基于V2X和UAV的車(chē)輛協(xié)同定位方法研究

劉 沖，張?jiān)孪迹?，3*

(1. 北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101； 2. 北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101； 3. 北京信息科技大學(xué)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航北京市實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

1 引言

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)智能交通系統(tǒng)發(fā)展的必然趨。在過(guò)去的十年里，許多智能交通應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展，如輔助駕駛、自動(dòng)駕駛、車(chē)輛防碰撞、高速公路監(jiān)測(cè)等。然而，這些應(yīng)用需要實(shí)時(shí)且精確的車(chē)輛定位技術(shù)支撐。以GPS為代表的NGSS在高樓密集的街區(qū)、山區(qū)、惡劣天氣等場(chǎng)景中由于信號(hào)受障礙物阻擋，導(dǎo)致其定位性能大打折扣甚至無(wú)法完成定位，難以滿(mǎn)足為未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)安全性和實(shí)時(shí)性的要求。

近年來(lái)，隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的不斷發(fā)展，基于V2X的定位技術(shù)越來(lái)受到人們的關(guān)注。文獻(xiàn)[5]將基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法和V2X通信進(jìn)行了融合，在待定位區(qū)域的不同位置分別采集不同RSU的接收信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)建指紋庫(kù)，定位階段將待定位車(chē)輛的接收信號(hào)強(qiáng)度與指紋庫(kù)中指紋進(jìn)行對(duì)比，篩選指紋庫(kù)中相似度最高的指紋點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)作為待定位車(chē)輛位置。文獻(xiàn)[6]提出了一種利用到達(dá)角度(AOA)和V2X通信的車(chē)輛定位方法，該方法假定待定位車(chē)輛配備全向天線(xiàn)，待定位車(chē)輛利用全向天線(xiàn)解算出通信范圍內(nèi)接收到RSU或輔助車(chē)輛信號(hào)的來(lái)波角度，并利用來(lái)波角度的正切值構(gòu)建包含待定位車(chē)輛坐標(biāo)的位置約束方程組。文獻(xiàn)[7]提出一種基于加權(quán)質(zhì)心算法的V2X車(chē)輛定位方法，針對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)心定位方法精度較低問(wèn)題，待定位車(chē)通過(guò)對(duì)附近RSU和輔助車(chē)輛的坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)來(lái)估算自身的位置坐標(biāo)，其中權(quán)值的設(shè)置主要包括相對(duì)距離及接收信噪比兩部分。

在上述基于V2X的改進(jìn)定位方法中全部假設(shè)待定位車(chē)輛可以接收到足夠的RSU及輔助車(chē)輛廣播信息。然而在實(shí)際車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，由于成本、能耗、實(shí)際車(chē)流量、輔助車(chē)輛比例等諸多因素的影響導(dǎo)致大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中RSU及輔助車(chē)輛的分布相對(duì)稀疏，無(wú)法為待定位車(chē)輛提供持續(xù)且精準(zhǔn)的位置服務(wù)。以二維定位場(chǎng)景為例，基于測(cè)距的定位方法要求待定位車(chē)輛同時(shí)位于三個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)的廣播范圍內(nèi)才可完成定位，而基于非測(cè)距的定位方法也需要同時(shí)位于多個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)才能獲得精準(zhǔn)的位置估計(jì)，這通常難以保證。

UAV技術(shù)是現(xiàn)階段熱點(diǎn)研究方向之一，已廣泛應(yīng)用于遙感測(cè)繪、影視航拍、搜索打擊等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著位置服務(wù)需求的日益增加，也有許多專(zhuān)家對(duì)無(wú)人機(jī)定位技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]針對(duì)列車(chē)在山谷等復(fù)雜地理環(huán)境下信號(hào)受阻問(wèn)題，利用無(wú)人機(jī)輔助定位，針對(duì)列車(chē)和無(wú)人機(jī)的速度差產(chǎn)生的定位誤差，對(duì)傳統(tǒng)RSSI測(cè)距定位算法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提升定位精度。文獻(xiàn)[10]利用極端學(xué)習(xí)機(jī)訓(xùn)練單隱層前向反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，未知節(jié)點(diǎn)記錄接收信號(hào)強(qiáng)度，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)坐標(biāo)。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于圖像處理的危險(xiǎn)信息監(jiān)測(cè)及定方法，并采用簡(jiǎn)單的硬件和新穎的圖像處理算法對(duì)待定位目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與定位。

通過(guò)在GNSS信號(hào)較弱的區(qū)域部署無(wú)人機(jī)可以很好地解決待定位車(chē)輛無(wú)法收到足夠的V2X信號(hào)而導(dǎo)致定位連通及定位精度性較差問(wèn)題。因此，本文提出了一種基于V2X和UAV的車(chē)輛協(xié)同定位方法。待定位車(chē)輛利用無(wú)人機(jī)與自身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建TOA方程，并通過(guò)與已知坐標(biāo)車(chē)輛或RSU進(jìn)行距離差分，修正TOA測(cè)距的時(shí)間誤差，實(shí)現(xiàn)協(xié)同位置解算，同時(shí)利用基于卡爾曼濾波的聯(lián)邦濾波器對(duì)V2X及UAV定位方法進(jìn)行融合，進(jìn)一步為待定位車(chē)輛提供連續(xù)、準(zhǔn)確的位置服務(wù)。

2 V2X定位模型

在本文V2X定位模型中，若干RSU規(guī)則部署于道路兩側(cè)，其坐標(biāo)通過(guò)更精確的測(cè)量方式預(yù)先測(cè)定得出。網(wǎng)絡(luò)中的車(chē)輛包含已知坐標(biāo)車(chē)輛和未知坐標(biāo)車(chē)輛。在已知坐標(biāo)車(chē)輛中，由高精度傳感器(SRV、激光雷達(dá)、攝像頭等)獲取自身坐標(biāo)的車(chē)輛由于具有較高的精度與 RSU共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)中的輔助節(jié)點(diǎn)，其通信半徑分別為r和R，通信技術(shù)為車(chē)聯(lián)網(wǎng)短程通信技術(shù)(DSRC)。輔助節(jié)點(diǎn)以周期T在其通信范圍內(nèi)進(jìn)行位置廣播，其中包含自身標(biāo)識(shí)和位置信息。未知坐標(biāo)車(chē)輛為網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)中提出位置請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)為待定位節(jié)點(diǎn)，待定位節(jié)點(diǎn)在發(fā)起位置請(qǐng)求后，需接收輔助節(jié)點(diǎn)的位置廣播信息，利用雙向測(cè)距法(TWR)進(jìn)行測(cè)距，并通過(guò)測(cè)距及坐標(biāo)信息聯(lián)立方程，從中解算出自身位置坐標(biāo)，V2X定位示意圖如圖1所示。

圖1 V2X定位示意圖

設(shè)車(chē)輛V為待定位車(chē)輛，忽略高度上的變化，理想情況下V的位置坐標(biāo)可通過(guò)求解方程組(1)獲得

(1)

式中(，)為待定位車(chē)輛的位置坐標(biāo)； (，)為第個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，為到第個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離。在二維場(chǎng)景下當(dāng)≥3時(shí)，可通過(guò)最小二乘法、級(jí)數(shù)法、最大似然估計(jì)法等對(duì)(，)的值進(jìn)行求解。

面向未來(lái)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要精準(zhǔn)且連續(xù)的位置服務(wù)。然而在實(shí)際車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，基于V2X定位方法精度有待提高且稀疏的輔助節(jié)點(diǎn)分布很難保證待定位車(chē)輛總能接收到足夠的輔助節(jié)點(diǎn)信息，導(dǎo)致待定位車(chē)輛在GNSS信號(hào)較差的地區(qū)定位連通性較低，無(wú)法獲得高可靠性的位置服務(wù)。因此，問(wèn)了解決上述問(wèn)題并提升定位精度，本文提出基于V2X和UAV的車(chē)輛協(xié)同定位的方法。

3 UAV-V2X車(chē)輛協(xié)同定位方法

3.1 車(chē)輛協(xié)同定位模型

基于UAV-V2X的車(chē)輛協(xié)同定位模型如圖2所示。

圖2 UAV-V2X車(chē)輛協(xié)同定位模型

設(shè)車(chē)輛定位區(qū)域由于高樓等障礙物的遮擋導(dǎo)致GNSS信號(hào)較弱，無(wú)法提供準(zhǔn)確的位置服務(wù)。UAV-V2X車(chē)輛協(xié)同定位模型中車(chē)輛類(lèi)型、RSU部署、V2X定位原理與V2X定位模型相同。無(wú)人機(jī)U部署于GNSS信號(hào)較弱地段上空，其可通過(guò)高精度傳感設(shè)備或RTK等定位手段獲得自身精確坐標(biāo)，并以周期T對(duì)自身當(dāng)前時(shí)刻及當(dāng)前時(shí)刻位置信息進(jìn)行廣播。車(chē)輛V為待定位車(chē)輛，本文要解決的主要問(wèn)題是在GNSS定位盲區(qū)下，如何通過(guò)UAV和V2X協(xié)同定位方法為V提供高連通性、高精度的位置服務(wù)。

3.2 基于單UAV的協(xié)同距離差分定位

基于單UAV的協(xié)同距離差分定位核心思想是待定位車(chē)輛利用無(wú)人機(jī)與待定位車(chē)輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建TOA測(cè)距方程，并通過(guò)與輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行距離差分，修正TOA測(cè)距的時(shí)間誤差，實(shí)現(xiàn)協(xié)同位置解算，定位模型如圖3所示。

圖3 基于單UAV的距離差分定位模型

(2)

(3)

(4)

其中△和△分別為和的時(shí)鐘誤差。

同理，與輔助節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻的測(cè)量距離與真實(shí)距離間關(guān)系如下

(5)

其中

(6)

(7)

將式(5)表示為式(8)所示形式

(8)

(9)

設(shè)(△-△)=△，則式(9)可表示為

(10)

將式(10)帶入式(2)可得

(11)

(12)

其中=--1。

進(jìn)一步將式(12)表示為如下形式

(13)

將式(13)帶入式(11)，整理得

(14)

令

(15)

(16)

(17)

將式(15)、(16)、(17)帶入(14)整理得：

(18)

將式(18)整理為式(19)所示形式，并將多組測(cè)距數(shù)值融合

=

(19)

其中：

(20)

(21)

(22)

其中

(23)

利用最小二乘法對(duì)式(19)中的進(jìn)行求解，即對(duì)式(24)進(jìn)行最小化處理

()=(-)(-)

(24)

可求得值如式(25)所示

=()

(25)

3.3 UAV-V2X融合定位

使用卡爾曼濾波對(duì)V2X和UAV的定位結(jié)果進(jìn)行融合。根據(jù)濾波器合結(jié)構(gòu)，可將濾波器分為集中卡濾波器和聯(lián)邦濾波器兩類(lèi)，但集中濾波器由于計(jì)算量較大，難以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。故本文采用聯(lián)邦濾波器實(shí)現(xiàn)UAV和V2X的融合定位?；赨AV-V2X的聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

圖4 基于VAV-V2X的聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)圖

V2X、UAV采用線(xiàn)性卡爾曼濾波器作為局部濾波器，分別記為L(zhǎng)F1、LF2，其對(duì)應(yīng)的信息分配系數(shù)分別為、，主濾波器對(duì)局部濾波器進(jìn)行融合與反饋。

采用當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型描述車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變 化過(guò)程，取組合定位整體變量如式(26)所示

=[，，，，，]

(26)

其中、分別是車(chē)輛東向和北向的位置分量，、分別是車(chē)輛東向和北向的速度分量，、分別是車(chē)輛東向和北向的加速度分量。系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程可表示為

=，-1-1+()+()

(27)

其中為時(shí)刻狀態(tài)向量，，-1為-1到時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，()為控制向量，()為噪聲向量。

對(duì)于2定位子系統(tǒng)取系統(tǒng)狀態(tài)變量=，系統(tǒng)狀態(tài)方程與總系統(tǒng)狀態(tài)方程相同。其觀測(cè)量為子系統(tǒng)定位輸出的東向和北向位置坐標(biāo)分量，觀測(cè)方程為

()=()()+()

(28)

在上式中

(29)

對(duì)于UAV子系統(tǒng)與V2X子系統(tǒng)類(lèi)似，系統(tǒng)變量X=X。取觀測(cè)量為子系統(tǒng)定位輸出的東向和北向位置坐標(biāo)分量，觀測(cè)方程為

()=()()+()

(30)

在上式中

(31)

對(duì)于LF1、LF2子系統(tǒng)采用卡爾曼濾波遞推方程進(jìn)行時(shí)間與量測(cè)的更新

(32)

主濾波器對(duì)子濾波器進(jìn)行最優(yōu)合成，其合成方法如下

(33)

主濾波器完成信息融合后，對(duì)子濾波器進(jìn)行信息反饋

(34)

其中：+=1。

4 仿真分析

為驗(yàn)證所提方法的性能，在東西雙向四車(chē)道模型中進(jìn)行仿真分析，設(shè)每條車(chē)道寬度W=3.5m，RSU交替分布于道路兩側(cè)0.5m處，相鄰RSU水平距離L，設(shè)RSU通信半徑為R=300m，車(chē)量以36km/h的速度沿車(chē)道方向行駛，加速度噪聲==03，最大加速度為10，==01。車(chē)輛通信半徑=30，輔助車(chē)輛數(shù)占總車(chē)輛數(shù)10，單條車(chē)道中車(chē)輛密度為(輛/m)，無(wú)人機(jī)飛行高度H=200m，且無(wú)人機(jī)輻射范圍覆蓋待定位區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中的廣播周期=02，=05，==05。

定位連通性直接決定待定位車(chē)輛的定位性能的優(yōu)劣，在V2X定位中當(dāng)待定位車(chē)輛同時(shí)位于三個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)廣播范圍內(nèi)時(shí)方可完成定位，通過(guò)改變RSU間水平距離L及車(chē)輛密度ρ，比較本文所提V2X/UAV定位方法與V2X定位方法的定位連通性，具體如圖5所示。

圖5 各定位方法定位聯(lián)通性化折線(xiàn)圖

由圖5可知，V2X定位方法定位連通性隨著L的增加和ρ的減小而大幅度下降，即在輔助節(jié)點(diǎn)密度較低的情況下無(wú)法無(wú)法提供連續(xù)的定位服務(wù)。而基于V2X/UAV的定位方法定位連通性隨著L的增加和ρ的減小變化不大，始終接近于1。其本質(zhì)原因在UAV定位不受L、ρ的影響，對(duì)V2X定位連通性較差區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)充定位。但系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)基于UAV的定位方法需要一定時(shí)間構(gòu)建UAV與待定位車(chē)輛間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，若在該段時(shí)間待定位車(chē)輛周?chē)妮o助節(jié)點(diǎn)較少無(wú)法完成V2X定位，則會(huì)對(duì)V2X/UAV定位方法的定位連通性造成一定影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的性能，對(duì)V2X/UAV定位方法、V2X定位方法、UAV位方法在的定位精度進(jìn)行仿真比較，單次測(cè)量中誤差的衡量標(biāo)準(zhǔn)采用均方根誤差衡量。測(cè)距誤差為均值為0的高斯白噪聲，其方差隨通信距離的增加在1m至4m內(nèi)線(xiàn)性增長(zhǎng)，假設(shè)通信鏈路為視距鏈路，圖6為三種定位方法定位誤差比較圖。

圖6 各定位方法誤差比較

由圖6可知，UAV、V2X、UAV/V2X定位方法平均定位誤差分別為3.6m、2.8m和2.5m。

與V2X、 UAV定位方法相比V2X/UAV定位方法的平均定位精度分別提升了30.5%和10.7%，其主要原因在于本文所提方法通過(guò)卡爾曼濾波的思想為V2X及UAV定位的觀測(cè)值及預(yù)測(cè)值分配了合理的權(quán)值，并利用聯(lián)邦濾波器對(duì)V2X及UAV定位方法進(jìn)行融合，從而得到較優(yōu)的定位精度。

另一方面，車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)際環(huán)境較為復(fù)雜，過(guò)往車(chē)輛等障礙物易遮擋V2X通信鏈路而產(chǎn)生多徑效應(yīng)，大幅度影響定位精度，而UAV部署于待定位車(chē)輛上空，其通信鏈路通常為視距鏈路，基于V2X/UAV的定位方法對(duì)V2X定位方法和UAV定位方法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了融合，從而提供高精度、高穩(wěn)定性的位置服務(wù)。本文所提定位方法適用于GNSS盲區(qū)下V2X定位方法定位連通性較差的應(yīng)用場(chǎng)景，且應(yīng)用該方法需要在待定位區(qū)域上空部署已知位置信息且具有無(wú)線(xiàn)電發(fā)射功能的UAV。

5 總結(jié)

本文提出一種融合V2X/UAV的車(chē)輛協(xié)同定位方法，其主要目的是解決城市峽谷等GNSS盲區(qū)中V2X定位連通性及定位精度較低問(wèn)題。在本文所提方法中UAV通過(guò)自身與待定位車(chē)輛間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型聯(lián)立多組TOA方程，并結(jié)合輔助節(jié)點(diǎn)的誤差廣播提升UAV定位精度，為V2X定位提供盲區(qū)中的補(bǔ)充定位。同時(shí)利用卡爾曼濾波對(duì)V2X及UAV定位方法進(jìn)行融合，進(jìn)一步為待定位車(chē)輛提供連續(xù)、準(zhǔn)確的位置服務(wù)。仿真結(jié)果表明，本文所提定位方法可提供高精度、高穩(wěn)定性的車(chē)輛定位服務(wù)，解決了車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)際環(huán)境中V2X定位連通性較低的問(wèn)題，提升了定位精度。但在實(shí)際定位場(chǎng)景中，復(fù)雜的車(chē)路環(huán)境、輔助節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)誤差、惡劣天氣等多方面因素都會(huì)對(duì)定位性能產(chǎn)生一定的影響。因此，在后續(xù)研究工作中還需進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步方案可行性。