基于停车场ETC天线设备的定位算法实现

2018-08-01 08:06袁婷
现代计算机 2018年19期
关键词:理论值方位角坐标系

袁婷

(深圳市金溢科技股份有限公司,广州 510665)

0 引言

在高速公路ETC定位系统[2]中,天线安装高度在5米左右,天线的安装方式是吊装,安装角度只有俯仰角。相比于高速ETC定位,停车场的天线设备安装比较低,安装方式大多采用侧装,天线安装角度参数不仅有俯仰角还有方位角,尤其方位角安装精度不容易控制。为了对安装天线角度不精确的误差进行纠正,提出一种在软件上校准天线安装水平角(本文称为方位角)角度的方法。

1 OBU坐标定位算法实现

按照天线的辐射方向建立坐标系x_ant、y_ant,由新一代相控阵天线得到关于坐标系x_ant、y_ant的OBU俯仰角和方位角,设定在坐标系x_ant、y_ant的第一象限,方位角为正值,第二象限的方位角为负值。由坐标计算算法得到坐标系x_ant、y_ant下面的OBU坐标,通过向量点积的运算,转换到坐标系X、Y平面的OBU 坐标。设(x0,y0)为在坐标系 x_ant、y_ant下面的OBU坐标(即设定天线是吊装情况下的OBU坐标)。

坐标系X、Y平面的OBU坐标,有:

其中θ0是天线安装的方位角,φ0是天线安装的俯仰角,(Ux,Uy)是校准点一在平面坐标系的坐标,h是OBU相对地面的高度,H是天线安装的高度。

2 校准点算法

校准算法通过在车道设立校准点,对天线安装角度不精确导致的定位误差进行软件上纠正。本文设立两个校准点,按照车道布局建立坐标系X、Y、Z,如图1所示,得到两个校准点在车道X、Y、Z平面的位置U(Ux,Uy,Uz)、W(Wx,Wy,Wz)。以天线投射点和天线支架所在平面为天线投射平面S,从天线设备到投射点的连线为天线投射线L0,从天线设备到校准点的连线为L1。从校准点做与投射平面正交的平面S1,S与S1的交线L01与L0的夹角为此校准点的俯仰角φ,L1与L01的夹角为校准点的方位角θ。

由校准点的坐标,天线的安装方位角、俯仰角、高度和OBU的高度,计算校准点方位角和俯仰角的理论值。以校准点一为例计算:

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

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

图1

2.1 校准两个点

(1)设校准点一的坐标为(x1,y1),由上述公式可得校准点一的方位角θ1和俯仰角φ1的理论值。

(2)将OBU置于第一个校准点的位置,由相控阵天线获取OBU第一帧回复信号(VST),根据VST中的定位信息,通过一定计算可得:

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

(3)校准点一方位角补偿中间值:方位角理论值-测量值(x1_offset_angel=-(x1_meas_angel-θ1))。

校准点一俯仰角补偿值:俯仰角理论值-测量值(y1_offset_angel=-(y11_meas_angel-φ1))。

(4)同理,可得校准点二的方位角θ2和俯仰角φ2的理论值。

方位角补偿中间值:X2_offset_angel=-(x2_meas_angel-θ2)。

同时,试验数据的线性相关性用线性相关系数R大小来判断,该值在-1~1范围内。当|R|越接近1线性质量越好。线性相关系数R的计算公式为:

x2_meas_angel和y2_meas_angel分别是校准点二的方位角和俯仰角50次测量值的平均值。

2.2 天线角度软件补偿

两个点均校准完毕,软件自动计算得到天线方位角的校准值,对天线配置的安装角度与实际的安装角度之间的偏差进行纠正,计算公式如下:

天线方位角补偿值:校准点一和校准点二的方位角补偿中间值的平均值(angle_θ0_offset=(X1_off⁃set_angel+X2_offset_angel)/2)。

补偿后的天线方位角:天线方位角初始值+天线方位角补偿值(angle_θ0=θ0+angle_θ0_offset)。

俯仰角补偿值:Y2_offset_angel=-(y2_meas_an⁃gel-φ2)。

2.3 校准点角度补偿

在对天线方位角进行校准补偿之后,再对校准点一和校准点二的方位角进行补偿,使其在天线方位角已经校准的基础上,对OBU所在位置的测量方位角再次进行补偿,使在交易过程中,测量得到的OBU方位角经过补偿后,更接近于实际OBU所在坐标的方位角,从而使计算的坐标更接近实际坐标。具体补偿方式如下:

校准点一的方位角补偿值:校准点一的方位角理论值-(校准点一的方位角测量值+天线方位角补偿值)(X1_offset_angel=θ1-(x1_meas_angel+angle_θ0_offset))。

校准点二的方位角补偿值:校准点二的方位角理论值-(校准点二的方位角测量值+天线方位角补偿值)(x2_offset_angel=θ1-(x2_meas_angel+angle_θ0_offset))。

图2 校准流程

3 交易过程校准补偿

对天线方位角和校准点校准补偿之后,根据这两个校准点将车道划分为3个区域,区域按照方位角划分,OBU的测量方位角大于校准点一的方位角的区域(θ>θ1)属于1区,小于校准点一的方位角且大于校准点二的方位角的区域(θ2<θ<θ1)属于2区,小于校准点二的方位角的区域(θ<θ2)属于3区,如图3所示。1区补偿的方位角和俯仰角是(x1_offset_angel,y1_offset_an⁃gel),3区补偿的方位角和俯仰角是(x2_offset_angel,y2_offset_angel),2区的补偿是在1区和3区之间,根据OBU的方位角变化进行线性补偿,补偿值为(x_offset,y_offset),计算公式如下:

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;

图3 校准分区

上位机发送校准信号时,设备进入校准模式,对天线方位角和两个校准点进行校准补偿,并将校准值保存在校准文件中。退出校准模式后,进入交易模式,天线设备发送BST,OBU收到BST后回复VST,天线根据VST中的角度矩阵信息计算得到OBU的方位角和俯仰角,软件自动根据OBU方位角的值初步判断OBU所在的区域,根相应区域进行角度补偿,包括方位角和俯仰角,再计算得到OBU的实际坐标。得到OBU坐标之后,再进行坐标区域限制判断。例如本道区域限定设为X是(0,2.5),Y是(0,6),将坐标限制在这个区域,在区域范围内的允许往下交易(获取OBU信息、卡片信息、消费等),不在区域范围的不容许往下交易,如图6流程图所示,从而解决旁道和跟车干扰[1]。

4 结语

本文给出了基于停车场ETC的定位算法,以及对天线安装的误差在软件上进行校准补偿的算法。此算法已经在实际场景中应用,定位精度很有优势。

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