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技术领域

本发明涉及一种ETC系统的车辆定位系统及方法，具体涉及一种 基于专用短程通信的射频定位系统及方法。

背景技术

关于车辆定位，现有技术主要采用GPS和北斗卫星定位。其定位 精度主要依赖于用户定位仪器终端的精确度和卫星定位系统自身的 地图数据库的准确性。

其基本原理为：GPS和北斗定位系统的观测量是，由太空中已知 轨道的卫星位置到地面或空中需要测定位置的点位间的距离量。如果 由卫星传送出的信号可以不间断的由时间同步的接收仪来记录，则它 们之间的距离量可经由该信号传送时间段乘上电磁波的速度来明确 确定。当足够数量的卫星信号被接收仪同时接收时，测量点位的三维 位置即可利用后方交会法(resectionmethod)求得，然而由于接收 仪与卫星的时间无法保证能够与正确的GPS/北斗时系相同步，因此 需要考虑时间差的影响来获得较高的定位精度。对每一个位置的解算 来说，都包含点位的三维地心坐标以及接收仪的时间误差等四个未知 数，因此GPS定位便需要至少四颗卫星的观测量来进行计算。

GPS/北斗定位系统由三个主要运作的单元加以组成，它们分别是 太空单元(spacesegment)、控制单元(controlsegment)及使用者单 元(usersegment)。根据卫星的轨道分布，其由24颗卫星组成，运 行高度约20,200公里，分别分布在六个倾角为55°、每一恒星日二 次周期的轨道面上。在太空单元中，GPS卫星已完成全球覆盖，并在 15°的高度角以上已达成任何时刻皆有至少四颗卫星观测量的标准。 在GPS卫星传送的信号中，包含二个L波段(频率在1-2GHz的无线 电波波段)的载波(L1和L2)，其是由一个10.23MHz的基本L波段 频率分别乘上154和120后所组成。

使用者单元即GPS/北斗接收仪，用来获取卫星信号，因为GPS/ 北斗的应用领域(导航、授时及测量)的不同需要，GPS/北斗接收仪 一般包含有前置放大器的天线、信号处理器、微处理器、精密振荡器、 电源、资料存储设备及指令显示装置。

ETC系统的车辆定位方法主要基于DSRC(DedicatedShortRange Communication,专用短程通信)通信协议来实现。

中国专利公告号CN102592323B公开了一种基于DBF的OBU定位 方法、定位装置及系统，其公开的技术方案是：相控阵辐射阵列，用 于向公路面上提供用于波束扫描的精确定位分辨角度波束；移相器， 用于控制相控阵辐射阵列的辐射器间的相位，使相控阵辐射阵列在公 路面上形成多个、沿公路纵向排列的波束定位区，并控制相控阵辐射 阵列捕捉驶入波束定位区的车载单元OBU发射的微波信号；数据处理 单元，用于根据捕捉到的OBU发射的微波信号的波束的角度生成OBU 对应的被测车辆的位置数据；实现准确定位车辆的纵向位置，从而查 出收费系统中无标签车辆或交易不成功车辆的车辆信息。

中国专利公告号CN103514638A公开了一种基于DSRC技术的定 位装置、RSU和应用系统，其公开的技术方案是：至少一个定位天线， 所述定位天线包括至少三个接收天线；信号接收机：用于分别将所述 接收天线接收的来自同一车载单元的微波信号输入鉴相模块；鉴相模 块：用于分别获取所述接收天线接收的微波信号对应的数字化相位信 息；数字处理模块：用于根据所述接收天线接收的微波信号之间的相 位差计算所述微波信号的方位角θ，并根据所述方位角θ计算所述车 载单元的定位信息。该方法有一定的定位精度，主要用于解决ETC交 易通信过程中的邻道干扰和跟车干扰问题，以确保DSRC应用系统的 正常运行。

GPS和北斗卫星定位的实现方式、原理是相同的，其使用过程中 产生的问题也相似，GPS卫星定位的缺点如下文所示。

GPS原理大致上是通过测定在轨卫星(在轨决定其是一个已知数 据)到地面点的距离来获取地面坐标及其常规地理要素(即空间后方 交会)。因为求解方程中位置量有XYZ及钟差T，所以接受卫星数必 须大于等于4颗。在定位过程中，有两种方法来求得卫星到地面的伪 距(即含有误差的距离)：1，测距码；2，载波相位。

测距码属于伪随机噪声码，是一种二进制码序列；其关键在于测 量发射信号到接受信号中间的时间差，通过原子钟同步获得。由于搭 载测距码的载波在穿越电流层是会发生折射，如是便产生了电离层误 差。太阳活动对电离层总电子密度有影响，所以这也会对GPS定位产 生影响，太阳耀斑可能导致了GPS不能使用。

若某卫星S发出一载波型号(此处将载波当做测距信号来使用)， 该信号向各处传播。在某一瞬间，该信号在接收机R处得相位为ψR， 在卫星S处为ψS。注意，此处所说的ψR，ψS为同一起点开始计算 的包括整周数在内的完整的载波相位。则卫地距ρ＝λ(ψS-ψR)； 其中ψ为相位。由上可知如果对应的相位数不准确，或直接无法得到 那么GPS也就无法工作了。另外在测量过程中如果卫星的高度角(卫 星与地面水平的夹角)太小也无法进行测量定位。

综上，在测量时段内没有4颗或以上卫星，高度角太小，有高层 建筑之类遮挡物，太阳活动剧烈，天上卫星在轨位置及运行状况，接 收机状况等都可能造成GPS无法定位或定位不准确。

传统的GPS和北斗卫星定位中，各地区信号强弱的影响，以及高 楼、室内等复杂环境的干扰(进一步的考虑民用定位终端的性能影 响)，会使GPS定位存在少部分地区不能识别、定位精度不高的盲区 问题。

因此，车辆在无法进行GPS定位的情况下，需要采用一定的技术 手段来实现定位功能。

同样，在其他基于ETC系统DSRC通信协议来进行车辆定位的方 法中，也有其局限性。主要在于系统环境搭建模式很单一，专用性很 强，主要针对ETC交易系统中出现的小范围多车交易干扰问题。该两 种方法定位场景是并行的ETC通道，且每个ETC通道都设有RSU，这 样系统搭建成本很高。

发明内容

本发明的目的是针对现有GPS和北斗卫星定位中存在少部分地 区不能识别、定位精度不高的盲区问题，基于ETC系统DSRC通信协 议来进行车辆定位存在系统环境搭建模式很单一，专用性很强、系统 搭建成本很高的问题，提供一种车辆通过DSRC协议，采用无线射频 通信的方法，实时获取自身位置信息的基于专用短程通信的射频定位 系统及方法。

为实现本发明目的的技术解决方案如下。

一种射频定位电子标签，包括：

射频收发模块，用来接收和发送5.8GHz的射频信号；

MCU模块，用来控制电子标签的唤醒、应答及通信工作；

电源管理模块，对电子标签的低功耗管理；

接口模块，提供外部有线读写端口；

EEPROM存储单元，用来存储电子标签厂家、型号、ID码，在安 装时还会写入地理位置信息(空间坐标信息)。

进一步地，所述射频定位电子标签内置电池，使用时间大于3年 或交易次数大于10万次，通讯频率为5.8GHz，采用DSRC通信协议， 内部存储器中长期保存本器件安置地点的地理位置信息和本器件的 身份识别信息；具备接收与发送5.8GHz射频信号的功能。

一种车载射频定位单元，包括：

射频收发模块，用来进行5.8GHz的射频信号收发工作；

MCU模块，用来控制各信号收发及读写；

接口及显示模块，接口模块为外部提供USB串口读写的功能，可 通过其对外发送接收到的位置信息，显示模块显示车载定位单元的工 作状态；

电源模块，对外接电源进行管理并内置可充电电池，行车过程中 由汽车供电，掉电状态下由内置电池供电。

进一步地，所述车载射频定位单元讯频率为5.8GHz，采用DSRC 通信协议，内置ESAM安全模块，工作过程中对外广播唤醒信号，接 收到射频定位电子标签的应答信号后识别身份信息，成功则建立与其 通信链路，读取电子标签内的地理位置信息，然后将地理位置信息通 过通信接口送出。

基于专用短程通信的射频定位系统，包括前述的射频定位电子标 签、车载射频定位单元；所述射频定位电子标签安装在需要定位的盲 区点；所述车载射频定位单元安装在车辆内部；当车辆通过标签安装 区域时，车载射频定位单元能够与该位置的电子标签通信，读取标签 内的地址信息。

射频定位电子标签的功能为：通过DSRC(DedicatedShortRange Communication,专用短程通信)协议，在5.8GHz频率收发射频信号， 与车载射频定位单元进行通信，内部有EEPROM存储单元记录地址信 息，可以被车辆内车载射频定位单元读取；内置电池，通过电源智能 管理模块实现电子标签的低功耗工作，可以保证电子标签持续工作三 年以上。

车载射频定位单元的功能为：支持DSRC协议，通过5.8GHz频率 射频信号完成信息收发，能够读取车身范围内6米的相应电子标签内 的地址信息。

采用基于专用短程通信的射频定位系统的定位方法，其步骤在 于：

S1：在需要定位的位置安装射频定位电子标签，将其所在位置的 坐标信息通过预制参数读写接口存储在其数字单元的EEPROM中，并 被长期保存；

S2：车辆驶入需定位区域后，车载定位单元广播唤醒信号；

S3：电子标签接收唤醒信号后，按DSRC通信协议向车载定位单 元发送应答信号，应答信号含电子标签身份识别信息；

S4：车载定位单元对电子标签的身份信息进行判别无误后，建立 与电子标签的通信链路；

S5：电子标签按DSRC协议向车载定位单元发送标签内存储单元 中的地址信息，数据传输完毕后，车载定位单元发送接收完毕信号。

本发明的有益效果是：本发明采取在盲区安装记载有地址信息的 电子标签，供安装有车载射频定位单元的车辆，在通过电子标签安装 区域即盲区时，可以实时读取电子标签内的地址信息，实现了对GPS 定位的补足；根据其实时有效的定位特性，本发明还可用于室内定位， 如大型地下停车场，地下隧道等区域的车辆定位。

附图说明

图1是本基于专用短程通信的射频定位系统结构图。

图2是本基于专用短程通信的射频定位方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

如图1，车载定位单元在工作过程中可对应多个电子标签，获取 的地理位置信息以最新的交易结果为准。

本发明实例的实施过程，主要针对高楼、室内、大型地下停车场 和地下隧道等传统GPS卫星定位难以精确覆盖的区域。

电子标签的安装位置为车道两边不超过车道边缘1米，且与路面 垂直距离2米左右，与车道之间不应有障碍物，以保证与车载定位单 元的通信质量。

电子标签内部存储有安装地点的地理位置信息，特别的，该信息 以空间三维坐标的形式保存在电子标签内部，即根据高楼、室内、大 型地下停车场和地下隧道等安装环境的不同，所记录的地理位置信息 除经纬度外，还包含有楼层信息(地面以上为1、2……n层，地面下 为-1、-2……-n层。

电子标签内部有用于与车载定位单元进行身份认证的身份信息。

电子标签可通过外部串行接口进行编程和数据的读写。

车载定位单元安装在车辆内部，通过外部接口连接到车辆电子系 统，由车辆电子系统提供电源，在工作过程中实时传输地理信息给车 辆电子系统，并实时显示其工作状态。

如图2，车载单元射频定位方法的流程如下：

(1)在需要定位的位置安装射频定位电子标签，将其所在位置的 坐标信息通过预制参数读写接口存储在其数字单元的EEPROM中，并 被长期保存；

(2)车辆驶入需定位区域后，车载定位单元广播唤醒信号；

(3)电子标签接收唤醒信号后，按DSRC通信协议向车载定位单 元发送应答信号，应答信号含电子标签身份识别信息；

(4)车载定位单元对电子标签的身份信息进行判别无误后，建立 与电子标签的通信链路；

(5)电子标签按DSRC协议向车载定位单元发送标签内存储单元 中的地址信息，数据传输完毕后，车载定位单元发送接收完毕信号。 电子标签进入待机状态；

(6)车载定位单元向车辆电子系统发送接收到的地理位置信息。