一种车载单元OBU入射方向角的计算方法及装置 |
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申请号 | CN201410324090.X | 申请日 | 2014-07-08 | 公开(公告)号 | CN104062628A | 公开(公告)日 | 2014-09-24 |
申请人 | 北京万集科技股份有限公司; | 发明人 | 郑伟伟; 吴雷; 杨胜姚; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种车载单元OBU入射方向 角 的计算方法及装置,涉及智能交通技术领域,所述方法包括以下步骤:S1:获取m个天线所采集到的 微波 信号 ;S2:将n组天线所采集到的微波信号分别进行信号合成处理;S3:根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的 相位 差;S4:根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的 相位差 、所述微波信号的 波长 及每组天线之间的距离计算所述车载单元OBU的入射方向角。本发明先计算出相位差,再根据相位差计算车载单元OBU的入射方向角,计算过程简单,便于计算车载单元OBU的入射方向角,并且对 硬件 设备的 精度 要求并不高,降低了成本。 | ||||||
权利要求 | 1.一种车载单元OBU入射方向角的计算方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种车载单元OBU入射方向角的计算方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及智能交通技术领域,特别涉及一种车载单元OBU入射方向角的计算方法及装置。 背景技术[0002] 随着智能交通系统不断地发展,智能交通系统中的电子不停车收费(ETC)系统也得到了更多的重视。目前,ETC系统面临的最主要的问题包括:1)跟车问题;2)邻道问题;3)车道设备异常。然而对车载单元OBU进行准确定位是解决跟车问题和邻道问题的基本前提。 [0003] 目前,对车载单元OBU进行定位主要采用的是数字信号处理方案:ETC路侧单元RSU对接收到的车载单元OBU信号进行高速连续采样,通过复杂的数字化分析计算来得到车载单元OBU的入射方向角,并结合路侧单元RSU的具体位置信息计算得出车载单元OBU的位置信息。由此方案可知,计算车载单元OBU的入射方向角是对车载单元OBU进行准确定位的关键步骤,但现有技术中计算车载单元OBU的入射方向角的硬件设备精度要求高,导致成本过高,并且其算法难度过大。 发明内容[0004] (一)要解决的技术问题 [0005] 本发明要解决的技术问题是:如何便于计算车载单元OBU的入射方向角,并降低成本。 [0006] (二)技术方案 [0007] 为解决上述技术问题,本发明提供了一种车载单元OBU入射方向角的计算方法,所述方法包括以下步骤: [0008] S1:获取m个天线所采集到的微波信号,所述微波信号由车载单元OBU所发出,两个相邻的天线为1组,所述m为不小于2的整数; [0009] S2:将n组天线所采集到的微波信号分别进行信号合成处理,所述n为大于0且不大于m-1的整数; [0010] S3:检测合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值,根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差; [0012] 其中,步骤S1之前还包括: [0013] S0:所述m个天线分别采集由所述车载单元OBU所发出的微波信号。 [0014] 其中,所述m为2,则n为1; [0015] 步骤S3中,根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0016] [0017] 其中, 为所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2为合成处理后的微波信号幅值,V1为合成处理前的微波信号幅值。 [0018] 其中,所述m为不小于3的整数; [0019] 步骤S3中,根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0020] [0021] 其中, 为所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, 为第j组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理后的微波信号幅值,V1j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理前的微波信号幅值,j=1,…,n。 [0022] 其中,步骤S4中,根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离通过下式计算所述车载单元OBU的入射方向角,[0023] [0024] 其中,α为所述车载单元OBU的入射方向角,λ为所述微波信号的波长,d为每组天线之间的距离。 [0025] 本发明还公开了一种车载单元OBU入射方向角的计算装置,所述装置包括:功分合路器、幅度检测器、A/D采集器和处理器, [0026] 所述功分合路器,用于获取m个天线所采集到的微波信号,并将n组天线所采集到的微波信号分别进行信号合成处理,所述微波信号由车载单元OBU所发出,两个相邻的天线为1组,所述m为不小于2的整数,所述n为大于0且不大于m-1的整数; [0027] 所述幅度检测器,用于检测合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值; [0029] 所述处理器,用于根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差,并根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离计算所述车载单元OBU的入射方向角。 [0030] 其中,所述装置还包括:与所述功分合路器均相连的m个天线; [0031] 所述m个天线分别用于采集由所述车载单元OBU所发出的微波信号。 [0032] 其中,所述m为2,则n为1; [0033] 所述处理器根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0034] [0035] 其中, 为所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2为合成处理后的微波信号幅值,V1为合成处理前的微波信号幅值。 [0036] 其中,所述m为不小于3的整数; [0037] 所述处理器根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0038] [0039] 其中, 为所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, 为第j组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理后的微波信号幅值,V1j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理前的微波信号幅值,j=1,…,n。 [0040] 其中,所述处理器根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离通过下式计算所述车载单元OBU的入射方向角,[0041] [0042] 其中,α为所述车载单元OBU的入射方向角,λ为所述微波信号的波长,d为每组天线之间的距离。 [0043] (三)有益效果 [0044] 本发明先根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值计算相位差,再根据相位差计算车载单元OBU的入射方向角,计算过程简单,便于计算车载单元OBU的入射方向角,并且对硬件设备的精度要求并不高,降低了成本。附图说明 [0045] 图1是本发明一种实施方式的车载单元OBU入射方向角的计算方法的流程图; [0046] 图2是两个天线接收车载单元OBU所发送的微波信号的示意图; [0047] 图3是天线阵列接收车载单元OBU所发送的微波信号的示意图; [0048] 图4是功分合路处理示意图; [0049] 图5是本发明一种实施方式的车载单元OBU入射方向角的计算装置的结构框图。 具体实施方式[0050] 下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。 [0051] 图1是本发明一种实施方式的车载单元OBU入射方向角的计算方法的流程图;参照图1,所述方法包括以下步骤: [0052] S1:获取m个天线所采集到的微波信号,所述微波信号由车载单元OBU所发出,两个相邻的天线为1组,所述m为不小于2的整数; [0053] S2:将n组天线所采集到的微波信号分别进行信号合成处理,所述n为大于0且不大于m-1的整数; [0054] S3:检测合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值,根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差; [0055] S4:根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离计算所述车载单元OBU的入射方向角。 [0056] 为便于实现所述微波信号的采集,优选地,步骤S1之前还包括: [0057] S0:所述m个天线分别采集由所述车载单元OBU所发出的微波信号。 [0058] 实施例1 [0059] 下面以具有2个天线为例来说明本发明,但不限定本发明的保护范围。本实施例中与上述实施方式不同之处在于: [0060] 步骤S3中,根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0061] [0062] 其中, 为所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2为合成处理后的微波信号幅值,V1为合成处理前的微波信号幅值。 [0063] 优选地,步骤S4中,根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离通过下式计算所述车载单元OBU的入射方向角,[0064] [0065] 其中,α为所述车载单元OBU的入射方向角,λ为所述微波信号的波长,d为每组天线之间的距离。 [0066] 上述计算公式的推导过程为:参照图2,天线Am和天线An间距为d,车载单元OBU信号波长为λ,以入射方向角α被两天线Am、An接收。 [0068] 将所述两信号进行信号合成,合成信号为: [0069] [0070] 根据和差化积公式,合成信号为: [0071] [0072] 通过采集所述天线Am接收信号的幅度值V1和所述合成信号的幅度值后,即可以得到所述的相位差 [0073] 结合图2中几何位置关系,AC垂直于CB。由信号波长λ与信号相位差 以及三角函数关系可以建立如下方程式: [0074] [0075] 综上所述,在已知信号波长λ和微波天线的位置关系d的条件下,通过求解所述的相位差 即可以求解出所述OBU入射方向角α。在ETC系统应用中,每组天线之间的距离d相同,且为已知,所述微波信号的波长λ也为已知。 [0076] 实施例2 [0077] 下面以具有m个天线为例来说明本发明,但不限定本发明的保护范围,所述m为不小于3的整数。本实施例中与上述实施方式不同之处在于: [0078] 步骤S3中,根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0079] [0080] 其中, 号之间的相位差, 为第j组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理后的微波信号幅值,V1j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理前的微波信号幅值,j=1,…,n。 [0081] 优选地,步骤S4中,根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离通过下式计算所述车载单元OBU的入射方向角,[0082] [0083] 其中,α为所述车载单元OBU的入射方向角,λ为所述微波信号的波长,d为每组天线之间的距离。 [0084] 上述计算公式的推导过程为:m个天线线性排列在一起,间距d为已知量。车载单元OBU微波信号为y=V1cos(wt),波长为λ,则m个天线接收到的OBU信号可以表示为: [0085] [0086] 在实际应用中,车载单元OBU距离天线的距离远远大于天线之间的间距d,信号可以看作是平行到达天线,参照图3。 [0087] 由于各个天线之间的距离d要远小于车载单元OBU信号到达天线的距离,因此,车载单元OBU信号到达各个天线时的信号幅度可以看作是相等的,即:V1=V2=V3=...=Vm。所以各个天线接收到的车载单元OBU信号表达式为: [0088] [0089] 在实际实施中,为了保留各天线接收到的信号的同时能够充分利用该信号,本实施例提出一种将天线接收到的信号进行先功分后合路的处理方式。 [0090] 将各个天线接收到的信号先进行等功率分配处理,然后再进行信号合成,即可以得到新的信号量B11、B12、B23、…B(m-1)m、Bmm,参照图4。 [0091] 根据上述处理后得到的新的信号量的表达式为: [0092] [0093] 利用和差化积公式进行化简可以得到合成后的信号量表示公式: [0094] [0095] 由上式可知,通过检测新的信号量B11、B12、B23、…B(m-1)m、Bmm的幅度后,即可得到各个相邻天线间的相位差 其中,B11和Bmm即为天线1和m接收到的信号,故而幅值相同,在计算过程中可以只检测两者中的一个的幅度值,或者为了进一步提高精度,可同时检测两者,并将检测出的两个幅度值进行求平均操作。 [0096] 由于信号可以看作是平行到达天线的,则各个相邻天线间的相位差可被视为相同,但为了提高计算车载单元OBU信号的入射方向角的精确度,优选地,为第j组天线所采集到的微波信号之间的相位差, 为第j个天线所采集 到的微波信号的相位, 为第j+1个天线所采集到的微波信号的相位。 [0097] 在得到相位差 之后,即可利用 求出车载单元OBU信号的入射方向角。 [0098] 本实施例中,在求解相位差的过程中,各个信号量的幅度值的检测技术起到至关重要的作用。本实施例中可以利用采集信号强度的方式进行各个信号量幅度值的检测。 [0099] 图5是本发明一种实施方式的车载单元OBU入射方向角的计算装置的结构框图;参照图5,所述装置包括:功分合路器201、幅度检测器202、A/D采集器203和处理器204,[0100] 所述功分合路器204,用于获取m个天线所采集到的微波信号,并将n组天线所采集到的微波信号分别进行信号合成处理,所述微波信号由车载单元OBU所发出,两个相邻的天线为1组,所述m为不小于2的整数,所述n为大于0且不大于m-1的整数; [0101] 所述幅度检测器202,用于检测合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值; [0102] 所述A/D采集器203,用于采集合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值,并将采集到的模拟信号转换为数字信号; [0103] 所述处理器204,用于根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差,并根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离计算所述车载单元OBU的入射方向角。 [0104] 优选地,所述装置还包括:与所述功分合路器201均相连的m个天线100; [0105] 所述m个天线100分别用于采集由所述车载单元OBU所发出的微波信号。 [0106] 本实施方式中,所述装置还包括: [0107] 时钟分配器205,用于产生同步的采样时钟以使多个A/D采集器同步进行数据转换; [0108] ROM存储器206,用于保存RSU(Road Side Unit,路侧单元)定位装置的上电信息和参数,以使RSU定位装置初始化; [0109] RAM存储器207,用于保存临时数据和运行程序; [0112] 优选地,所述m为2,则n为1; [0113] 所述处理器根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0114] [0115] 其中, 为所述1组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2为合成处理后的微波信号幅值,V1为合成处理前的微波信号幅值。 [0116] 优选地,所述m为不小于3的整数; [0117] 所述处理器根据合成处理前的微波信号幅值和合成处理后的微波信号幅值通过下式计算所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, [0118] [0119] 其中, 为所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差, 为第j组天线所采集到的微波信号之间的相位差,V2j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理后的微波信号幅值,V1j为第j组天线所采集到的微波信号合成处理前的微波信号幅值,j=1,…,n。 [0120] 优选地,所述处理器根据所述n组天线所采集到的微波信号之间的相位差、所述微波信号的波长及每组天线之间的距离通过下式计算所述车载单元OBU的入射方向角,[0121] [0122] 其中,α为所述车载单元OBU的入射方向角,λ为所述微波信号的波长,d为每组天线之间的距离。 |