李 異, 傅 達(dá)

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

自2020年1月1日實(shí)現(xiàn)全國(guó)高速公路ETC聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行以來，設(shè)備整體運(yùn)行良好，人民的通行舒適感顯著提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯，但是部分ETC車道存在跟車干擾、鄰道干擾等問題。跟車干擾、通信識(shí)別錯(cuò)誤、鄰道干擾等問題的根本原因在于微波通信的無序性、車輛OBU安裝位置差異、電子標(biāo)簽受不同廠家性能之間差異影響等問題。對(duì)此，需要在源頭上對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，使其能夠做到正確識(shí)別車輛及確切定位，從根源上對(duì)跟車干擾、鄰道干擾等進(jìn)行優(yōu)化處理。

拆除省界站后的多車道實(shí)行自由流收費(fèi)方式，收費(fèi)站進(jìn)行物理拆除后不設(shè)車道欄桿，多車道之間并行通行沒有隔離，因此可有效提高車輛通行效率。在多車道自由流ETC系統(tǒng)中，從大量的車輛中找出未交易車輛是一個(gè)棘手問題。系統(tǒng)需要對(duì)所有OBU、CPC卡車輛進(jìn)行精確定位，同時(shí)確定車載電子標(biāo)簽在這個(gè)區(qū)域的通信位置，與車牌識(shí)別系統(tǒng)對(duì)車輛同步視頻抓拍，實(shí)現(xiàn)車輛信息的實(shí)時(shí)對(duì)比確定。由于各個(gè)天線通信區(qū)域之間會(huì)有部分相互重疊，車輛自由流行駛過程中必然會(huì)經(jīng)過重疊位置，所以在通行過程中，需要對(duì)OBU、CPC卡發(fā)射的微波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采取合適有效的定位算法來對(duì)OBU、CPC卡位置進(jìn)行精確定位。目前ETC天線在系統(tǒng)使用中還沒有充分發(fā)揮其相應(yīng)功能，不能達(dá)到完全流暢的要求，需要進(jìn)行人工處理，增加天線的新特性是最好的解決辦法。

1 總體方案

門架天線主要由室外路側(cè)天線和室內(nèi)路側(cè)控制器2部分組成。路側(cè)天線包含微帶陣列天線、微波收發(fā)信機(jī)、相控陣處理模塊、電源模塊等(見圖1)，信號(hào)數(shù)據(jù)通過調(diào)制/解調(diào)，以DSRC的方式與OBU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、采集，同時(shí)更新IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，相控陣處理模塊對(duì)OBU返回的數(shù)據(jù)，通過一系列復(fù)雜的算法，可以精確計(jì)算出OBU、CPC卡的位置。路側(cè)控制器通過控制路側(cè)天線，及時(shí)處理收發(fā)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過通信電纜及接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換(見圖2)。

圖1 路側(cè)天線原理圖

圖2 路側(cè)控制器原理圖

門架天線與收費(fèi)站ETC天線的工作原理及機(jī)制的主要區(qū)別如表1所示。

表1 門架天線與收費(fèi)站ETC天線區(qū)別區(qū)別項(xiàng)門架天線收費(fèi)站ETC天線過車速度最大速度150 km/h最大速度30 km/h收費(fèi)工作機(jī)制計(jì)費(fèi)信息累加機(jī)制入口標(biāo)記,出口扣費(fèi)機(jī)制覆蓋范圍覆蓋多個(gè)車道覆蓋單個(gè)車道與ETC車輛交易情況存在同一時(shí)間與多個(gè)ETC車輛通訊交易同一時(shí)間只與單個(gè)ETC車輛通訊交易天線工作機(jī)制多個(gè)天線協(xié)同工作單個(gè)天線獨(dú)立工作

2 門架天線硬件設(shè)計(jì)

為方便設(shè)備升級(jí)和功能的增減，相控陣ETC多目標(biāo)定位天線運(yùn)用當(dāng)前主流設(shè)計(jì)模式，即模塊化、單元化設(shè)計(jì)理念。系統(tǒng)整體框圖見圖3，該系統(tǒng)由幾大模塊組成，主要為接收天線陣模塊、時(shí)鐘模塊、本振模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊、存儲(chǔ)器模塊、信號(hào)處理模塊、供電模塊以及接口模塊組成。

圖3 相控陣ETC多目標(biāo)定位系統(tǒng)

RSU相控陣定位接收機(jī)包括10個(gè)接收通道，接收通道與天線陣元采用一對(duì)一模式對(duì)應(yīng)連接，用于OBU微波信號(hào)的采集；系統(tǒng)信號(hào)處理模塊采用FPGA+DSP架構(gòu)，利用傳統(tǒng)DBF算法與MUSIC算法結(jié)合對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行超分辨DOA估計(jì)，得到微波信號(hào)的二維入射角，通過Capon算法以DOA信息進(jìn)行接收波束形成，使波束主瓣指向相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)方向，波束零點(diǎn)指向干擾目標(biāo)方向。其中，F(xiàn)PGA對(duì)數(shù)字化的射頻通道數(shù)據(jù)進(jìn)行失真、加重、移相處理，F(xiàn)PGA 的乘除法器等計(jì)算硬核和軟核，按照配置進(jìn)行大量復(fù)數(shù)運(yùn)算形成波束；DSP處理器按照實(shí)際應(yīng)用條件選擇波束形成配置參數(shù)，通過配置FPGA參數(shù)重構(gòu)天線波束形成。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 相控陣天線技術(shù)

均勻線陣是相鄰陣列單元間距相等、單元成直線排列的一維陣列天線。本項(xiàng)目中采用了接收相控陣技術(shù)，接收天線分別為沿X方向和Y方向排列的微帶陣元均勻直線陣，X、Y方向陣元數(shù)量相同，通過X、Y兩個(gè)方向?qū)嚨肋M(jìn)行二維掃描，從而確定車輛的位置。

3.2 多目標(biāo)精確定位

在原有ETC系統(tǒng)的RSU內(nèi)部加入基于相控陣技術(shù)的無線跟蹤定位處理模塊，支持FPGA+DSP數(shù)字信號(hào)處理，通過多通道并行工作，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域掃描，達(dá)到多目標(biāo)之間同步定位和交易。具體定位過程如下：無線定位處理模塊根據(jù)接收到的車載單元OBU反饋信號(hào)，由計(jì)算建立與之對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，相控陣天線在通行車道上的垂直投影點(diǎn)作為坐標(biāo)系的基準(zhǔn)參考點(diǎn)，通過與基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)比，取得OBU在車道平面上的坐標(biāo)位置；其定位精度高，定位延時(shí)非常短，可確保系統(tǒng)交易的實(shí)時(shí)性。

運(yùn)用傳統(tǒng)延遲相加DBF算法和MUSIC空間譜估計(jì)算法對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行超分辨DOA估計(jì)。當(dāng)ETC系統(tǒng)環(huán)境有干擾信號(hào)存在時(shí)，單一算法定位結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)不準(zhǔn)確現(xiàn)象，而采用兩種定位算法同時(shí)定位，可相互驗(yàn)證定位結(jié)果；當(dāng)兩者計(jì)算結(jié)果一致時(shí)定位數(shù)據(jù)正常，當(dāng)兩者計(jì)算結(jié)果不一致時(shí)，則判斷定位數(shù)據(jù)不可靠，放棄該條定位數(shù)據(jù)重新進(jìn)行定位，以保證定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.3 通信區(qū)域精確指向

采用Capon波束形成算法實(shí)現(xiàn)接收天線波束形成，這樣接收天線波束在通信覆蓋區(qū)域內(nèi)能實(shí)現(xiàn)精確指向，提高車輛通行速度和過車效率。系統(tǒng)接收天線采用矩形式微帶貼片陣列天線，利用接收相控陣波束合成技術(shù)，通過Capon波束形成算法以DOA信息進(jìn)行接收波束形成，使接收波束主瓣指向有用目標(biāo)方向，而波束零點(diǎn)指向干擾目標(biāo)方向。接收波束高度集中能增大信號(hào)能量、交易距離，提高車輛通行速度和過車效率；通過控制天線陣列之間的輻射單元，以及水平方向的陣列數(shù)量和陣列之間間距，同時(shí)控制陣列天線之間水平方向的波瓣寬度和副瓣電平，從而控制波束覆蓋區(qū)域，可以很好地降低跟車干擾事件發(fā)生機(jī)率，同時(shí)很好地降低鄰道干擾事情發(fā)生機(jī)率，確保數(shù)據(jù)在交易過程中的準(zhǔn)確性與安全性。

3.4 軟件無線電設(shè)計(jì)應(yīng)用

將軟件無線電設(shè)計(jì)理念應(yīng)用在ETC場(chǎng)景中，能夠進(jìn)行軟件更新以及擴(kuò)展硬件配置，具有良好的可擴(kuò)展性、靈活的系統(tǒng)升級(jí)能力和應(yīng)用環(huán)境適用性。目前ETC系統(tǒng)中導(dǎo)致交易成功率降低的影響因素較多，主要因素包括OBU產(chǎn)品質(zhì)量差、汽車金屬膜、安裝位置不合理等，導(dǎo)致OBU設(shè)備不能正常識(shí)別。同時(shí)OBU經(jīng)過多年使用后，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)電量低的狀況，在這種情況下進(jìn)行通信并交易，電子標(biāo)簽產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度較低，通信質(zhì)量會(huì)受到影響，很容易出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定以及被干擾現(xiàn)象；ETC車道同時(shí)存在的電子設(shè)備較多，具有電磁環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，導(dǎo)致這片空域中存在各種各樣電磁輻射信號(hào)對(duì)設(shè)備通信產(chǎn)生干擾。為保證數(shù)據(jù)交換的成功率，需要提高RSU設(shè)備的信號(hào)通信識(shí)別能力以及抗干擾能力。所以在此采用軟件無線電技術(shù)，通過提高信號(hào)質(zhì)量滿足OBU交易成功率。該方式能夠很好地提高整個(gè)系統(tǒng)的交易成功率，使ETC車輛能快捷完成交易、系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢。

3.5 通過遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備自檢提高系統(tǒng)的可維護(hù)性

通過支持聯(lián)機(jī)狀態(tài)下的遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)視、維護(hù)、升級(jí)及設(shè)備管理，具備對(duì)天線功率、設(shè)備溫度、PCI卡狀態(tài)等主要元件以及整個(gè)系統(tǒng)的自我檢測(cè)，快速確定設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)故障快速定位、進(jìn)行異常日志記錄及告警等。設(shè)備的各種運(yùn)行狀態(tài)在控制器LED屏上實(shí)時(shí)顯示,使工作現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)了解設(shè)備的狀況。完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，不僅可以通過高速內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，必要時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)RSU設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)升級(jí)、設(shè)備軟重啟、日志查詢等操作，減輕維護(hù)工作量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備規(guī)范化管理。

3.6 通過自動(dòng)溫度補(bǔ)償提高系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性

由于天線安裝在室外，受環(huán)境溫度影響較大，為此設(shè)計(jì)了自動(dòng)溫度補(bǔ)償控制系統(tǒng)功能，當(dāng)環(huán)境溫度與設(shè)備內(nèi)部溫度相差較大時(shí)，該系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)溫補(bǔ)償，使設(shè)備發(fā)射功率、接收靈敏度等主要參數(shù)的元器件不受溫度影響而發(fā)生漂移，確保DSRC微波天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定，不因外界環(huán)境溫度的變化而對(duì)設(shè)備精度產(chǎn)生影響，使設(shè)備更加穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于相控陣技術(shù)的多目標(biāo)天線，新增定位處理模塊支持通過FPGA+DSP數(shù)字信號(hào)處理，多通道并行全區(qū)域?qū)崟r(shí)掃描，采用Capon波束形成算法使接收天線波束在通信覆蓋區(qū)域內(nèi)具有精確指向，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)定位和交易；以滿足高速公路拆除省界站后，多車道自由流通行的ETC收費(fèi)需求，緩解收費(fèi)擁堵，提高通行效率。該產(chǎn)品優(yōu)異的異常處理能力和可靠的交易成功率，可給路段管理單位和司乘人員帶來了極大便利，提升了廣大車主的使用體驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。