基于RFID的高速公路車(chē)輛測速及定位方法

1 概述

　　射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）是一項非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，具有信息量大、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。特別是RFID 技術(shù)在高速運動(dòng)物體識別、多目標識別和非接觸識別等方面的優(yōu)勢，使其在很多領(lǐng)域都具有巨大的發(fā)展潛力和廣泛的應用前景。

　　高速公路作為國家的重要戰略資源，不僅提高運輸效率，而且還能減少車(chē)輛損耗，其優(yōu)越性十分突出。但在安全方面，我國的高速公路卻表現出了較高的事故率和傷亡率。相關(guān)研究表明，通過(guò)合理控制機動(dòng)車(chē)輛的車(chē)速及安全車(chē)距，可以有效保障高速公路的交通安全和暢通，預防和減少交通事故。

　　但我國高速公路管理系統中現有的一些交通檢測技術(shù)，其主要作用是檢測道路流量以及為超速罰款提供參考依據，而目前被推廣的GPS 定位系統，無(wú)法對速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，且其定位精度有限，亦不能實(shí)時(shí)跟蹤車(chē)輛。因此，我國在高速公路安全管理及監控這一領(lǐng)域還存在較大的空白。多普勒效應在近代科學(xué)中有著(zhù)廣泛的應用。它可用于測量飛機時(shí)速、觀(guān)測人造衛星運行情況、確定星體運行速度、測量視網(wǎng)膜血管內血流速度等。最大多普勒頻移還是無(wú)線(xiàn)通信中用于優(yōu)化自適應接收機的重要參數，導頻信道測量、切換判決和功率控制等自適應優(yōu)化算法都依賴(lài)于對它的有效估計。

　　本文基于RFID 技術(shù)，通過(guò)對由車(chē)輛移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時(shí)估計，提出一種高速公路車(chē)輛實(shí)時(shí)測速及定位方法。

　　2 算法模型

　　結合高速公路的實(shí)際情況，本模型采用無(wú)源、只讀射頻卡，由于本身不需要電源和電池，解決了高速公路無(wú)電源問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)源射頻卡不需要維護，且使用壽命很長(cháng)，節省了大量的人力資源。車(chē)載閱讀器通過(guò)發(fā)射激活信號并從無(wú)源應答器中接收射頻信息來(lái)確定當前位置。為取得較遠的感應距離，車(chē)載閱讀器應工作在UHF 頻段內，其識別距離可以達到十幾米，足以滿(mǎn)足當前高速公路的設計要求。

　　2.1 射頻卡識別碼設置

　　將射頻卡等距設置在高速公路的隔離帶或左、右路肩處。每個(gè)無(wú)源射頻卡應具有唯一的射頻識別碼，該射頻識別碼包括高速公路的識別號碼、車(chē)道數目以及路帶標識（即表明所處位置為左右路肩或隔離帶），并依次設置順序號碼，以便能夠表征其地理位置及相應順序。此外，在ID 號碼中還可以包含高速公路的相應標號、高速公路的車(chē)道數目等編碼。具體設置如圖1 所示。 

　　圖1 射頻標識碼設置

　　2.2 數學(xué)模型

　　由于定向天線(xiàn)通信距離遠，覆蓋范圍小，目標密度大，頻率利用率高且所受干擾小，因此將閱讀器天線(xiàn)設定為定向天線(xiàn)，只能接收來(lái)自路肩或隔離帶一側的射頻信號。圖2 給出了閱讀器接收來(lái)自路肩一側射頻卡信息的模型。車(chē)道及路肩之間用實(shí)線(xiàn)隔開(kāi)，圓形代表車(chē)載閱讀器，矩形代表在路肩等距鋪設的射頻卡。設一車(chē)載閱讀器正沿著(zhù)車(chē)道2 正向行駛。

　　某一時(shí)刻，接收到來(lái)自射頻卡1,2,…，N 的信號。圖中v 表示車(chē)輛行駛速度， 1 2 , , , N θ θ ??θ 為車(chē)輛相對射頻卡1,2,…，N 的徑向方向與車(chē)輛行駛方向的夾角，m 為兩射頻卡間的距離，m1,m2,…，mN 為射頻卡1,2,…，N 同車(chē)輛行駛方向法線(xiàn)間的距離，d 為車(chē)輛到射頻卡垂直距離，dr 為車(chē)道寬度，dl 為路肩寬度， 1 2 d , d , , dN f f ?? f 為車(chē)輛相對射頻卡1,2,…，N 的多普勒頻移。 

　　圖2 數學(xué)模型 

　　根據幾何關(guān)系，可以得到： 

　　同時(shí)，在RFID 系統中，射頻卡本身不發(fā)射電磁波，只對來(lái)自閱讀器的電磁波進(jìn)行反射。因此，根據接收信號相對于發(fā)射信號的多普勒頻偏fd 關(guān)系，還可得到： 

　　聯(lián)立式（1）、式（2），可以得到2N 個(gè)方程，而未知數個(gè)數為2N+2 個(gè)。實(shí)際上，當2 個(gè)射頻卡位于車(chē)輛行駛方向法線(xiàn)兩側時(shí)，其頻偏值必然為一正一負，因此，當檢測到2 個(gè)標識碼相鄰的射頻卡p 和射頻卡p+1、fdp 和fd（p+1）符號相反時(shí)，可知有： 

　　此外，若設在閱讀器接收到第N 個(gè)射頻卡時(shí)開(kāi)始執行定位算法，則可近似認為閱讀器與射頻卡N 之間的距離為最大通信距離R,有： 

　　聯(lián)立式（1）、式（2），則可求得車(chē)輛行駛速度以及與N 個(gè)射頻卡的相對位置，進(jìn)而實(shí)現對車(chē)輛當前位置的測定。在已知量中，m、R 是系統設定的，而N 個(gè)fd 值則需要進(jìn)行實(shí)時(shí)估計。因此，對fd 估計的準確程度是實(shí)現精確定位的關(guān)鍵。

　　3 多普勒頻移fd 的估計

　　近年來(lái)，已有多種fd 估計算法被提出，如在時(shí)域中利用電平通過(guò)率進(jìn)行直接測量[3]、或采用時(shí)頻分析方法[4]、或利用一些特殊性質(zhì)如OFDM 導頻信號來(lái)估計最大多普勒頻移[5].

　　這些方法要么測量精度過(guò)低，要么運算量過(guò)大，均不適合在RFID 系統中應用。本文結合RFID 系統特點(diǎn)，采用功率譜估計的方法，在頻域實(shí)現對fd 的估計。

　　由于在車(chē)輛移動(dòng)過(guò)程中，車(chē)載閱讀器與標簽之間的相對位置是不斷變化的，因此時(shí)域采樣點(diǎn)數應盡量少，以保證fd值的相對穩定�，F代譜估計方法在短數據記錄的情況下，其性能遠遠優(yōu)于經(jīng)典譜估計方法。其中，Burg 算法不需要估計自相關(guān)函數，具有較高的譜估計質(zhì)量且計算不太復雜，是較為通用的方法，亦適合在RFID 系統中使用。

　　對將接收信號進(jìn)行下變頻并等間隔時(shí)域采樣，得到信號序列x（1）， x（2），……, x（n） .采用Burg 算法進(jìn)行譜估計，并利用反射系數公式中的遞推關(guān)系減小運算量，同時(shí)使用信息論準則法判定AR 模型階數P.

　　算法基本步驟為：

　�。�1）設定初始條件。令第0 階前向、后向預測誤差序列為時(shí)域采樣序列。

　�。�2）設定階數m=1,則得到反射系數k1 、模型參數a1（1）及最小預測誤差功率ρ1 .

　�。�3）由反射系數k 1 得到第一階前、后向預測誤差序列 e1 f （n），e1 b （n）。

　�。�4）令m = m+1,采用遞推分母DENm求出該階反射系數km 及最小預測誤差功率。

　�。�5）采用信息論準則法判定階數P.令AICm = N ln（ρm） +2m ,其中，N為數據x（n） 的長(cháng)度。當階次m由1增加時(shí)，AICm應在某一m 處達到最小值。因此， 若測得在m 階有1 AICm<AIC m-1 ,則說(shuō)明尚未達到AR 模型的正確階次。否則，轉到（7）。

　�。�6）計算m 階前、后向預測誤差序列 emf（n） 、emb（n） 及所有模型參數am （i）， i = 1,2,……,m,返回（4）。

　�。�7）當AICm ≥AIC m-1 時(shí)，說(shuō)明m-1 即為AR 模型的正確階次，至此，已求出所有階次時(shí)的AR 參數，可對AR 模型的功率譜進(jìn)行估計。

　�。�8）得到功率譜后，找到其幅值最大值所對應的頻率值，即為fd 值，算法結束。

　　算法流程如圖3 所示。 

　　圖3 Burg 算法流程 

　　4 算法求解

　　4.1 牛頓迭代法

　　將式（1）~式（4）聯(lián)立并化簡(jiǎn)，可得到如下方程： 

基于RFID的高速公路車(chē)輛測速及定位方法