基于車聯(lián)網(wǎng)的定位技術(shù)研究及展望

馬佳榮，李蘭鳳，張志恒

（1.西安文理學(xué)院，陜西 西安 710065；2.空軍工程大學(xué)，陜西 西安 710043）

0 引 言

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的持續(xù)發(fā)展為提高道路交通運(yùn)行效率及管理水平、保證道路交通安全提供了新的方向。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅能夠協(xié)調(diào)緩解城市交通擁堵問題，還可通過向車輛提供當(dāng)前道路整體交通狀態(tài)信息，幫助車輛選擇最優(yōu)路徑，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

上述目標(biāo)實現(xiàn)的前提是定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是對于交通安全事故而言，高精度的定位技術(shù)還能提醒車輛避免碰撞，保證駕駛員和乘員的生命財產(chǎn)安全。考慮到車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，車輛節(jié)點移動速度較高、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差且受限于無線信號的固有缺陷（多普勒效應(yīng)和信號衰減），有必要對車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的定位技術(shù)展開研究。

目前，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中使用的定位技術(shù)種類多樣，不同技術(shù)間存在明顯的特性區(qū)別。考慮到不同的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，本文首先對車聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的整體狀態(tài)進(jìn)行了簡要的介紹，然后針對主流的車聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，最后對車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下總的定位技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 車聯(lián)網(wǎng)定位場景

定位技術(shù)可根據(jù)應(yīng)用場景劃分為軍用定位和民用定位兩種。對軍用定位技術(shù)而言，主要負(fù)責(zé)的是目標(biāo)位置識別及追蹤、協(xié)助搜救以及協(xié)助飛行器在極惡劣天氣下的著陸和發(fā)射等；民用定位技術(shù)主要應(yīng)用在車輛軌跡跟蹤、旅游業(yè)、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的定位技術(shù)屬于民用定位，與上述領(lǐng)域相比，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要利用定位技術(shù)提供更高精度、更低延時的位置參數(shù)。

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中車輛節(jié)點對實時位置的定位可借助多種技術(shù)完成。一般來說，最常用到的定位技術(shù)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)；其次，隨著蜂窩網(wǎng)的廣泛架設(shè)，借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)[2]完成直通鏈路定位[3]也是當(dāng)前的研究熱點。此外，通過與路側(cè)設(shè)備建立數(shù)據(jù)交互連接，車輛節(jié)點還可借助路側(cè)設(shè)備完成對自身的定位。最后，考慮到車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中車輛節(jié)點間的數(shù)據(jù)共享，針對位置精度需求較低的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，使用鄰居車輛節(jié)點位置對當(dāng)前車輛節(jié)點位置進(jìn)行估計和替換也是可行的方法。車聯(lián)網(wǎng)定位場景如圖1所示。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)定位場景

2 車聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)

本章主要對當(dāng)前主流的幾種車聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)進(jìn)行介紹和梳理。

2.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[4]（GNSS）是一種能在地球表面或近地空間的任意位置，向用戶提供全天候的位置坐標(biāo)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

最早由美國提出并構(gòu)建的GPS系統(tǒng)[5]前期主要用于完成軍事行動的輔助定位工作。1978年至1993年間，美國相繼發(fā)射了31顆NAVSTAR衛(wèi)星、15顆GPS衛(wèi)星，在此基礎(chǔ)上組建了初步的定位衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并承諾始終保持至少24顆GPS衛(wèi)星處于為用戶提供服務(wù)的狀態(tài)。GPS的工作原理是，分別測量已知位置的衛(wèi)星到目標(biāo)對象之間的距離，然后綜合計算多個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)而獲取目標(biāo)對象的緯度、經(jīng)度和海拔高度數(shù)據(jù)。全球定位系統(tǒng)的主體包括21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星，運(yùn)行軌道高度約為2×104km，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55°，各個軌道平面之間相距60°。對目標(biāo)對象位置進(jìn)行定位時，可保證目標(biāo)對象至少被四顆衛(wèi)星同時檢測。特別地，針對GPS定位精度和可靠度，日本進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并研制了QuasiZenith衛(wèi)星系統(tǒng)，以三顆人造衛(wèi)星通過時間轉(zhuǎn)移完成全球定位系統(tǒng)區(qū)域性功能的衛(wèi)星擴(kuò)增。

GLONASS是繼GPS之后的第二個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，最早由原蘇聯(lián)國防部研制。在技術(shù)層面，GLONASS相比GPS具備更好的抗干擾能力，但其定位精度相比GPS較低。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則是由中國自主研發(fā)、可獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布廣域差分定位解算數(shù)據(jù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可完成高精度的定位[6]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供精確的位置信息，使用方便，安裝簡單。然而，其定位精度易受天氣條件影響；在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，高速移動的車輛節(jié)點對位置信息的實時性也提出了更高的要求。

2.2 蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)

蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)的應(yīng)用范圍與其覆蓋區(qū)域的大小相關(guān)，最主要的應(yīng)用場景是城市。同時，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中利用蜂窩網(wǎng)進(jìn)行定位須考慮多普勒效應(yīng)和目標(biāo)節(jié)點位置的動態(tài)變化。移動蜂窩定位系統(tǒng)的組建依賴大量蜂窩基站連續(xù)、分布式的部署，相鄰小區(qū)間使用不同的通信頻率，以避免干擾并保證每個小區(qū)都可獲得穩(wěn)定的通信質(zhì)量。同時，蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，支持多種接入設(shè)備（如路由、智能手機(jī)、便攜式電腦等）的同時連接和數(shù)據(jù)交換。在蜂窩網(wǎng)中，基站可用于對接入設(shè)備的定位。借助蜂窩網(wǎng)對設(shè)備進(jìn)行定位的優(yōu)勢是：多個不同接入設(shè)備可同時復(fù)用單一傳輸單元完成定位；同時，使用移動設(shè)備進(jìn)行定位顯然在成本控制方面優(yōu)于衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

2.3 圖像/視頻定位技術(shù)

使用圖像或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行定位的技術(shù)不僅能夠獲取車輛節(jié)點位置信息，還可獲取車輛節(jié)點的物理環(huán)境數(shù)據(jù)，如車道寬度、道路等級、車輛行駛方向等。然而，該技術(shù)在使用過程中易產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。考慮到車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，該技術(shù)同時還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的傳輸和處理速度，以避免因延遲造成的定位精度下降[7]。

2.4 RSU定位技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的路側(cè)設(shè)備是指布設(shè)在道路兩旁的基礎(chǔ)設(shè)施，主要為車輛節(jié)點提供網(wǎng)絡(luò)接入并完成數(shù)據(jù)的上傳和分發(fā)。利用RSU技術(shù)[8]進(jìn)行定位時，支持獨立定位、協(xié)同定位和非協(xié)同定位等多種方式。考慮到車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁、車輛節(jié)點移動易導(dǎo)致延遲，RSU作為固定的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備能夠極大地保證網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。同時，大量的RSU作為補(bǔ)充的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，可深化提升車聯(lián)網(wǎng)的通信覆蓋范圍，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)車輛節(jié)點的通信服務(wù)質(zhì)量。考慮到RSU的安裝和維護(hù)成本，設(shè)置合理的RSU數(shù)量并保證通信質(zhì)量也是部署車聯(lián)網(wǎng)通信體系中的重要一環(huán)。

RSU設(shè)備不僅能夠向車輛節(jié)點發(fā)送位置信息，還可提供道路交通和實時天氣信息。此外，借助專用短程通信技術(shù)，RSU還可及時提供避免碰撞提醒。由于GPS信號更易受損或被阻擋，RSU可極大地保證擁堵路段中的車間通信并提供準(zhǔn)確的位置信息。對定位技術(shù)而言，其核心是獲取車輛準(zhǔn)確、可靠的位置數(shù)據(jù)。然而，虛假位置信息會極大地影響基于定位信息的應(yīng)用的安全性。

2.5 數(shù)據(jù)匹配定位技術(shù)

數(shù)據(jù)匹配[9]定位技術(shù)主要使用有序的位置信息對目標(biāo)對象的位置進(jìn)行推演，地圖匹配和航跡推算均可歸于此類。其中，地圖匹配首先利用GPS對目標(biāo)對象的地理坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)估，然后將坐標(biāo)數(shù)據(jù)與真實地圖進(jìn)行匹配。考慮到預(yù)估的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)點是以列表形式對用戶或車輛的移動軌跡進(jìn)行記錄，因此，地圖匹配需要構(gòu)建獨立的邏輯模型以描述目標(biāo)對象。一般來說，地圖匹配算法可分為實時匹配和離線匹配兩種，實時匹配使用最新的GPS信息與地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，離線匹配則使用記錄的有序數(shù)據(jù)列表進(jìn)行匹配。地圖匹配根據(jù)一定的采樣周期讀取位置信息，能夠擬合出目標(biāo)對象的近似路徑。目前，隨著高精度數(shù)字地圖的普及，擬合的路徑可與導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置進(jìn)行匹配，進(jìn)而能夠幫助傳感器更精準(zhǔn)地實現(xiàn)校準(zhǔn)。與此同時，在協(xié)同地圖匹配算法中，借助車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)獲取車輛節(jié)點的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的地圖匹配。

航跡推算描述了車輛節(jié)點借助有效期內(nèi)的已知位置信息估計當(dāng)前位置的過程。這一方法常使用三角函數(shù)進(jìn)行推算。目標(biāo)對象的位置信息記為（x, y），系統(tǒng)原點為（0, 0），則利用航跡推算i時刻目標(biāo)節(jié)點位置的計算公式為：

其中：（x0, y0）是車輛節(jié)點時刻的初始位置；di為上一時刻位置與當(dāng)前時刻的最短路徑；θi是在上一時刻位置處變化的方向角。可以看到，借助位置、移動方向、速度、距離、時間和風(fēng)向等信息，航跡推算能夠完成對節(jié)點覆蓋范圍之外的目標(biāo)對象的定位。典型的一種航跡推算算法是：基于車輛最新的位置信息、當(dāng)前的行駛速度和方向，能夠推算出GPS未覆蓋區(qū)域內(nèi)的車輛位置。航跡推算的缺點則主要體現(xiàn)在定位準(zhǔn)確度上，這主要是因為存在一定的延時。

2.6 RSSI定位技術(shù)

RSSI定位技術(shù)[10]借助高精度信號功率檢測設(shè)備對接收到的信號質(zhì)量進(jìn)行測試，通過引入損耗信號傳播模型，對接收的無線電信號功率進(jìn)行計算，可對目標(biāo)節(jié)點與檢測設(shè)備間的距離進(jìn)行測算，進(jìn)一步獲取目標(biāo)節(jié)點的位置信息。考慮到無線電信號慢衰落、多徑衰落和傳播過程中的信道損耗等固有缺陷，加之無線信道干擾、噪音等影響因素，RSSI定位技術(shù)中的損耗模型計算方法可表述為：

其中：PL（d0）是單位距離內(nèi)無線信號傳播模型中的路徑損耗；X是服從高斯分布的隨機(jī)數(shù)；d是接收器和發(fā)射器間的距離；n是環(huán)境因子。在上述條件下，RSSI值的計算方法為：

其中：Pγ是無線信號功率；Gγ是傳輸天線增益。

RSSI定位技術(shù)中信號檢測功率是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的，范圍是0～255。一般而言，只要目標(biāo)接近RSU或接入點，信號傳輸功率就會轉(zhuǎn)換為RSSI值。RSSI定位的工作原理如圖2所示。

圖2 RSSI工作原理

2.7 TDOA定位技術(shù)

TDOA定位技術(shù)是通過計算接收節(jié)點和錨節(jié)點間的時間差值獲取接收節(jié)點和傳輸節(jié)點間的距離。無線電信號首先由目標(biāo)節(jié)點發(fā)出，然后由至少3臺位于不同位置的接收節(jié)點天線在不同時間捕獲信號，借助對到達(dá)信號的時間差值的計算，目標(biāo)節(jié)點的位置信息即可確定。

相比TDOA，TOA使用的是傳輸節(jié)點到接收節(jié)點間信號的絕對到達(dá)時間，因此TOA亦被稱為飛行時間技術(shù)（TOF）。接收節(jié)點和傳輸節(jié)點間的距離利用無線信號的頻率和速度進(jìn)行測算，顯然目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點需要保證同步。考慮到誤差的存在不可避免，實際應(yīng)用中的常見做法是為錨節(jié)點引入一個公共定時鐘源，錨節(jié)點與定時鐘源間的距離可直接通過計算到達(dá)時間和速度獲得。

3 結(jié) 語

定位技術(shù)的選擇是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用準(zhǔn)確執(zhí)行的前提。從覆蓋范圍來看，GNSS能夠滿足大部分應(yīng)用場景的需求。在GNSS不可用的場景中，蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)、RSSI定位技術(shù)、視頻定位技術(shù)能有針對性地對定位需求進(jìn)行補(bǔ)充。目前，我國正在開展的C-V2X直通鏈路定位即融合GNSS和蜂窩網(wǎng)的定位技術(shù)，預(yù)計未來可達(dá)到全天候、全場景的定位目標(biāo)。