一种用于V2X设备的室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，尤其是涉及一种用于V2X设备的室内定位系统及方法。

背景技术

目前，C-V2X在技术上已具备了大规模商用的能力。为促进C-V2X的商用部署，仍需车辆、交通、通信等行业以及行业组织和政府进行跨部门协同规划，共同对车载终端的搭载率、路侧设施的部署、管理平台的搭建以及标准和测试验证等方面做出整体规划。C-V2X产业化是一个浩大的工程，若缺少整体规划，任一环节的缺失可能都将无法实现产业化目标。

OBU是构成车联网的关键节点，承载着实现V2V、V2I、V2P以及V2N之间信息交互的任务，参与了车联网体系中的大部分信息交互行为，将是未来单车IP的承载主体。一款OBU设备主要包括通信芯片、通信模组、定位模块、安全芯片、V2X协议栈以及V2X应用软件几部分。作为C-V2X体系中最活跃的部分，车载终端产业参与者众多，产业架构也逐渐清晰。

RSU主要通过路侧感知单元(如高清摄像头、微波雷达等)对道路交通信息进行感知，并将相关信息对覆盖范围内的车载终端进行广播，结合多接入边缘计算技术(MEC)还能实现对区域内的交互数据进行存储、处理、资源调度以及应用服务计算。除此之外，结合电子交管设施(如交通信号灯、公路监视系统、公路情报板等)还能实现基于交通信号以及交通流量数据的应用场景。路侧单元(RSU)结合感知单元、计算决策单元以及电子交管设施，共同构成了C-V2X道路子系统(I)，实现与车辆子系统(V)、中心子系统(N)以及个人子系统(P)的信息交互。从RSU产业架构的角度看，同样包括了通信芯片、通信模组、定位模块、安全芯片、V2X协议栈、V2X应用软件几部分。

一方面，OBU、RSU设备需要定位模块中的GNSS系统提供授时信号，从而保证设备的正常工作；另一方面，很多V2X场景实现依赖于高精度的定位。通过C-V2X技术解决基础安全应用最关键的一个点就是要获得对当前车辆状态的感知，包括位置、速度等，如此才能供应用层基于车和车之间的相对位置、速度、驾驶意图等信息做出安全性的预警，因此在C-V2X中，定位问题是一定要解决的。高精度定位对于C-V2X的重要意义不亚于GNSS授时信号本身。

但是目前在室内或GPS信号受遮挡的区域，如停车场、高楼街区、隧道中，GPS信号大幅衰弱，致使V2X设备无法正常工作。此外，虽然室内提供了如UWB、WiFi、蓝牙，以及摄像头、激光雷达等传感器定位方案，但是这些定位结果数据无法直接被V2X设备所使用，进而无法支持上层V2X场景的实现，如室内碰撞预警。如何针对室内外场景，构建连续的定位方法，实现室内V2X应用场景的开展，特别是依赖于高精度定位的室内碰撞预警实现，目前还没有相关研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种用于V2X设备的室内定位系统及方法，解决了V2X设备因室内GPS信号衰减而无法工作的问题，使得V2X功能可以从室外扩展到室内或者因高楼、隧道而遮挡的区域，保证了V2X场景实现的连续性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于V2X设备的室内定位系统，用于为V2X设备提供统一连续的GPS信号，该室内定位系统包括：

GPS信号增强子系统，用于将室外GPS信号增强后引入室内，包括依次连接的室外GPS接收天线、GPS信号放大器和室内GPS发射天线；

超宽带UWB定位子系统，用于依据室内GPS发射天线发射的增强后GPS信号进行室内定位，包括安装部署在室内外交汇处的超宽带UWB定位基站、以及用于输出自身所在位置相对于所述定位基站平面坐标的超宽带UWB定位标签；其中，超宽带UWB定位标签部署在V2X设备上。

优选地，所述GPS信号增强子系统中的室外GPS接收天线、GPS信号放大器和室内GPS发射天线为集成设置。

优选地，所述超宽带UWB定位子系统中的超宽带UWB定位基站和超宽带UWB定位标签为集成设置。

优选地，所述室外GPS接收天线与GPS信号放大器之间、GPS信号放大器与室内GPS发射天线之间为有线连接。

优选地，所述GPS信号增强子系统中还集成有馈电放大器，所述馈电放大器安装在室外GPS接收天线与GPS信号放大器之间的线路上、或GPS信号放大器和室内GPS发射天线之间的线路上。

优选地，所述安装在室外GPS接收天线与GPS信号放大器之间的馈电放大器为无源馈电放大器，GPS信号放大器和室内GPS发射天线之间的馈电放大器为有源馈电放大器。

优选地，所述馈电放大器的数量依据线路长度适应设置。

优选地，所述GPS信号增强子系统中包括一个或多个室内GPS发射天线。

优选地，所述超宽带UWB定位子系统中包括一个或多个超宽带UWB定位基站，一个或多个定位标签。

根据本发明的第二方面，一种用于V2X设备的室内定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、部署所述的室内定位系统；

步骤S2、对超宽带UWB定位基站进行标定，得到超宽带UWB定位基站的GPS坐标；

步骤S3、采用墨卡尔UTM投影转换方法将超宽带UWB定位基站的GPS坐标转换成与WGS84坐标相对应的墨卡尔UTM平面坐标；

步骤S4、部署有定位标签的室内V2X设备进行室内定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明针对室内场景或者GPS信号被遮挡的场景，如高楼街区、隧道，采用GPS信号增强系统将室外GPS信号增强后引入室内，为V2X设备提供正常工作所必需的稳定的GNSS信号；

2)采用UWB定位系统，可以有效提高室内定位的精度，满足部分V2X场景对高精度定位的需要，如室内碰撞预警；

3)利用UTM转换方法将其转换成跟WGS84坐标相对应的UTM平面坐标，实现GPS坐标和UWB系统坐标的统一，保证依赖于高精度定位的V2X场景的开展。

附图说明

图1为根据本发明的用于V2X的室内定位系统及实现方法的架构图；

图2为根据本发明的用于V2X的室内定位系统及实现方法的GPS信号增强框图；

图3为根据本发明的用于V2X的室内定位系统及实现方法的GPS信号增强系统的部署示意图；

图4为根据本发明的用于V2X的室内定位系统及实现方法的UWB定位基站的部署示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例给出了一种用于V2X设备的室内定位系统，用于为V2X设备提供统一连续的GPS信号，该室内定位系统包括：

GPS信号增强子系统，用于将室外GPS信号增强后引入室内，为V2X设备提供正常工作所必需的GNSS信号，包括依次连接的室外GPS接收天线、GPS信号放大器和室内GPS发射天线；

超宽带UWB定位子系统，用于依据室内GPS发射天线发射的增强后GPS信号进行室内定位，向移动端提供高精度定位功能，以满足C-V2X中需要高精度定位的相关场景，包括安装部署在室内外交汇处的超宽带UWB定位基站、以及用于输出自身所在位置相对于所述定位基站平面坐标的定位标签；其中，定位标签部署在V2X设备上。

GPS信号增强子系统中的室外GPS接收天线、GPS信号放大器和室内GPS发射天线为集成设置；所述超宽带UWB定位子系统中的超宽带UWB定位基站和定位标签为集成设置。

室外GPS接收天线与GPS信号放大器之间、GPS信号放大器与室内GPS发射天线之间采用同轴电缆有线连接。

GPS信号增强子系统中还集成有馈电放大器，安装在室外GPS接收天线与GPS信号放大器之间的线路上、或GPS信号放大器和室内GPS发射天线之间的线路上。

馈电放大器的数量依据线路长度适应设置。作为一种优选的技术方案，在室内GPS发射天线和GPS信号放大器之间，连接的同轴电缆每隔10-15m增加一个馈电放大器，该馈电放大器为无源馈电放大器，无需供电；在室外GPS接收天线与GPS信号放大器之间，连接的同轴电缆每隔25m增加一个馈电放大器，该馈电放大器为有源馈电放大器，需要供电。

GPS信号增强子系统中包括一个或多个室内GPS发射天线。超宽带UWB定位子系统中包括一个或多个超宽带UWB定位基站，一个或多个超宽带UWB定位标签。

另一方面，本发明给出了一种用于V2X设备的室内定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、部署上述的室内定位系统，具体为：

GPS信号子增强系统在空旷的地方安装部署室外GPS接收天线，引入GPS信号，通过同轴电缆传给GPS信号放大器放大，然后传输到室内GPS发射天线，由其进行发射，保证依赖于GPS信号的V2X设备在室内能正常工作；超宽带UWB定位子系统是在室内和室内外交汇处安装部署超宽带UWB定位基站，在移动端(标签处)输出的是相对于定位基站的平面坐标。

其中，超宽带UWB定位基站布置的拓扑结构，对定位效果有决定性的影响；需要根据实际室内环境，进行专门的设计，比如120m

步骤S2、对超宽带UWB定位基站进行标定，得到超宽带UWB定位基站的GPS坐标，具体为：采用高精度的定位装置，如结合全站仪和RTK设备进行测绘标定，得到UWB的GPS坐标。

步骤S3、采用墨卡尔UTM投影转换方法将超宽带UWB定位基站的GPS坐标转换成与WGS84坐标相对应的墨卡尔UTM平面坐标；

对于墨卡尔UTM投影，可以将主流的坐标转换方法和全站仪的测试结果进行比较，评估转换方法的性能，比如高斯投影、墨卡托投影、墨卡尔UTM投影，可从中选择一种性能最好的方法进行坐标转换。

步骤S4、部署有定位标签的室内V2X设备进行室内定位。

实施例2

本实施例实验场地是一小型矩形地下车库，长约为70米，宽约为50米，停车场通过斜坡匝道与地面道路连接。停车场内无法接收到有效的GNSS信号，停车场周围部分地面道路存在高楼与树木遮挡。

本实施例主要设备包括一个GPS室外接收天线，两个GPS室内发射天线，五个馈电放大器(室外两个，地下车库内三个)，一个GPS信号放大器，四个UWB定位基站以及若干UWB定位标签和同轴电缆信号线。

GPS信号增强系统具体实施方式如下：

由于停车场上方存在高楼和树木遮挡，因此在地下车库出口左侧空旷无遮挡区域设立GPS室外接收天线，用于接收质量优良的GPS信号。

通过同轴电缆信号线与馈电放大器将GPS信号从地面上引至地下车库内的GPS信号放大器正上方。由于GPS室外接收天线与GPS信号放大器水平距离约为35m，因此地面有线传输过程中设立了两个馈电放大器，用于增强同轴电缆上的信号，保证GPS信号传输至GPS信号放大器的过程中的衰减与损耗在可接受范围内，不会影响信号的质量。

通过地面打孔的方式将地面传输GPS信号的同轴电缆连接到地下车库的GPS信号放大器上，信号经放大器放大增强后，输出至室内有线链路中，经地下车库部署的同轴电缆传输至两个GPS室内发射天线。GPS室内发射天线相距约30m，因此需在室内信号传输链路上设立三个馈电放大器，保证发射天线接收到的信号质量。

GPS信号经GPS室内发射天线发射，覆盖整个地下车库，保证地下车库所有区域均有GPS信号的有效覆盖。

车载V2X设备接收到GPS信号，可以正常进行授时，同步时钟，定位，测速等相关工作。

UWB定位系统具体实施方式如下：

如附图所示，将地下车库近似看成矩形结构，在矩形区域的4个角点各部署一个定位基站，这种部署方式可以使得覆盖范围较大，测距误差较小。UWB通信技术可以在室内精确测量出基站与标签的距离。视距情况下，测距精度在0.1m以内。非视距情况下，由于障碍物的影响，会使电磁波传播距离大于真实距离，此时测距误差会变大，而且是正向的，即测量值一定大于真实值，绝对误差水平在0.3m左右。

利用全站仪和RTK高精度定位设备，对UWB定位基站进行测绘标定，获取UWB定位基站的GPS坐标。

利用墨卡尔UTM投影转换方法，将UWB定位基站的GPS坐标转换成相对应的墨卡尔UTM平面坐标。

在移动端部署定位标签，获取移动端(定位标签)相对于基站的位置，标签相对位置基于四个基站的墨卡尔UTM坐标通过计算可以得到墨卡尔UTM坐标系内的坐标，随后通过UWB系统将标签的墨卡尔UTM坐标发送给V2X车辆。

V2X车辆获取到自身的墨卡尔UTM坐标后，可以直接利用墨卡尔UTM转换方法得到自车的高精度GPS坐标，保证依赖于高精度定位的V2X场景的正常应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。