于視線的原因再后方的車輛幾乎不可能及時(shí)獲知潛在危險(xiǎn)的存在。如果異常車能夠在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)向其后方或者側(cè)后方一定距離范圍內(nèi)的多個(gè)瀕危車輛發(fā)送緊急預(yù)警消息，則可以大大降低事故的發(fā)生率。研究表明后車駕駛員只要在與前車發(fā)生危險(xiǎn)碰撞前0.5秒收到預(yù)警信號(hào)，就可以避免大約60%交通事故的發(fā)生[3]。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的車輛碰撞預(yù)警研究成果主要集中在原理簡(jiǎn)單的基于前后相鄰車輛測(cè)距基礎(chǔ)上的單車碰撞預(yù)警[4, 5]，所以無法從根本上避免多車輛的連環(huán)碰撞；而多車連環(huán)碰撞預(yù)警的研究剛剛開始，而且主要集中在高層的通信協(xié)議[6]方面。

如果只能獲得相鄰車輛的直視距離則是無法解決車輛連環(huán)碰撞的，只有獲得了遠(yuǎn)距離多輛車(包括非視距)的精確位置信息，并根據(jù)相對(duì)車速、加速度、距離等進(jìn)行聯(lián)合判斷才能夠有可能實(shí)現(xiàn)多車輛的連環(huán)碰撞預(yù)警，從而降低高速公路車禍尤其是連環(huán)追尾碰撞事故的發(fā)生率。

但是現(xiàn)有的精確定位系統(tǒng)，例如RTK[7](Real-Time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位)、CORS(Continuous Operational Reference System)等GNSS[8](Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))定位，由于地域跨度小、資費(fèi)高等均不適合在高速公路這樣跨地區(qū)的大量終端并存的交通行業(yè)應(yīng)用。

如何獲得車輛的精確位置信息是避免高速公路上車輛連環(huán)碰撞亟待解決的關(guān)鍵問題。本文提出了一種面向主動(dòng)交通安全領(lǐng)域的基于UWB[9](Ultra Wideband，超寬帶)/DGNSS的高速公路車輛協(xié)同精確定位方法和關(guān)鍵技術(shù)，從而為高速公路車輛連續(xù)碰撞預(yù)警提供技術(shù)支持；重點(diǎn)研究了在高速公路上特殊環(huán)境下的基于UWB無源RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)的高精度的相對(duì)定位[10]與基于自差分信息的GNSS絕對(duì)定位的協(xié)同定位模型、算法和協(xié)議。

1 基于UWB/DGNSS的車輛精確定位模型

傳統(tǒng)的基于UWB的定位以及傳統(tǒng)的GNSS差分定位都需要有源的參考基站提供信號(hào)，但是在高速公路中不適合使用有源的參考基站。因此提出了采用無源、只讀RF-Tag，由于RF-Tag不需要電源或電池，所以可以解決高速公路無電源的問題。

采用的協(xié)同定位模型流程圖，如圖1所示(虛線為信息流，實(shí)線為工作流)。

圖1 高速公路車輛精確定位模型工作流程圖(虛線為信息流)

圖1中的各項(xiàng)說明如下：

1)在沒有車輛經(jīng)過的時(shí)候，RF-Tag不工作，此時(shí)OBU使用DGNSS進(jìn)行定位；當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，RF-Reader發(fā)射的激活信號(hào)可以激活RF-Tag；

2)RF-Tag被激活獲得充足的能量后，向RF-Reader發(fā)射UWB信號(hào)以及包含道路信息和RF-Tag的精確位置等信息(安裝時(shí)內(nèi)置在RF-Tag里)的幀；

3)OBU根據(jù)多個(gè)RF-Tag發(fā)射的UWB射頻信號(hào)以及車輛自身采集的速度信息進(jìn)行UWB相對(duì)定位；

4)OBU結(jié)合RF-Tag的地理位置，可以估計(jì)車輛當(dāng)前所在的準(zhǔn)確經(jīng)緯度坐標(biāo)。由于RF-Tag的地理位置已知的且是準(zhǔn)確的，而UWB的定位精度理論上可以達(dá)到厘米級(jí)，在高速公路的特殊條件下，在實(shí)驗(yàn)室軟件仿真發(fā)現(xiàn)UWB定位精度可以達(dá)到亞米級(jí)，所以可以作為GNSS的差分參考源；

5)根據(jù)估計(jì)出的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及當(dāng)前GNSS的非差分實(shí)時(shí)信息可以得到GNSS差分信息，并保存到OBU內(nèi)存；

6)在后續(xù)的沒有RF-Tag的區(qū)域，即無法進(jìn)行UWB精確定位時(shí)，則使用上述差分信息進(jìn)行DGNSS定位。

2 RF-Tag的激活

由于UWB信號(hào)功率很低，所以為了能夠給RF-Tag快速、足量充電，在激活階段不應(yīng)使用UWB，而擬采用傳統(tǒng)的UHF向RF-Tag發(fā)送無線信號(hào)；相反當(dāng)激活后，為了充分利用UWB的低功耗、穿透能力強(qiáng)、定位精度高、傳輸速率高、抗多徑能力強(qiáng)、可以在金屬附近正常工作等特性，由RF-Tag向RF-Reader定位、通信時(shí)擬采用UWB信號(hào)。

在視距環(huán)境下UWB無源RFID傳播距離通?？梢赃_(dá)到300英尺(約為91米)，所以完全可以滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要。其結(jié)構(gòu)框架,如圖2所示。

圖2 RF-Tag 結(jié)構(gòu)框架示意圖

3 RF-Tag發(fā)送數(shù)據(jù)幀的格式

由RF-Tag傳輸?shù)絉F-Reader的數(shù)據(jù)幀擬包括：高速公路的ID、車道數(shù)量、安裝位置(左、右路肩、隔離帶)、RF-Tag ID、距離下一個(gè)RF-Tag的距離、經(jīng)度、緯度、高度等信息，如表1所示。

表1 RF-Tag發(fā)送數(shù)據(jù)幀的格式

4 基于UWB無源RFID的相對(duì)定位方法

RF-Reader接收來自路肩一側(cè)UWB信號(hào)的定位示意圖(下方圖形為上方圖形的放大示意圖)，如圖3所示。

假設(shè)高速公路為雙向4車道，矩形代表在路肩鋪設(shè)的RF-Tag，d為車輛到RF-Tag的垂直距離，ν為車輛行駛速度，θi為車輛相對(duì)第i個(gè)RF-Tag的徑向方向與行駛方向的夾角，mi為第i個(gè)RF-Tag與車輛行駛方向的水平距離，fi為車輛相對(duì)第i個(gè)RF-Tag的多普勒頻移。傳統(tǒng)的基于TOA、RSSI、TDOA的測(cè)距定位算法由于未考慮車輛通信的復(fù)雜電磁、NLOS、高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境，所以并不適合用在RF-Reader的測(cè)距定位。本文利用UWB信號(hào)的多普勒頻移實(shí)現(xiàn)測(cè)距定位。根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到：

圖3 基于UWB無源RFID相對(duì)定位的原理圖

(1)

由于車輛相對(duì)于RF-Tag是移動(dòng)的，所以可以根據(jù)檢測(cè)到的多普勒頻移得到fi，同時(shí)fi滿足式(2)。

(2)

因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)RF-Tag的距離mi,i+1也是已知的，固化在第i個(gè)RF-Tag里，所以可以得到式(3)。

(3)

另外，在OBU中，根據(jù)CAN(Controller Area Network，由德國(guó)BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))總線，或者直接接入速度信號(hào)線可以獲得準(zhǔn)確的車速v；發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)是已知的。將這些已知量代入式(1)～(3)，即可得到車輛相對(duì)于N個(gè)RF-Tag的位置(定位精度理論上可以達(dá)到亞米級(jí))。因?yàn)镽F-Tag的經(jīng)緯度坐標(biāo)是預(yù)設(shè)的，所以根據(jù)得到的亞米級(jí)的相對(duì)位置和RF-Tag的準(zhǔn)確經(jīng)緯度即可得到當(dāng)前車輛的高精度的經(jīng)緯度坐標(biāo)；根據(jù)距離d，即可推算出車輛所處的車道信息。

獲得經(jīng)緯信息后，OBU將該信息廣播至鄰近的其他車輛，這樣鄰近的車輛即可得知該車的位置，從而實(shí)現(xiàn)車輛連環(huán)碰撞預(yù)警。

5 基于自差分的GNSS定位方法

傳統(tǒng)的GNSS差分定位需要架設(shè)參考基站，例如在RTK定位中，RTK基站架設(shè)在一個(gè)已知坐標(biāo)值的固定點(diǎn)上，RTK基站將采集到的衛(wèi)星差分信息通過無線電臺(tái)或者移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)送至待定位端。這種方式在高速公路中并不適合，首先，是因?yàn)楦咚俟肪嚯x長(zhǎng)，待定位端和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性的影響，距離越大精度越低，其次，是難以解決的電源及無線電臺(tái)的問題。

為此，本文提出了采用自差分定位方式，即RF-Tag的地理位置結(jié)合UWB相對(duì)定位推算出的經(jīng)緯度作為OBU的精確位置，將該精確位置與OBU端的GNSS定位信息進(jìn)行演算得到差分信息，進(jìn)而可以消除公共的衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、大氣對(duì)流層、電離層等對(duì)信號(hào)的影響。在后續(xù)的無RF-Tag區(qū)域，則根據(jù)該差分信息進(jìn)行GNSS定位。

6 RF-Tag簇

為了降低車輛定位系統(tǒng)的安裝成本，同時(shí)考慮到差分信息與距離的相關(guān)性，所以RF-Tag成簇安裝(如圖3所示)，每組之間的距離建議不超過20 km。每組最少安裝4個(gè)RF-Tag，第一個(gè)RF-Tag與最后一個(gè)RF-Tag的距離不超過UWB信號(hào)傳播距離的2倍。

在GNSS信號(hào)差的路段，可以使用增大路邊RF-Tag簇密度的方式實(shí)現(xiàn)基于UWB的相對(duì)定位并結(jié)合當(dāng)前RF-Tag的經(jīng)緯度坐標(biāo)得到車輛的精確位置；在GNSS信號(hào)強(qiáng)的路段可以減少甚至沒有RF-Tag簇，此時(shí)使用DGNSS即可得到較高的定位精度。

7 總結(jié)

研究?jī)?nèi)容是推進(jìn)“十二五”交通信息化朝著安全的智能交通目標(biāo)邁進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，研究成果可以為高速公路車輛之間的定位提供一種低成本、高可靠性、高精度的定位方法，從而為交通主動(dòng)安全及在線位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。研究意義具體體現(xiàn)在：

1)在ITS領(lǐng)域：實(shí)現(xiàn)①對(duì)駕駛員：在第一時(shí)間給駕駛員提供遠(yuǎn)距離車輛碰撞預(yù)警信息，為車輛的精細(xì)駕駛情況和所在車道提供判斷依據(jù)、提高主動(dòng)交通安全防御能力；②對(duì)運(yùn)輸企業(yè)：實(shí)現(xiàn)車輛的安全運(yùn)營(yíng)，減少因車禍而付出的高昂成本，為精細(xì)的車輛調(diào)度、車輛監(jiān)控等提供信息和技術(shù)基礎(chǔ)；③對(duì)政府行政部門：保障高速公路的安全暢通，并能更好地掌握車輛的細(xì)微違章情況，尤其對(duì)區(qū)分高速路主輔路、進(jìn)入非準(zhǔn)入車道、連續(xù)并線、壓白線、加塞等傳統(tǒng)手段難以控制的違章行為和危險(xiǎn)駕駛行為進(jìn)行監(jiān)控。

2)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域：研究的基于UWB無源RFID的定位算法和協(xié)議也可以用在目前應(yīng)用日益廣泛的物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)UWB節(jié)點(diǎn)的低成本精確定位。

3)在衛(wèi)星定位領(lǐng)域：研究的低成本的基于自差分的GNSS定位技術(shù)，可以應(yīng)用在位置服務(wù)的其他領(lǐng)域，例如：物流、集裝箱、緊急救援、位置跟蹤等。

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Study on the Accurate Location of Highway Vehicles based on UWB/DGNSS

Chen Xiao，Cui Xuerong，Song Huiying

(Department of Computer and Communication Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266580, China)

Currently，highway vehicle collision accident rate remains high, but the related research mainly focuses on single-vehicle collision warning based-on ranging of adjacent vehicles, which is not a good way to avoid the chain collision. The main technical challenge of chain collision warning is precise positioning of vehicles. This challenge arises from special restrictions on highway such as lack of power supply, high speed of vehicles, non-line-of-sight of nonadjacent vehicles, low-cost requirement of massive equipment installation and maintenance, etc. In order to address these challenges, a hybrid positioning approach is proposed. The scheme is that, both the relative positioning based on UWB passive RFID and the absolute positioning based on the self-differential satellite signal work collaboratively, and then the precise positioning of the vehicle on highway can be achieved. The research results can be used for vehicle chain collision warning, Internet of things and other areas of high-precision location-based services.

DGNSS; UWB; Accurate location; Highway; Chain collisions

國(guó)家自然科學(xué)基金(61301139，61671482)，山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014FL014)，中國(guó)高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(16CX02046A)，青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14-2-4-83-jch)

陳 梟(1992-),男，重慶，碩士研究生,研究方向: 車聯(lián)網(wǎng)、位置服務(wù) 崔學(xué)榮(1979-),男，山東萊陽,副教授,博士研究生,研究方向: UWB無線通信、車聯(lián)網(wǎng)、位置服務(wù) 宋會(huì)英(1968-),男，山東利津,副教授,博士研究生,研究方向: 位置服務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1007-757X(2017)03-0004-03

TN914

A

2016.11.02)