为车辆提供导航定位的方法
【专利摘要】本发明提供了一种为车辆提供导航定位的方法，该方法包括：设置车联网归属寄存器和访问寄存器；当车辆终端进入道路节点蜂窝区后，通过车载节点解析数据判断当前所处网络，执行相应的定位策略；当车载终端跨越道路节点蜂窝区周界时，车载终端中移动计数器数值加1；当计数器数值到达移动阈值时发起位置更新。本发明提出了一种为车辆提供导航定位的方法，实现车辆任意位置的定位和入网。并且按需进行位置更新，提高了系统整体性能。
【专利说明】
为车辆提供导航定位的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及GPS导航，特别涉及一种为车辆提供导航定位的方法。
【背景技术】
[0002] 定位作为车联网中一个重要的基础部分，在车联网的网络部署和拓扑设计中扮演 了十分重要的角色。车联网需要时刻跟踪车辆的位置，确保在需要对目标车辆进行消息传 递时能迅速准确的找到车辆并将消息传递过去。目前商用车联网的定位基本是通过车载 GPS收集车辆当前地理位置信息然后按一定时间间隔利用GPRS提交到服务器。车辆厂商通 过与移动运营商的合作，直接利用通信运营商现有的通信设备，虽节省了车联网前期建设 成本，但带来了很多负面影响，如上网费用过高、只能实现与网络的互动而不能实现车辆之 间的直接互动。而且没有按照位置更新的实际需要而更新，造成了系统整体性能较差。
【发明内容】
[0003] 为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种为车辆提供导航定位的方 法，包括：
[0004] 设置车联网归属寄存器，管理整个所有车联网用户的注册和位置信息；在各个子 区域设置访问寄存器，管理其范围内的车载终端的位置信息;车载终端进行位置更新时，在 旧访问寄存器中的车辆数据表中建立位置指针指向新的访问寄存器;当车辆继续行驶到另 一个访问寄存器中时，两个访问寄存器之间互相通信；
[0005] 每个道路节点的覆盖范围构成一个正六边形蜂窝区，每个蜂窝区周围有六个相邻 蜂窝区，多个道路节点蜂窝区组成一个位置区，多个位置区构成一个访问寄存器区，由一个 访问寄存器管理范围内的车辆数据;道路节点除了周期性广播当前识别号以及提供车辆可 靠性的链接外，还发送访问寄存器标识号、道路节点蜂窝区标识号；当车辆终端进入道路节 点蜂窝区并接受到道路节点所广播的数据信号后，通过车载节点解析数据判断当前所处于 网络是否属于拓扑，从而执行相应的定位策略；
[0006] 当车载终端在位置区中的内部蜂窝区之间行驶时，接收道路节点广播的网络特征 报文，并通过部署的差分GPS获取车辆实时GPS信息;服务器将车辆历史路由成功率和由车 载GPS模块获取车载终端当前行驶速度和行驶方向进行解算后确定道路节点蜂窝区级别移 动阈值M，并根据Μ值设置当前动态位置区大小，即当前位置区含有n=M环蜂窝区；在车载终 端设置一个道路节点级别移动计数器，记录车载终端穿越道路节点蜂窝区数量；当车载终 端跨越道路节点蜂窝区周界时，车载终端中移动计数器数值cU加1;当计数器数值cU到达蜂 窝区级别所设定的移动阈值Μ时，发起一次位置更新，将当前关于车载终端位置信息提交至 访问寄存器进行相关数据操作，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号、车载终端的详 细地理信息GPS坐标、车载终端当前行驶速度和行驶方向信息，只更新访问寄存器；
[0007] 当车载终端在同一个访问寄存器中不同位置区间行驶时，从服务器获取车辆的历 史记录并确定位置区级别移动阈值Ν;通过道路节点信号覆盖范围的半径与所确定的移动 阈值Μ的乘积解算出位置区半径;利用差分GPS获取车辆GPS数据，实时计算车载终端离开中 心蜂窝区的距离是否大于或等于动态形成位置区的半径;如果是则确定车载终端已经离开 当前位置区进入了新位置区，此时蜂窝区级别移动计数器cU置零，位置区级别移动计数器 值(1 2加1;当计数器值d2到达位置区级别移动阈值N时，发起一次位置更新，只更新访问寄存 器；
[0008] 当车载终端跨越当前道路节点周界进入新的道路节点蜂窝区，所接收到的关于访 问寄存器标识号与车载终端中存储的标识号不一致时，判断车载终端正在跨访问寄存器行 驶;将计数器山和山均置为0,车载终端向新的访问寄存器发送位置更新请求，新的访问寄存 器记录并更新车载终端的信息，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号并以此作为当前 位置区的中心蜂窝区；然后新的访问寄存器发起与原访问寄存器之间的通信，告知当前车 载终端已经进入新的访问寄存器;原访问寄存器取消车载终端在其中的注册状态，建立一 个位置指针并指向新的访问寄存器。
[0009] 本发明相比现有技术，具有以下优点：
[0010] 本发明提出了一种为车辆提供导航定位的方法，实现车辆任意位置的定位和入 网。并且按需进行位置更新，提高了系统整体性能。。
【附图说明】
[0011]图1是根据本发明实施例的为车辆提供导航定位的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0012] 下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描 述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利 要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以 便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的 一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。
[0013] 本发明的一方面提供了一种为车辆提供导航定位的方法。图1是根据本发明实施 例的为车辆提供导航定位的方法流程图。
[0014] 本发明改进了车联网架构，通过划分拓扑结构对不同的结构设计相应的定位策 略。基于该车联网架构确定位置更新和位置消息传递的性能。按组网特性和通信过程分为 移动通信区和导航区。为移动通信区部署道路节点和车载节点，提供车辆的网络接入服务， 在开始通信时，道路节点启动后，服务信道建立一个基本服务集，并通过控制信道周期性地 向其他设备广播当前服务集的存在，广播消息包括其身份信息和含有位置、行驶速度、行驶 方向信息的时间戳移动信息。道路节点通过控制信道广播携带有服务提供者IP地址、MAC地 址和端口号等相关信息的服务公告。当载有车载节点的车辆进入移动通信区之后，开始接 收道路节点通过控制信道所发送的广播帧服务公告，在本地设备进行解析并进行身份验 证，如果验证通过就将当前车载节点信息加入其所连接的服务集，此时车辆终端正式接入 了车联网，双方建立起通信连接并开始互相收发数据，交换信息。
[0015] 当车辆无法检测到道路节点所广播的信号时，自动启动导航区通信模式。该区域 利用GPS导航系统的双向报文功能来提供通信。当装备有GPS导航模块的车载终端A向卫星 发送双向报文时，卫星收到信息后转发给地面中心站，中心站经过数据处理后根据数据请 求转发给车载终端B或者服务器。双向报文中包含有对方的识别号、通信申请信号以及通信 内容经过车载卫星模块加密后，通过卫星转发给地面中心站。地面中心站在接收到车载终 端A所发送的通信申请信号以后，对数据进行解析然后加入广播电文，通过卫星广播给同样 装备有卫星模块的车载终端B，或者根据通信内容通过Internet网络转发给服务器。
[0016] 道路节点沿道路两侧部署，各个道路节点与车联网位置服务器之间通过以太网连 接，车辆行驶在道路上通过道路节点接入车联网。道路节点实时广播车联网识别信号，当车 辆进入道路节点信号范围接收到信号并经过身份验证后，即与车联网建立通信连接，可以 共享车联网中相关信息。在定位精度方面，本发明利用差分GPS，在区域中部署多个位置精 确已知的基准站，各基准站按预定义采样频率连续实时捕获记录卫星信号，并将未经差分 处理的同步观测值传输到服务器数据处理中心。数据处理中心在接收到观测值后，按照预 定算法处理后生成区域校正参数，并通过道路节点广播给其信号覆盖范围内的车辆，车辆 在接收到该参数后，校正当前位置信息。
[0017] 道路节点在广播地区校正参数的同时将自己当前GPS经炜度信息一同广播给车 辆，车辆将其解算后得到自己与道路节点基站之间精确距离。当车辆从一个道路节点蜂窝 区驶向另一个道路节点蜂窝区时，除了比较相对信号强度，还要比较离各个道路节点基站 之间的距离，从而决定是否进行跨区切换。
[0018] 在数据库的部署方面，本发明选取特定位置设置车联网归属寄存器来管理整个所 有车联网用户的注册和位置信息。在各个子区域设置访问寄存器来管理其范围内的车载终 端的位置信息。在移动通信区中，车辆通过道路节点连入服务器，并由当地的访问寄存器进 行定位。而车辆在导航区中行驶时，启用导航区定位策略，利用卫星的双向报文与服务器通 信并进行相应的定位。车载终端进行位置更新时，在旧访问寄存器中的车辆数据表中建立 位置指针指向新的访问寄存器。当车辆继续行驶到另一个访问寄存器中时，两个访问寄存 器之间互相通信。
[0019] 在移动通信区的定位方面，将车联网的网络拓扑抽象成为一个网状结构，使用移 动通信网络中蜂窝区来代替车联网中道路节点，并组成的二维蜂窝模型来进行分析。每个 道路节点的覆盖范围构成一个正六边形蜂窝区，每个蜂窝区周围有六个相邻蜂窝区，多个 道路节点蜂窝区组成一个位置区，多个位置区构成一个访问寄存器区，由一个访问寄存器 管理范围内的车辆数据。车辆终端可以向任意一个方向行驶，模拟交通中车辆终端在十字 交叉路况的转向行驶情况。道路节点除了周期性广播当前识别号以及提供车辆可靠性的链 接外，还发送访问寄存器标识号、道路节点蜂窝区标识号。当车辆终端进入道路节点蜂窝区 并接受到道路节点所广播的数据信号后，通过车载节点解析数据判断当前所处于网络是否 属于拓扑，从而执行相应的定位策略。
[0020] 一个访问寄存器作为一个地区内所有车辆的访问寄存器，管理辖区内若干个道路 节点，进入该地区内的车辆都需要向访问寄存器注册信息，将当前位置信息写入访问寄存 器数据库，例如当前车辆GPS注册信息、所处道路节点蜂窝区号、动态移动阈值等。若当前蜂 窝区为中心蜂窝区，则中心蜂窝区周围相邻的6个蜂窝区称为第一环蜂窝区，依次向外推， 直到第η环蜂窝区。令m为当前位置区中蜂窝区总数，可以计算得到m值为:m=l+3n(n-l)。
[0021] 本发明提出一个基于三层位置区的车联网结构拓扑：即规定一个地区的访问寄存 器管辖范围内的道路节点蜂窝区数量是固定的，一个访问寄存器范围内包含k环位置区的 拓扑结构，在一个位置区中包含有η环道路节点蜂窝区，其中η和k都是根据车辆的当前行驶 速度、行驶方向并结合车辆的历史路由成功率而解算得出。
[0022] 本发明对位置区采用分级更新策略，道路节点蜂窝区级别和位置区级别更新时只 对访问寄存器更新，访问寄存器级别更新时采取一步前向指针策略引入位置指针，只更新 初始访问寄存器中关于车载终端当前所在访问寄存器的位置指针，仅仅在访问寄存器之间 进行更新。
[0023] 为使车辆位置在合适的时机发起更新，本发明利用位置区级别进行粗定位，然后 通过车联网中GPS精确定位。将车载终端在车联网中行驶情况分为三种情况，分别是在位置 区内道路节点蜂窝区间行驶、同一个访问寄存器的不同位置区之间行驶和访问寄存器与访 问寄存器间行驶三种情况，详细过程如下：
[0024] 当车载终端在位置区中的内部蜂窝区之间行驶时，接收道路节点广播的网络特征 报文，并通过部署的差分GPS获取车辆实时GPS信息。服务器将车辆历史路由成功率和由车 载GPS模块获取车载终端当前行驶速度和行驶方向进行解算后确定道路节点蜂窝区级别移 动阈值M，并根据Μ值设置当前动态位置区大小，即当前位置区含有n=M环蜂窝区。在车载终 端设置一个道路节点级别移动计数器，记录车载终端穿越道路节点蜂窝区数量。当车载终 端跨越道路节点蜂窝区周界时，车载终端中移动计数器数值加1。当计数器数值cU到达蜂窝 区级别所设定的移动阈值Μ时，发起一次位置更新，将当前关于车载终端位置信息提交至访 问寄存器进行相关数据操作，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号、车载终端的详细 的地理信息GPS坐标、车载终端当前行驶速度和行驶方向等信息，本次更新只涉及访问寄存 器。
[0025] 当车载终端在同一个访问寄存器中不同位置区间行驶时，从服务器获取车辆的历 史记录并确定位置区级别移动阈值Ν。通过道路节点信号覆盖范围的半径与所确定的移动 阈值Μ的乘积解算出位置区半径。利用差分GPS获取车辆GPS数据，实时计算车载终端离开中 心蜂窝区的距离是否大于或等于动态形成位置区的半径。如果是则确定车载终端已经离开 当前位置区进入了新位置区，此时蜂窝区级别移动计数器cU置零，位置区级别移动计数器 值(1 2加1。当计数器值d2到达位置区级别移动阈值N时，发起一次位置更新，只更新访问寄存 器。
[0026] (3)当车载终端跨越当前道路节点周界进入新的道路节点蜂窝区，所接收到的关 于访问寄存器标识号与车载终端中存储的标识号不一致时，可以判断车载终端正在跨访问 寄存器行驶。将移动计数器山和山均置为0,车载终端向新的访问寄存器发送位置更新请求， 新的访问寄存器记录并更新车载终端的信息，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号并 以此作为当前位置区的中心蜂窝区。然后新的访问寄存器发起与原访问寄存器之间的通 信，告知当前车载终端已经进入新的访问寄存器。原访问寄存器取消了车载终端在其中的 注册状态，建立一个位置指针并指向新的访问寄存器。
[0027] 为了满足导航区中车辆对定位精度的需求，首先在车辆终端安装卫星信号双模接 收机模块。当车辆在一般情况下行驶，只需要利用车载卫星双模接收模块可以直接快速完 成无源定位，解算得出l〇m级精度的位置信息以满足车辆在导航区中日常行驶需求。当车辆 需要较高精度时，车辆终端发起位置更新操作，将当前的地理位置信息通过双向报文发送 到车联网位置服务器，车载卫星双模接收模块通过接收多个卫星信号并计算时差，然后将 时差通过双向报文传送回服务器，服务器结合存储在本地中提前测量的精密星历参数解算 出车辆当前位置后，根据车载终端需求将有关于用户位置信息再通过双向报文传送给车载 终端，达到高精度定位。该过程中车载终端仅仅完成计算时差和发送信息的功能，简化了车 载终端的设计。
[0028] 本发明对于导航区采用基于动态距离和时间的定位策略。针对不同行驶特性车辆 确定的各自合适的位置区半径即位置更新距离阈值，节省服务器资源。
[0029] (1)车辆开始行驶时，若发现无法接收到道路节点信号，则切换到导航区定位策 略。车辆通过车载卫星信号双模接收机使用双向报文将车辆识别号、经度、炜度、车辆速度 发送到服务器，并设置当前车辆的GPS经炜度为当前位置区中心点存储到车辆位置寄存器 中，并启动时间计数器开始计时。车联网在接收到数据并通过运算后将车辆当前最佳距离 阈值R1发送给车辆，车辆将R1存储在距离寄存器。
[0030] (2)当车辆继续行驶时，通过车载卫星信号双模接收机获取当前实时GPS经炜度信 息，并计算其与车辆所存储的当前位置区中心点GPS经炜度之间的距离。如果该距离超过车 辆距离寄存器中存储的距离阈值R1，则车辆发起位置更新操作，向服务器报告当前车辆的 车辆识别号、经度、炜度、车辆速度，并获取系统返回最新的距离阈值R2存储在距离寄存器 中，将位置更新时的经炜度坐标存入车辆位置寄存器中，并将时间计数器置零。继续行驶直 至下一次位置更新的发生。
[0031] (3)当车辆所装备的时间计数器计数满一个小时而车辆未因跨域位置区周界触发 位置更新操作时，车辆主动发起一次位置更新操作向服务器报告当前所在精确位置。
[0032] 所述双模接收机在提取导航电文数据和观测值的过程中，包括对卫星信号的解 扩，并实现对卫星信号伪随机码和载波的搜索，然后对捕获后的信号进行跟踪、数据解调校 验，将正确的导航电文以及观测值送入解算环节，以完成后续接收机的导航解算。
[0033] 设￥"(1〇为第η次的相关运算值，x(k)为本地载波与本地伪随机码的组合，yn(k)为 第η毫秒接收到的原始中频信号数据，则第η次的相关运算可以用卷积的形式表达为：
[0034]
[0035] Ν次的相干累加：
[0036]
关后的幅值能量大小，找到幅值能量小的一组输入步骤4;如果2个2ms数据组的幅值能量相 当，那么与2个2ms并列分组的那个lms就是我们要找的数据反转组。
[0042]步骤4:将从步骤3中得到的2ms数据组分成2个lms组进行循环相关的幅值能量比 较，确定其小的那组为数据位反转组。
[0043] 步骤5:得到lms的数据位反转位置，然后读取其lms之后的19ms数据作为相关运算 数据进行19ms循环相干积分，在利用码相位并行搜索捕获结果，当搜索到的幅值大于给定 的捕获阈值时，捕获成功。
[0044] 步骤6:将19ms数据叠加成lms数据Z(k)，并与I支路和Q支路上某一频率的复制正 弦和复制余弦载波信号混频后进行FFT运算，然后将变换结果与复制伪随机码FFT运算的共 辄复数值相乘，接着将所得的乘积经过逆FFT运算得到在时域内的相关结果，最后对相关值 进行检测来判断信号是否存在。
[0045]在跟踪卫星信号载频和相位的过程中，作为输入的数字中频信号，首先与载波环 所复制的载波混频相乘，其中的I支路上与正弦复制载波相乘，在Q支路上与余弦复制载波 相乘;然后，在I和Q支路上的混频结果信号i和q又分别与码环所复制的超前、即时和滞后三 份伪随机码做相关运算;然后相关结果经积分-清除器后分别输出相干积分值;积分值当做 载波环鉴别器的输入，而另外两条支路上的相干积分结果则作为码环鉴别器的输入;最后， 载波环和码环分别对它们的鉴别器出值进行滤波，并将滤波结果用来调节各自的载波数控 振荡器和伪随机码数控振荡器的输出相位和频率等状态，使载波环所复制的载波与接收载 波保持一致，同时又使码环所复制的即时码与接收伪随机码保持一致。载波和码相位同时 进行跟踪。码环采样非相干超前功率减去滞后功率的方法，对于载波环，即先用锁频环，使 误差较小时再进入锁相环。从跟踪环路的相关器输出数据中提取导航电文，并且通过位同 步和帧同步判断遥测码的帧头、子帧号以及对每个字的校验来判断导航电文的正确性。导 航数据位的解调是通过在一个数据位间隔之上累加样本并观测结果的正负来完成的。 [0046]综上所述，本发明提出了一种为车辆提供导航定位的方法，实现车辆任意位置的 定位和入网。并且按需进行位置更新，提高了系统整体性能。
[0047]显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成 的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储 在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。 [0048]应当理解的是，本发明的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本发明的 原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨 在涵盖落入所附权利要求范围和周界、或者这种范围和周界的等同形式内的全部变化和修 改例。
【主权项】
1. 一种为车辆提供导航定位的方法，其特征在于，包括： 设置车联网归属寄存器，管理整个所有车联网用户的注册和位置信息；在各个子区域 设置访问寄存器，管理其范围内的车载终端的位置信息;车载终端进行位置更新时，在旧访 问寄存器中的车辆数据表中建立位置指针指向新的访问寄存器;当车辆继续行驶到另一个 访问寄存器中时，两个访问寄存器之间互相通信； 每个道路节点的覆盖范围构成一个正六边形蜂窝区，每个蜂窝区周围有六个相邻蜂窝 区，多个道路节点蜂窝区组成一个位置区，多个位置区构成一个访问寄存器区，由一个访问 寄存器管理范围内的车辆数据;道路节点除了周期性广播当前识别号以及提供车辆可靠性 的链接外，还发送访问寄存器标识号、道路节点蜂窝区标识号；当车辆终端进入道路节点蜂 窝区并接受到道路节点所广播的数据信号后，通过车载节点解析数据判断当前所处于网络 是否属于拓扑，从而执行相应的定位策略； 当车载终端在位置区中的内部蜂窝区之间行驶时，接收道路节点广播的网络特征报 文，并通过部署的差分GPS获取车辆实时GPS信息;服务器将车辆历史路由成功率和由车载 GPS模块获取车载终端当前行驶速度和行驶方向进行解算后确定道路节点蜂窝区级别移动 阈值M，并根据Μ值设置当前动态位置区大小，即当前位置区含有n = M环蜂窝区；在车载终端 设置一个道路节点级别移动计数器，记录车载终端穿越道路节点蜂窝区数量；当车载终端 跨越道路节点蜂窝区周界时，车载终端中移动计数器数值cU加1;当计数器数值cU到达蜂窝 区级别所设定的移动阈值Μ时，发起一次位置更新，将当前关于车载终端位置信息提交至访 问寄存器进行相关数据操作，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号、车载终端的详细 地理信息GPS坐标、车载终端当前行驶速度和行驶方向信息，只更新访问寄存器； 当车载终端在同一个访问寄存器中不同位置区间行驶时，从服务器获取车辆的历史记 录并确定位置区级别移动阈值Ν;通过道路节点信号覆盖范围的半径与所确定的移动阈值Μ 的乘积解算出位置区半径;利用差分GPS获取车辆GPS数据，实时计算车载终端离开中心蜂 窝区的距离是否大于或等于动态形成位置区的半径;如果是则确定车载终端已经离开当前 位置区进入了新位置区，此时蜂窝区级别移动计数器cU置零，位置区级别移动计数器值d 2加 1;当计数器值d2到达位置区级别移动阈值N时，发起一次位置更新，只更新访问寄存器； 当车载终端跨越当前道路节点周界进入新的道路节点蜂窝区，所接收到的关于访问寄 存器标识号与车载终端中存储的标识号不一致时，判断车载终端正在跨访问寄存器行驶； 将计数器山和山均置为0,车载终端向新的访问寄存器发送位置更新请求，新的访问寄存器 记录并更新车载终端的信息，包括车载终端当前所驻留道路节点标识号并以此作为当前位 置区的中心蜂窝区；然后新的访问寄存器发起与原访问寄存器之间的通信，告知当前车载 终端已经进入新的访问寄存器;原访问寄存器取消车载终端在其中的注册状态，建立一个 位置指针并指向新的访问寄存器。
【文档编号】G08G1/0968GK105976634SQ201610607090
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】谢欣霖, 陈波
【申请人】成都之达科技有限公司