一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法

摘要

本发明涉及智能交通领域，尤其涉及一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，包括：基于V2V网络的定位信息测量与交换；基于伪距的增强相对定位方法；基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法；基于相对距离的车辆防碰撞判断机制；通过车辆V2V网络传输邻近车辆之间的信息，基于伪距或卡尔曼滤波计算车辆之间的相对距离，当相对距离小于安全阈值时候触发车辆的报警机制。本发明的有益效果在于：针对城市道路中的多径传输现象，建立协同相对定位模型根据相关性剔除空间相关性低的卫星信号，并在GPS信号中断时使用卡尔曼滤波的方法预测车辆位置。通过协同相对定位方法，可以降低城市道路中交通事故的发生概率，提高预测准确率。

权利要求

1.一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，定位车辆上安装有GPS发送/接收机，若干个在轨卫星直接或间接定位车辆，其特征在于包括以下步骤：

1)分析相对定位的第一车辆、第二车辆接收到的卫星信息，确定第一车辆、第二车辆的共用在轨卫星，建立协同相对定位系统模型；

2)第一车辆与第二车辆建立V2V网络，通过共用在轨卫星传输数据包，数据包信息包括：车辆识别ID、车辆目的地绝对定位坐标、车辆三维速度、共用卫星信噪比和共用卫星伪距；

3)GPS信号稳定时采用基于伪距的增强相对定位方法计算第一车辆、第二车辆之间相对距离；

4)GPS信号中断时采用基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法预测第一车辆、第二车辆之间相对距离；

5)根据步骤3)或步骤4)得到的相对距离进行基于相对距离的车辆防碰撞判断，若相对距离小于或等于安全距离时，触发车载报警器并触发车辆紧急制动机制。

2.根据权利要求1所述的一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，其特征在于，基于伪距的增强相对定位方法包括以下步骤：(11)根据公式(1)计算定位车辆v与共用在轨卫星s之间的伪距：伪距进行二次差分：

其中， 表示电离层带来的传输时延， 表示对流层带来的传输时延，s表示光速，(s)Δtv表示定位车辆时钟误差，Δt 表示卫星时钟误差， 表示热噪声和多径干涉的影响，表示实际距离，a表示第一车辆，b表示第二车辆，k、j表示所有共用在轨卫星；

(12)计算 的值并与预设阈值进行比较，当计算值小于预设阈值时，则判定相应共用在轨卫星与定位车辆有关联性，保留关联性高的共用在轨卫星。

3.根据权利要求2所述的一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，其特征在于，定位车辆a、b收到共用在轨卫星j的直接传输信号，即 则伪距二次差分结果为

4.根据权利要求1所述的一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，其特征在于，基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法包括以下步骤：(21)确定状态向量、误差协方差矩阵的初值；

(22)预测下一时刻的状态向量、误差协方差矩阵值：(23)状态更新，下一时刻到来，使用接收到的定位信息预测伪距 并求得观测矩阵；

(24)使用误差协方差矩阵，结合观测矩阵计算滤波器的增益矩阵；

(25)计算车辆与共用卫星的真实距离 的观测值和预测值；

(26)计算状态向量和误差协方差矩阵的估计值。

5.根据权利要求1所述的一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，其特征在于，所述基于相对距离的车辆防碰撞判断包括：其中，|va|表示车辆a的三维速度在方向向量上的映射，|vb|表示车辆b的三维速度在方向向量上的映射，sa表示车辆a的加速度，Sb表示车辆b的加速度，t表示驾驶员的突发交通事故反应和处理的平均经验时间；

当车辆a和车辆b同向而行即两车辆行驶方向向量夹角小于90°，则此时出现追尾事故，当车辆a和车辆b相向而行即两辆车行驶方向向量夹角大于90°，则此时出现前撞事故，当车辆a和车辆b侧向而行即两辆车行驶方向向量夹角等于90°，则此时出现侧撞事故，

说明书

一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法

技术领域

[0001] 本发明涉及智能交通领域，尤其涉及一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法。

背景技术

[0002] GPS(Global Positioning System)全球定位系统是美国建立的一个全球卫星导航定位系统，可实现高精度、全天候、实时的导航及测速。近年来GPS技术已广泛应用于测绘遥感，航空航天，通讯，交通等各个领域，并深刻改变了人们的生活。

[0003] 基于GPS系统的定位信息分析应用已逐步扩展到智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)。在现代ITS系统中，可以使用定位信息来进行车辆自动导航以及安全驾驶。根据卫星导航定位系统的原理，GPS定位技术包括基于载波相位的位置估算和基于伪距的位置估算，前者的定位虽然非常精确，但是存在整周模糊度的问题，后者虽然精确度较低，但是具有较好的实时性。但在车载GPS接收卫星信号时影响定位精确度的因素包含如下几个：GPS卫星自身误差(包括卫星时钟误差，卫星星历误差)、传输延时(包括电离层延时和对流层延时)、车载GPS接收机误差(包括接收机时钟误差、热噪声、以及地面多径时延等)。另外，在一个地基增强系统(GBAS,Ground-Based Augmentation System)中，一个位于已知精确位置的参考基站可以向车辆广播卫星精确位置信息，车载GPS接收机根据其自身接收到卫星定位信号计算车辆与卫星间的伪距后与广播精确位置信息进行比较后再修正观测数据，这种DGPS的方法可以有效降低相同的传输时延误差和卫星误差。但是，在城市道路两旁存在建筑物，这意味着GPS卫星与车辆之间的视线路径可能被阻断，即车载GPS接收机只能接收到卫星的反射信号。来源于不同建筑物的不同路径反射信号构成了接收信号的多径传输，其造成的误差可能高达数十米，这无疑降低了绝对定位的精度。
对于DGPS系统而言，由于参考基准站常常建立在开阔环境中，且邻近车辆之间的接收信号具有空间相关性故可以降低这种多径传输的误差。

发明内容

[0004] 本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种通过道路邻近车辆的相对位置检测及相对位置超过阈值的警告机制从而能够减少城市车辆碰撞和车祸发生的车辆防碰撞方法。

[0005] 本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，定位车辆上安装有GPS发送/接收机，若干个在轨卫星直接或间接定位车辆，包括以下步骤：

[0006] 1)分析相对定位的第一车辆、第二车辆接收到的卫星信息，确定第一车辆、第二车辆的共用在轨卫星，建立协同相对定位系统模型；

[0007] 2)第一车辆与第二车辆建立V2V网络，通过共用在轨卫星传输数据包，数据包信息包括：车辆识别ID、车辆目的地绝对定位坐标、车辆三维速度、共用卫星信噪比和共用卫星伪距；

[0008] 3)GPS信号稳定时采用基于伪距的增强相对定位方法计算第一车辆、第二车辆之间相对距离；

[0009] 4)GPS信号中断时采用基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法预测第一车辆、第二车辆之间相对距离；

[0010] 5)根据步骤3)或步骤4)得到的相对距离进行基于相对距离的车辆防碰撞判断，若相对距离小于或等于安全距离时，触发车载报警器并触发车辆紧急制动机制。

[0011] 作为优选，基于伪距的增强相对定位方法包括以下步骤：

[0012] (11)根据公式(1)计算定位车辆v与共用在轨卫星s之间的伪距：

[0013]

[0014] 伪距进行二次差分：

[0015] 其中， 表示电离层带来的传输时延， 表示对流层带来的传输时延，s表示光(s)速，Δtv表示定位车辆时钟误差，Δt 表示卫星时钟误差， 表示热噪声和多径干涉的影响， 表示实际距离，a表示第一车辆，b表示第二车辆，k、j表示所有共用在轨卫星；

[0016] (12)计算 的值并与预设阈值进行比较，当计算值小于预设阈值时，则判定相应共用在轨卫星与定位车辆有关联性，保留关联性高的共用在轨卫星。

[0017] 作为优选，定位车辆a、b收到共用在轨卫星j的直接传输信号，即 则伪距二次差分结果为

[0018] 作为优选，基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法包括以下步骤：

[0019] (21)确定状态向量、误差协方差矩阵的初值；

[0020] (22)预测下一时刻的状态向量、误差协方差矩阵值：

[0021] (23)状态更新，下一时刻到来，使用接收到的定位信息预测伪距 并求得观测矩阵；

[0022] (24)使用误差协方差矩阵，结合观测矩阵计算滤波器的增益矩阵；

[0023] (25)计算车辆与共用卫星的真实距离 的观测值和预测值；

[0024] (26)计算状态向量和误差协方差矩阵的估计值。

[0025] 作为优选，所述基于相对距离的车辆防碰撞判断包括：

[0026]

[0027] 其中，|va|表示车辆a的三维速度在方向向量上的映射，|vb|表示车辆b的三维速度在方向向量上的映射，sa表示车辆a的加速度，Sb表示车辆b的加速度，t表示驾驶员的突发交通事故反应和处理的平均经验时间；

[0028] 当车辆a和车辆b同向而行即两车辆行驶方向向量夹角小于90°，则此时出现追尾事故，

[0029] 当车辆a和车辆b相向而行即两辆车行驶方向向量夹角大于90°，则此时出现前撞事故，

[0030] 当车辆a和车辆b侧向而行即两辆车行驶方向向量夹角等于90°，则此时出现侧撞事故，

[0031] 本发明的有益效果在于：针对城市道路中的多径传输现象，建立的协同相对定位模型会根据相关性剔除空间相关性低的卫星信号，并在出现GPS信号中断时候使用卡尔曼滤波的方法预测车辆位置。通过协同相对定位方法的应用，可以降低城市道路中交通事故的发生概率。计算车辆间的相对距离，可以消减误差，从而使计算值基本等于车辆真实距离，提高预测准确率。

附图说明

[0032] 图1是本发明方法的步骤流程图；

[0033] 图2是本发明实施例协同相对定位系统模型示意图；

[0034] 图3是本发明实施例的近邻车辆间的相对定位示意图。

具体实施方式

[0035] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

[0036] 实施例1：如图1所示，一种基于协同相对定位技术的车辆防碰撞方法，包括：基于V2V网络的定位信息测量与交换、基于伪距的增强相对定位方法、基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法、基于相对距离的车辆防碰撞判断机制，具体包括以下步骤：

[0037] 1)分析相对定位的第一车辆、第二车辆接收到的卫星信息，确定第一车辆、第二车辆的共用在轨卫星，建立协同相对定位系统模型；

[0038] 2)第一车辆与第二车辆建立V2V网络，通过共用在轨卫星传输数据包，数据包信息包括：车辆识别ID、车辆目的地绝对定位坐标、车辆三维速度、共用卫星信噪比和共用卫星伪距；

[0039] 3)GPS信号稳定时采用基于伪距的增强相对定位方法计算第一车辆、第二车辆之间相对距离；

[0040] 4)GPS信号中断时采用基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法预测第一车辆、第二车辆之间相对距离；

[0041] 5)根据步骤3)或步骤4)得到的相对距离进行基于相对距离的车辆防碰撞判断，若相对距离小于或等于安全距离时，触发车载报警器并触发车辆紧急制动机制。

[0042] 假设如图2所示，在轨卫星S1-S5向携带GPS发送/接收机的的车辆a、车辆b传输定位信号，且车辆a、车辆b都行驶在一个两侧有各种建筑物的城市交通道路中，由于建筑物的阻挡，车辆与卫星之间直接传输路径被阻断，所以对于车辆a、车辆b而言，有接收到直接信号，有接收到反射信号的，还有接收不到卫星信号的。其中车辆a可以接收到S1至S4的信号，且S1、S2和S4是直接接收到信号，S3是反射信号；车辆b可以接收到S1、S3、S4和S5的信号，且S4和S5是直接接收到的信号，S1和S3反射信号。显然S2只能被车辆a接收到而S5只能被车辆b接收到，所以当车辆a和车辆b单独分别进行定位时，绝对定位坐标偏离很大，即直接通过两辆车的绝对坐标位置定位来计算其相对位置在城市复杂道路环境会导致极大的测量误差，通过绝对坐标定位然后进行计算得到车辆间的距离l2相比二者真实距离l1增大了误差。本发明的协同相对定位系统模型中，先确定车辆a和车辆b的共用在轨卫星，即S1、S3和S4。通过对接收到的卫星信号进行分析，可知S1对于车辆a是直接信号然而对于车辆b是反射信号，这对于车辆进行相对定位时是低空间相关性的。尽管车辆a和b接收到卫星S3的都是反射信号，但是当两辆车之间距离足够短的时候他们的定位误差基本是相同的。故在协同相对定位模型中，只使用具有一定空间相关性的共用卫星S3和S4传输的定位信号，故在两辆车绝对坐标位置相对真实位置具有大致相同的偏离方向和偏离大小的时候，计算二者的相对位置可以消减同样的偏离值从而使计算值基本等于车辆真实距离。

[0043] 在邻近车辆交换定位信息之前，每个车辆需要接收的观测卫星定位数据包括：卫星传输信号的信噪比SNR、观测卫星的仰角、卫星星历表数据以及由星历表得到的观测卫星的轨道坐标。显然可以据此计算观测卫星到车载GPS接收机的伪距，与此同时每辆车还将测量其自身的三维速度和行驶方向。综上，在车辆建立了V2V网络之后，协同相对定位系统模型所传输的数据包信息包含：车辆识别ID，车辆目的地绝对定位坐标，车辆三维速度，共用卫星信噪比和共用卫星伪距。

[0044] 每辆车可以通过其自身发送的数据包内容及接收到的邻近车辆的数据包可以判别出两辆车的共用在轨卫星。本文对相对定位的测量基于空间相关性的考虑，只选用共用卫星的定位信息用于相对定位。表1是数据包内容。

[0045]

[0046] 表1

[0047] 基于伪距的增强相对定位方法即根据已知的N个观测卫星和N辆待测车辆坐标计算待测车辆两两之间相对距离，在根据观测卫星星历表计算伪距，以准确距离和伪距的差值更新观测数据提高定位精度。确定卫星s3、卫星s4用于计算车辆a、车辆b的相对伪距，如图3所示，将s3记为k，s4记为j， 表示卫星k与车辆a之间的实际距离， 表示卫星k与车辆b之间的真实距离， 表示卫星j与车辆a之间的真实距离， 表示卫星j与车辆b之间的真实距离，θk表示卫星k相对于车辆a的仰角度，θj表示卫星j相对于车辆a的仰角度。

[0048] 车辆v和卫星s之间的伪距可以根据下式计算：

[0049]

[0050] 当两辆车之间足够近的时候，我们有理由认为可以参照传统的差分DGPS的方法消除掉由于电离层和对流层带来的传输时延 和 以及卫星时钟误差Δt(s)，Δtv表示定位车辆时钟误差， 表示热噪声和多径干涉的影响， 表示实际距离。则对于一个共用卫星而言，两辆车(v＝a,b)的伪距差分可以由下式计算：

[0051]

[0052] 根据式(2)通过对伪距进行二次差分可以消掉两辆车不同的GPS接收机时钟误差Δtv：

[0053]

[0054] 在伪距计算中，相比其他因素热噪声通常足够小以至于可以忽略不计，故通过式三的二次差分可将相对距离的计算转化为对多个共用卫星多径干涉因子的计算。由于城市不同区域复杂的传输环境，对于一个共用卫星有可能一辆车接收到其直接传输信号而另一辆车接收到的是反射信号。换言之，对同一个卫星定位信号存在多径传输导致的误差，故的误差一般是由于不同建筑物反射信号造成的多径传输误差，需要对一个共用卫星的伪距的相关性进行检测。则当两辆车都收到共用卫星j的直接传输信号时，即此时仅存在反射信号的影响，也就是我们可以得到如下近似值：

[0055]

[0056] 以共用卫星j作为参照基准，当 的值比一个预设经验阈值小时，我们有理由认为两辆车接收到来自卫星k的定位信号是具有相关性的。参考基准卫星的选取常常基于车辆相对于卫星的仰角。车辆的共用卫星中仰角最大的卫星将被选取为参考基准卫星，因为对于这种卫星车辆可以接收到其直接信号的概率是最大的。

[0057] 基于卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航方法：

[0058] 在城市区域行驶中的车辆经常会遇到GPS信号中断的情况，且由于使用共用卫星导致这种情况发生更多。卡尔曼滤波可以从一组有限的、包含噪声的、对物体位置的观察序列(可能有偏差)预测出物体位置的坐标及速度。因此可以通过结合车辆坐标预测以及GPS定位信息使用卡尔曼滤波来预测GPS信号中断时车辆的位置坐标。卡尔曼滤波是一种线性最小方差估计算法，使用递推滤波的思想引入状态空间的概念，从而可以根据系统的状态转移方程根据前一时刻的状态值和当前时刻的观测值估计下一时刻的状态值。本文使用伪距作为卡尔曼滤波的观测值，则卡尔曼滤波的基本方程如下式所示：

[0059] Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk (5)

[0060] Zk＝HkXk+Vk (6)

[0061] 公式(5)为状态方程，公式(6)为观测方程，其中Xk为状态向量，Φk,k-1为系统的状态转移矩阵，Wk为系统噪声序列且假设其符合均值为零、协方差矩阵为Qk的多元正态分布，即Vk～N(0,Qk)，Zk为对真实状态Xk的一个测量，Hk为观测矩阵它把真实状态空间映射成观测空间，Vk为观测噪声序列其均值为零、协方差矩阵为Rk且服从正态分布，即Vk～N(0,Rk)。根据公式(1)式对伪距的观测模型，可知 是关于状态向量Xk的非线性方程，使用 对状态向量取偏导。

[0062] 在预测阶段，滤波器使用上一状态的估计，做出对当前状态的估计。在更新阶段，滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值，以获得一个更精确的新估计值。那么卡尔曼滤波的误差协方差矩阵Pk可以用下式表示：

[0063]

[0064] 综上，使用卡尔曼滤波的车辆自预测定位导航包括如下过程：

[0065] 1)确定状态向量、误差协方差矩阵的初值；

[0066] 2)预测下一时刻的状态向量、误差协方差矩阵值；

[0067] 3)状态更新，下一时刻到来，使用接收到的定位信息预测伪距 并求得观测矩阵；

[0068] 4)使用误差协方差矩阵，结合观测矩阵计算滤波器的增益矩阵；

[0069] 5)计算车辆与共用卫星的真实距离 的观测值和预测值；

[0070] 6)计算状态向量和误差协方差矩阵的估计值。

[0071] 上述过程的第二步到第六步为卡尔曼滤波器的一次状态更新过程，在提供了第一步的初始值的情况下，可以不断更新以迭代的方式得到下一时刻的预测值，不需要记录观测或者估计的历史信息。

[0072] 基于相对距离的车辆防碰撞判断机制：

[0073] 车辆a,b在时刻t时的位置可以通过其在时刻t-1的位置、速度和加速度预测估计得到，则 可以根据时刻t时共用卫星(s＝k,j)和车辆(v＝a,b)的三维坐标位置计算得知，即对于车辆(v＝a,b)的其他共用卫星，所测伪距的二次差分以及估算测距的二次差分 的计算结果与经验阈值进行比较从而选取具有高空间相关性的共用卫星。

[0074] 由此，剔除了相关性低的共用卫星，根据步骤1提供的V2V网络传输的数据包，可知车辆的速度 加速度ma和行使方向 我们假设驾驶员的突发交通事故反应和处理的平均经验时间为t。对于接收到的数据包，首先判断车辆的行驶方向，如果车辆a和车辆b同向而行即两车辆行驶方向向量夹角小于90°，则此时可能出现的为追尾事故；如果车辆a和车辆b相向而行即两辆车行驶方向向量夹角大于90°，则此时可能出现的是前撞事故；如果如果车辆a和车辆b侧向而行即两辆车行驶方向向量夹角等于
90°，则此时可能出现的是侧撞事故。假设|va|和|vb|分别是车辆a和车辆b的三维速度在方向向量上的映射，则以上三种分类各自防碰撞机制的安全距离可简化表示为：

[0075]

[0076] 当相对距离小于或等于安全距离时，触发车载报警器并自动触发车辆紧急制动机制从而保障车内人员的安全。

[0077] 以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。