基于UWB/DGNSS的高速公路車輛精確定位方法的研究

陳 梟， 崔學榮, 宋會英

(中國石油大學(華東) 計算機與通信工程學院， 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， 崔學榮, 宋會英

(中國石油大學(華東) 計算機與通信工程學院， 青島 266580)

目前高速公路車輛碰撞事故發生率居高不下，但相關研究成果主要集中在基于前后距離測量的單車碰撞預警，無法避免車輛連環碰撞。車輛連環碰撞預警的主要技術難題是車輛的精確定位問題，因為高速公路存在缺少電源、車輛高速移動、不相鄰車輛的非視距，以及海量設備安裝維護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)無源射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)相對定位和基于自差分衛星的絕對定位方法，二者協同工作實現高速公路車輛的精確定位。研究成果可用于車輛連環碰撞預警、物聯網及其他高精度位置服務領域。

DGNSS； UWB； 精確定位； 高速公路； 連環碰撞

0 引言

目前國內外高速公路交通安全的研究成果大都集中在后車根據測距、測速結果和安全行駛模型實現的單車碰撞預警系統[1]。例如：日本要求2014年11月以后生產的新款大型卡車陸續配備該系統，歐盟也要求2013年秋季后新銷售的大型車必須配備該系統。但這僅僅是單車碰撞預警，無法實現多車的連環碰撞預警。

高速公路追尾碰撞發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]、拐彎或出現故障，而后方連續多輛車未能及時剎住所導致的連環碰撞。在高速公路上離異常車最近的車有可能發現前車的異常，但是由于視線的原因再后方的車輛幾乎不可能及時獲知潛在危險的存在。如果異常車能夠在發生異常時及時向其后方或者側后方一定距離范圍內的多個瀕危車輛發送緊急預警消息，則可以大大降低事故的發生率。研究表明后車駕駛員只要在與前車發生危險碰撞前0.5秒收到預警信號，就可以避免大約60%交通事故的發生[3]。

國內外現有的車輛碰撞預警研究成果主要集中在原理簡單的基于前后相鄰車輛測距基礎上的單車碰撞預警[4, 5]，所以無法從根本上避免多車輛的連環碰撞；而多車連環碰撞預警的研究剛剛開始，而且主要集中在高層的通信協議[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碰撞的，只有獲得了遠距離多輛車(包括非視距)的精確位置信息，并根據相對車速、加速度、距離等進行聯合判斷才能夠有可能實現多車輛的連環碰撞預警，從而降低高速公路車禍尤其是連環追尾碰撞事故的發生率。

但是現有的精確定位系統，例如RTK[7](Real-Time Kinematic，實時動態差分定位)、CORS(Continuous Operational Reference System)等GNSS[8](Global Navigation Satellite System，全球衛星導航系統)定位，由于地域跨度小、資費高等均不適合在高速公路這樣跨地區的大量終端并存的交通行業應用。

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碰撞亟待解決的關鍵問題。本文提出了一種面向主動交通安全領域的基于UWB[9](Ultra Wideband，超寬帶)/DGNSS的高速公路車輛協同精確定位方法和關鍵技術，從而為高速公路車輛連續碰撞預警提供技術支持；重點研究了在高速公路上特殊環境下的基于UWB無源RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)的高精度的相對定位[10]與基于自差分信息的GNSS絕對定位的協同定位模型、算法和協議。

1 基于UWB/DGNSS的車輛精確定位模型

傳統的基于UWB的定位以及傳統的GNSS差分定位都需要有源的參考基站提供信號，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。

采用的協同定位模型流程圖，如圖1所示(虛線為信息流，實線為工作流)。

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中的各項說明如下：

1)在沒有車輛經過的時候，RF-Tag不工作，此時OBU使用DGNSS進行定位；當有車輛經過時，RF-Reader發射的激活信號可以激活RF-Tag；

2)RF-Tag被激活獲得充足的能量后，向RF-Reader發射UWB信號以及包含道路信息和RF-Tag的精確位置等信息(安裝時內置在RF-Tag里)的幀；

3)OBU根據多個RF-Tag發射的UWB射頻信號以及車輛自身采集的速度信息進行UWB相對定位；

4)OBU結合RF-Tag的地理位置，可以估計車輛當前所在的準確經緯度坐標。由于RF-Tag的地理位置已知的且是準確的，而UWB的定位精度理論上可以達到厘米級，在高速公路的特殊條件下，在實驗室軟件仿真發現UWB定位精度可以達到亞米級，所以可以作為GNSS的差分參考源；

5)根據估計出的經緯度坐標以及當前GNSS的非差分實時信息可以得到GNSS差分信息，并保存到OBU內存；

6)在后續的沒有RF-Tag的區域，即無法進行UWB精確定位時，則使用上述差分信息進行DGNSS定位。

2 RF-Tag的激活

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

在視距環境下UWB無源RFID傳播距離通常可以達到300英尺(約為91米)，所以完全可以滿足系統應用的需要。其結構框架,如圖2所示。

圖2 RF-Tag 結構框架示意圖

3 RF-Tag發送數據幀的格式

由RF-Tag傳輸到RF-Reader的數據幀擬包括：高速公路的ID、車道數量、安裝位置(左、右路肩、隔離帶)、RF-Tag ID、距離下一個RF-Tag的距離、經度、緯度、高度等信息，如表1所示。

表1 RF-Tag發送數據幀的格式

4 基于UWB無源RFID的相對定位方法

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

假設高速公路為雙向4車道，矩形代表在路肩鋪設的RF-Tag，d為車輛到RF-Tag的垂直距離，ν為車輛行駛速度，θi為車輛相對第i個RF-Tag的徑向方向與行駛方向的夾角，mi為第i個RF-Tag與車輛行駛方向的水平距離，fi為車輛相對第i個RF-Tag的多普勒頻移。傳統的基于TOA、RSSI、TDOA的測距定位算法由于未考慮車輛通信的復雜電磁、NLOS、高速運動環境，所以并不適合用在RF-Reader的測距定位。本文利用UWB信號的多普勒頻移實現測距定位。根據幾何關系，可以得到：

圖3 基于UWB無源RFID相對定位的原理圖

(1)

由于車輛相對于RF-Tag是移動的，所以可以根據檢測到的多普勒頻移得到fi，同時fi滿足式(2)。

(2)

因為相鄰兩個RF-Tag的距離mi,i+1也是已知的，固化在第i個RF-Tag里，所以可以得到式(3)。

(3)

另外，在OBU中，根據CAN(Controller Area Network，由德國BOSCH公司開發，并最終成為國際標準)總線，或者直接接入速度信號線可以獲得準確的車速v；發射信號的波長是已知的。將這些已知量代入式(1)～(3)，即可得到車輛相對于N個RF-Tag的位置(定位精度理論上可以達到亞米級)。因為RF-Tag的經緯度坐標是預設的，所以根據得到的亞米級的相對位置和RF-Tag的準確經緯度即可得到當前車輛的高精度的經緯度坐標；根據距離d，即可推算出車輛所處的車道信息。

獲得經緯信息后，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，從而實現車輛連環碰撞預警。

5 基于自差分的GNSS定位方法

傳統的GNSS差分定位需要架設參考基站，例如在RTK定位中，RTK基站架設在一個已知坐標值的固定點上，RTK基站將采集到的衛星差分信息通過無線電臺或者移動數據網發送至待定位端。這種方式在高速公路中并不適合，首先，是因為高速公路距離長，待定位端和基準站之間的距離對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的地理位置結合UWB相對定位推算出的經緯度作為OBU的精確位置，將該精確位置與OBU端的GNSS定位信息進行演算得到差分信息，進而可以消除公共的衛星時鐘誤差、大氣對流層、電離層等對信號的影響。在后續的無RF-Tag區域，則根據該差分信息進行GNSS定位。

6 RF-Tag簇

為了降低車輛定位系統的安裝成本，同時考慮到差分信息與距離的相關性，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RF-Tag，第一個RF-Tag與最后一個RF-Tag的距離不超過UWB信號傳播距離的2倍。

在GNSS信號差的路段，可以使用增大路邊RF-Tag簇密度的方式實現基于UWB的相對定位并結合當前RF-Tag的經緯度坐標得到車輛的精確位置；在GNSS信號強的路段可以減少甚至沒有RF-Tag簇，此時使用DGNSS即可得到較高的定位精度。

7 總結

研究內容是推進“十二五”交通信息化朝著安全的智能交通目標邁進的關鍵技術，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，從而為交通主動安全及在線位置服務產業發展奠定基礎。研究意義具體體現在：

1)在ITS領域：實現①對駕駛員：在第一時間給駕駛員提供遠距離車輛碰撞預警信息，為車輛的精細駕駛情況和所在車道提供判斷依據、提高主動交通安全防御能力；②對運輸企業：實現車輛的安全運營，減少因車禍而付出的高昂成本，為精細的車輛調度、車輛監控等提供信息和技術基礎；③對政府行政部門：保障高速公路的安全暢通，并能更好地掌握車輛的細微違章情況，尤其對區分高速路主輔路、進入非準入車道、連續并線、壓白線、加塞等傳統手段難以控制的違章行為和危險駕駛行為進行監控。

2)在物聯網領域：研究的基于UWB無源RFID的定位算法和協議也可以用在目前應用日益廣泛的物聯網中，實現UWB節點的低成本精確定位。

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

[1] 馬新露. 應用于車輛碰撞協同預警系統的定位與測距技術 [J]. 交通信息與安全, 2011(1): 128-131.

[2] Sugiyama N, Nagatani T. Multiple-vehicle collision induced by a sudden stop in traffic flow [J]. Physics Letters A, 2012, 376(22): 1803-1806.

[3] 唐小淋, 林培群, 徐建閩. 基于云計算和WSN的車聯網體系架構及關鍵技術研究 [J]. 交通信息與安全, 2011(5): 106-111.

[4] 王英, 許可. 基于UWB無線定位的汽車防撞系統設計 [J]. 重慶郵電大學學報(自然科學版), 2010(6): 804-807.

[5] Chee K Y, Zhong Z W. Control, navigation and collision avoidance for an unmanned aerial vehicle [J]. Sensors and Actuators a-Physical, 2013, 66-76.

[6] 劉建航, 畢經平, 徐鵬, 邊永超, 李忠誠. 一種提高系統吞吐量的協助下載補償模型 [J]. 計算機學報, 2012(7): 1390-1398.

[7] Elnabwy M T, Kaloop M R, Elbeltagi E. Talkha steel highway bridge monitoring and movement identification using RTK-GPS technique [J]. Measurement, 2013, 46(10): 4282-4292.

[8] Alam N Ion. Three Dimensional Positioning with Two GNSS Satellites and DSRC for Vehicles in Urban Canyons [C]. Proceedings of the 24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (Ion Gnss 2011), 2011: 3975-3983.

[9] 崔學榮, 吳春雷, 李娟, 張浩. 物聯網中基于UWB能量檢測定位算法的仿真 [J]. 微型電腦應用, 2011(9): 20-22+24-25.

[10] Lee S, Lim A. An Empirical study on ad hoc performance of DSRC and Wi-Fi vehicular Communications [J]. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2013.

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

國家自然科學基金(61301139，61671482)，山東省自然科學基金項目(ZR2014FL014)，中國高校基本科研業務費資助項目(16CX02046A)，青島市科技計劃項目(14-2-4-83-jch)

陳 梟(1992-),男，重慶，碩士研究生,研究方向: 車聯網、位置服務 崔學榮(1979-),男，山東萊陽,副教授,博士研究生,研究方向: UWB無線通信、車聯網、位置服務 宋會英(1968-),男，山東利津,副教授,博士研究生,研究方向: 位置服務、虛擬現實技術

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

TN914

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2016.11.02)