基于停車場ETC天線設備的定位算法實現

袁婷

（深圳市金溢科技股份有限公司，廣州 510665)

0 引言

在高速公路ETC定位系統[2]中，天線安裝高度在5米左右，天線的安裝方式是吊裝，安裝角度只有俯仰角。相比于高速ETC定位，停車場的天線設備安裝比較低，安裝方式大多采用側裝，天線安裝角度參數不僅有俯仰角還有方位角，尤其方位角安裝精度不容易控制。為了對安裝天線角度不精確的誤差進行糾正，提出一種在軟件上校準天線安裝水平角（本文稱為方位角）角度的方法。

1 OBU坐標定位算法實現

按照天線的輻射方向建立坐標系x_ant、y_ant，由新一代相控陣天線得到關于坐標系x_ant、y_ant的OBU俯仰角和方位角，設定在坐標系x_ant、y_ant的第一象限，方位角為正值，第二象限的方位角為負值。由坐標計算算法得到坐標系x_ant、y_ant下面的OBU坐標，通過向量點積的運算，轉換到坐標系X、Y平面的OBU 坐標。設（x0，y0）為在坐標系 x_ant、y_ant下面的OBU坐標（即設定天線是吊裝情況下的OBU坐標）。

坐標系X、Y平面的OBU坐標，有：

其中θ0是天線安裝的方位角，φ0是天線安裝的俯仰角，（Ux,Uy）是校準點一在平面坐標系的坐標，h是OBU相對地面的高度，H是天線安裝的高度。

2 校準點算法

校準算法通過在車道設立校準點，對天線安裝角度不精確導致的定位誤差進行軟件上糾正。本文設立兩個校準點，按照車道布局建立坐標系X、Y、Z，如圖1所示，得到兩個校準點在車道X、Y、Z平面的位置U（Ux,Uy,Uz）、W（Wx,Wy，Wz）。以天線投射點和天線支架所在平面為天線投射平面S，從天線設備到投射點的連線為天線投射線L0，從天線設備到校準點的連線為L1。從校準點做與投射平面正交的平面S1，S與S1的交線L01與L0的夾角為此校準點的俯仰角φ，L1與L01的夾角為校準點的方位角θ。

由校準點的坐標，天線的安裝方位角、俯仰角、高度和OBU的高度，計算校準點方位角和俯仰角的理論值。以校準點一為例計算：

俯仰角φ=arctan（（Uxsinθ0+Uycosθ0）/（H-h））-φ0。

方位角θ =arctan（-（Ux cosθ0-Uy sinθ0）·cos（φ0+φ）/（H-h））。

圖1

2.1 校準兩個點

（1）設校準點一的坐標為（x1,y1），由上述公式可得校準點一的方位角θ1和俯仰角φ1的理論值。

（2）將OBU置于第一個校準點的位置，由相控陣天線獲取OBU第一幀回復信號（VST），根據VST中的定位信息，通過一定計算可得：

OBU所在位置的方位角測量值（dx）和俯仰角測量值（dy），x1_meas_angel和 y1_meas_angel。

（3）校準點一方位角補償中間值：方位角理論值-測量值（x1_offset_angel=-（x1_meas_angel-θ1））。

校準點一俯仰角補償值：俯仰角理論值-測量值（y1_offset_angel=-（y11_meas_angel-φ1））。

（4）同理，可得校準點二的方位角θ2和俯仰角φ2的理論值。

方位角補償中間值：X2_offset_angel=-（x2_meas_angel-θ2）。

同時，試驗數據的線性相關性用線性相關系數R大小來判斷，該值在-1～1范圍內。當|R|越接近1線性質量越好。線性相關系數R的計算公式為：

x2_meas_angel和y2_meas_angel分別是校準點二的方位角和俯仰角50次測量值的平均值。

2.2 天線角度軟件補償

兩個點均校準完畢，軟件自動計算得到天線方位角的校準值，對天線配置的安裝角度與實際的安裝角度之間的偏差進行糾正，計算公式如下：

天線方位角補償值：校準點一和校準點二的方位角補償中間值的平均值（angle_θ0_offset=（X1_off?set_angel+X2_offset_angel）/2）。

補償后的天線方位角：天線方位角初始值+天線方位角補償值（angle_θ0=θ0+angle_θ0_offset）。

俯仰角補償值：Y2_offset_angel=-（y2_meas_an?gel-φ2）。

2.3 校準點角度補償

在對天線方位角進行校準補償之后，再對校準點一和校準點二的方位角進行補償，使其在天線方位角已經校準的基礎上，對OBU所在位置的測量方位角再次進行補償，使在交易過程中，測量得到的OBU方位角經過補償后，更接近于實際OBU所在坐標的方位角，從而使計算的坐標更接近實際坐標。具體補償方式如下：

校準點一的方位角補償值：校準點一的方位角理論值-（校準點一的方位角測量值+天線方位角補償值）（X1_offset_angel=θ1-（x1_meas_angel+angle_θ0_offset））。

校準點二的方位角補償值：校準點二的方位角理論值-（校準點二的方位角測量值+天線方位角補償值）（x2_offset_angel=θ1-（x2_meas_angel+angle_θ0_offset））。

圖2 校準流程

3 交易過程校準補償

對天線方位角和校準點校準補償之后，根據這兩個校準點將車道劃分為3個區域，區域按照方位角劃分，OBU的測量方位角大于校準點一的方位角的區域（θ>θ1）屬于1區，小于校準點一的方位角且大于校準點二的方位角的區域（θ2<θ<θ1）屬于2區，小于校準點二的方位角的區域（θ<θ2）屬于3區，如圖3所示。1區補償的方位角和俯仰角是（x1_offset_angel，y1_offset_an?gel），3區補償的方位角和俯仰角是（x2_offset_angel，y2_offset_angel），2區的補償是在1區和3區之間，根據OBU的方位角變化進行線性補償，補償值為（x_offset，y_offset），計算公式如下：

x_offset=（θ- θ1）*（x1_offset_angel-x2_offset_angel）/（θ1-θ2）+x1_offset_angel;

y_offset=（θ-θ1）*（x1_offset_angel-x2_offset_angel）/（θ1-θ2）+x1_offset_angel;

圖3 校準分區

上位機發送校準信號時，設備進入校準模式，對天線方位角和兩個校準點進行校準補償，并將校準值保存在校準文件中。退出校準模式后，進入交易模式，天線設備發送BST，OBU收到BST后回復VST，天線根據VST中的角度矩陣信息計算得到OBU的方位角和俯仰角，軟件自動根據OBU方位角的值初步判斷OBU所在的區域，根相應區域進行角度補償，包括方位角和俯仰角，再計算得到OBU的實際坐標。得到OBU坐標之后，再進行坐標區域限制判斷。例如本道區域限定設為X是（0,2.5），Y是（0,6），將坐標限制在這個區域，在區域范圍內的允許往下交易（獲取OBU信息、卡片信息、消費等），不在區域范圍的不容許往下交易，如圖6流程圖所示，從而解決旁道和跟車干擾[1]。

4 結語

本文給出了基于停車場ETC的定位算法，以及對天線安裝的誤差在軟件上進行校準補償的算法。此算法已經在實際場景中應用，定位精度很有優勢。