一种基于卫星导航的机动车防撞预警方法及系统

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一种基于卫星导航的机动车防撞预警方法及系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机动车防撞技术，具体是一种基于卫星导航的机动车防撞预警方法及系统。\n背景技术\n[0002] 随着我国经济的快速发展，国民生活水平迅速提高，汽车成为改善家庭生活的必需品之一。2010年中国汽车产业发展国际论坛上，工信部预计在2020年前的10年时间内，中国将新增汽车保有量超过1.3亿，总数将超过2亿。汽车为人民生活带来便利的同时，交通事故却成为幸福生活道路上的大陷阱，每年有数以万计的生命因交通事故而烟消玉陨，无数个家庭因为交通事故而变得支离破碎。大量交通事故数据表明，80％以上车祸是由于驾驶员操作失误引起的，65％的车辆相撞是追尾事故，其余属于侧面或者正面相撞。相关数据表明，如果驾驶员能够提前1秒意识到潜在危险，做出正确的操作，则90％的追尾事故和60％的碰撞都可以有效避免。\n[0003] 行车安全已经成为全社会广泛关注的问题，全球各大汽车厂商也投入巨资对汽车防撞技术进行研究，目前汽车防撞技术的主流方向是研发各类汽车防撞雷达，但防撞雷达成本高、测量精度偏低、作用距离有限，难以实现远距离、全方位防撞预警。\n[0004] 随着卫星导航技术的发展，尤其是我国北斗导航系统的成熟，车载卫星导航逐步产业化，导航设备成本不断降低，导航精度却不断提高，采用差分定位技术，相对位置精度可达到厘米级，完全满足机动车防撞所需的测量精度要求，再加上车载卫星导航设备已逐渐普及，使得基于卫星导航的机动车防撞预警技术具备了充分的可行性。\n[0005] CN201310180483.3公开了一种基于卫星定位的汽车防撞系统，包括数个汽车子安全系统，汽车子安全系统包括电源模块、控制模块、以及分别与控制模块相连接的碰撞传感器、卫星定位模块、射频模块、信息输出装置；其中，电源模块为各模块进行供电。控制模块通过实时工作的卫星定位模块,获取此时该汽车子安全系统的位置，并将该位置信息与碰撞信息经射频模块以广播信号的方式向外发送。但此专利只是将各汽车卫星定位模块获得的本车位置信息广播出去，而目前民用卫星定位模块所能获得的定位精度为5-10米，军用级卫星定位模块能够达到的定位精度约为2米，基于这样的位置精度所能发挥的防撞作用非常有限，当车辆处于高速行驶过程中，再加上驾驶员采取行动的反应时间，仅利用当前位置信息来判断两车是否有相撞危险也不尽合理。\n发明内容\n[0006] 针对现有技术中的防撞预警存在的上述技术问题，本发明公开了一种基于卫星导航的机动车防撞预警方法及系统。\n[0007] 本发明的技术方案如下：\n[0008] 本发明提供了一种基于卫星导航的机动车防撞预警方法，其具体包括以下步骤：\n步骤一、机动车上的卫星导航天线接收卫星导航信号，卫星导航模块再将提取到的卫星导航电文及原始测量数据发送给本车的处理单元；步骤二、本车的处理单元将本车的导航电文、原始测量数据、车辆特征及车辆身份信息发送给无线通信模块，通过无线通信模块向外发射本车导航电文；步骤三、无线通信模块同时接收其它机动车发射的导航电文、原始测量数据、车辆特征及车辆身份信息，并将接收到的导航电文发和原始测量数据送至本机处理单元；步骤四、本机处理单元根据本车及其它车辆的导航电文、原始测量数据构建差分测量方程并求解，得到机动车之间的相对位置及相对速度，同时对下一时刻的相对位置进行预测，根据预测位置及车辆长度和宽度等特征信息判断是否将会发生碰撞，从而提前感知出可能出现的碰撞风险，提醒驾驶员采取措施，避免碰撞发生。\n[0009] 更进一步地，上述得到机动车之间的相对位置及相对速度的方法为求解差分测量方程。目前卫星导航设备所能够获取的位置精度为5-10米，假设车辆在市区行驶速度为\n40km/h，对应车辆每秒钟行驶11.1m，高速路上行驶速度为100km/h，对应车辆每秒钟行驶\n27.8m，再加上驾驶人员的反应时间，仅利用导航设备所给出的车辆位置信息是无法满足防撞要求的。基于卫星导航设备的导航电文及原始测量数据，由处理单元构建差分测量方程并求解，可以获取车辆间高精度相对位置及速度信息，车辆间相对位置精度可达到5cm，相对速度精度可达到0.5cm/s，再利用速度信息预测下一时刻两车的相对位置。\n[0010] 上述方法还包括，在根据差分定位获得机动车间的相对位置及速度，再预测两车经T秒后的相对位置，从而可以提前T秒感知碰撞风险。\n[0011] 上述方法还包括，若两车的车身边界预测位置之间的距离小于车辆间的最小防撞安全距离d，则发出碰撞告警，提醒驾驶员采取紧急措施，避免碰撞发生。\n[0012] 上述方法还包括，将周围机动车的相对位置、危险告警信息发送至显示单元，显示单元以不同方式显示车辆信息，提示驾驶员危险车辆所处位置，方便驾驶员根据情况采取紧急措施。\n[0013] 上述方法还包括，将车辆特征信息、车辆身份信息同时通过无线通信模块向外发送。\n[0014] 本发明还公开了一种基于卫星导航的机动车防撞预警系统，其具体包括安装在机动车上卫星导航天线、卫星导航模块，处理单元和无线通信模块，所述卫星导航天线用于接收卫星导航信号，卫星导航模块用于将提取到的卫星导航电文及原始测量数据发送给本车的处理单元；所述处理单元用于将本车的导航电文发、原始测量数据、车辆特征、车辆身份信息送给无线通信模块，无线通信模块向外发射本车导航电文、原始测量数据、车辆特征、车辆身份信息；无线通信模块同时接收其它机动车发射的导航电文、原始测量数据、车辆特征、车辆身份等信息，并将接收到的信息发送至本机处理单元；本机处理单元根据本车及其它车辆的导航电文、原始测量数据构建差分测量方程并求解，同时对下一时刻的相对位置进行预测，根据预测位置及车辆长度和宽度信息判断是否将会发生碰撞，从而提前感知出可能出现的碰撞风险，提醒驾驶员采取措施，避免碰撞发生。\n[0015] 通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：本发明结合本车及周围车辆的导航电文构建差分测量方程，完成动态差分定位，提取周围车辆的相对位置与相对速度，利用车辆间相对位置及相对速度，对周围车辆下一时刻的位置进行预测，根据防撞决策机制做出碰撞预判，一旦检测到防撞风就触发防撞告警，提醒驾驶员危险车辆所处位置，便于驾驶员采取紧急措施。采用此技术方案，可以提供非常准确的车辆间相对位置及相对速度，同时对下一时刻的相对位置进行预测，提前感知碰撞风险，便于驾驶员提前采取措施，预警准确率高，使用方便，具有重要的社会价值及极高的经济效益。同时，当机动车出现紧急状况(停车、故障、危险、劫持等)，处理单元可触发紧急状况模式，并通过无线通信模块向外发射。显示单元完成周围车辆位置、车辆特征、紧急状况及防撞告警等信息的显示，便于驾驶员提前根据情况采取应对措施。\n[0016] 本发明是基于卫星导航模块获得的原始导航电文，通过车辆间交换导航电文及原始测量数据，利用处理单元完成差分定位，提取车辆间高精度相对位置及速度，两车间的相对位置精度可以达到5cm，相对速度精度可以达到0.5cm/s，基于当前高精度位置及速度信息，对下一时刻两车间位置进行预测，再结合车辆长度、宽度等车辆特征信息，根据两车间边界距离来判断是否存在相撞风险。采取差分定位技术能够获取高精度相对位置和速度信息，同时利用当前位置和速度信息对下一时刻的两车的相对位置进行精确预测，能够提前感知碰撞风险，提前预警，让驾驶员有足够时间采取措施避免相撞，从而实现防撞。\n附图说明\n[0017] 图1为防撞预警设备原理图。\n[0018] 图2为机动车车体坐标示意图。\n[0019] 图3为在同一地面区域内车体坐标平面示意图。\n[0020] 图4为在同一地面区域内机动车安全预警示意图。\n[0021] 图5为防撞预警处理流程。\n[0022] 图6为机动车防撞预警系统结构图。\n具体实施方式\n[0023] 下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。\n[0024] 本发明公开了一种基于卫星导航的机动车防撞预警方法，该方法基于机动车所接收的卫星导航信号，利用无线通信网络完成车辆间导航电文、原始测量数据、车辆特征、车辆身份信息的交换，基于导航电文、原始测量数据，由处理单元完成车辆间相对位置与相对速度的高精度解算，并对周围机动车下一时刻的相对位置进行预测，适时做出防撞决策，显示单元完成相关信息的显示。\n[0025] 所述基于卫星导航的机动车防撞预警的基本组成单元为防撞预警设备，其组成原理图如图1所示，主要包括卫星导航天线、卫星导航模块、无线收发天线、无线通信模块、处理单元及显示单元。具体实施步骤如下：\n[0026] 1.车载卫星导航模块将本车所接收的卫星导航电文和原始测量数据发送至处理单元；导航电文中包括完整卫星星历数据，含星历参考时间、卫星轨道长半径、轨道偏心率、轨道倾角等，卫星星历数据用于计算卫星位置及运动速度，原始测量数据包括伪距、伪距变化率、相位及多普勒测量值等。利用卫星位置、运动速度和原始测量数据构建差分测量方程，求解差分测量方程获得车辆间的相对位置及相对速度；\n[0027] 2.处理单元将本车的卫星导航电文、原始测量数据、车辆特征信息、车辆身份信息等通过无线通信模块向外发送；车辆特征信息包括车辆长度、宽度及高度等，车辆身份信息包括车架号、车牌号等；\n[0028] 3.处理单元同步接收本车导航电文、原始测量数据及来自无线通信模块的其它车辆的原始测量数据、车辆特征信息、车辆身份信息等；\n[0029] 4.处理单元对结合本车测量数据和其它车辆的测量数据，构建差分测量方程，获取车辆间的相对位置与速度，并对车辆间下一时刻的相对位置进行预测，结合车辆特征信息，计算两车边界的最小距离，判断是否触发防撞告警，基本处理流程见图5。具体实施步骤为：\n[0030] (1)按照图2所示以车体左前角为坐标原点O，以左前角与右前角的连线为X轴正方向，以左前角与左后角的连线为Y轴的正方向，以原点O为起点，垂直于XOY平面且向上方向为Z轴建立本车的车体坐标系；在各自车体坐标系下，机动车A0与A1的导航天线中心所在位置为分别为R0(x0,y0,z0)和R1(x1,y1,z1)。\n[0031] (2)以本机动车A0为参考，基于本车导航电文、本车测量数据以及接收到的其它机动车A1的测量数据，机动车Ai(i＝0,1)在t时刻关于第m颗卫星Sm的伪距测量方程表示为：\n[0032]\n[0033] 其中ρim为机动车Ai对卫星Sm的伪距测量值，λ为卫星信号波长， 为机动车Ai对卫星Sm的相位测量值，rim为机动车Ai到卫星Sm的几何距离，c为电磁波传播速度，δtui为机动车Ai上卫星导航模块的接收机钟差，δtsm为卫星Sm的时钟差，△Iim为电离层传播误差，△Tim为对流层传播误差，ε为未知的伪距测量误差。\n[0034] (3)提取共视卫星的相位差测量值，按照(2)式构建差分测量方程为：\n[0035]\n[0036] 其中 为相位差分测量值，λ为卫星信号波长， 分别表示在t时刻机动车A1和A0的共视卫星Sm对应的相位测量数据， 表示第n颗共视卫星Sn对应的相位测量数据，ε为测量误差。\n[0037] (4)设在t时刻机动车A1和A0有(M+1)颗卫星的公共测量值，对\n[0038] 测量方程线性化后的测量方程组为：\n[0039]\n[0040] 其中 为相位差分测量值， 为机动车A0与卫星Sm连线向量在X轴方向上的分量，同理 为X轴方向上的分量， 为Z轴方向上的分量。差分测量方程(3)式用矩阵表示为：\n[0041] y＝B·X-A·N   (4)\n[0042] (5)差分测量方程的最小二乘解为：\n[0043]\n[0044] 其中y为M×1的测量向量，X为3×1的未知基线向量，N为模糊向量，B为M×3的基线坐标设计矩阵，A为双差模糊项设计矩阵。通过求解方程组(5)即可求得机动车A1与A0的相对位置坐标为X＝[x,y,z]T。\n[0045] (6)对伪距测量方程(1)求微分，则机动车A0，A1与卫星Sm对应的伪距变化率测量方程为：\n[0046]\n[0047] 其中 为伪距变化率，单位向量 表示机动车Ai在\nX，Y，Z方向上的速度分量， 表示卫星Sm在X，Y，Z方向上的速度分量， 为导航模块接收机钟差变化率， 为卫星钟差变化率。\n[0048] (7)联合多颗卫星测量值，可得关于机动车A0的速度方程为：\n[0049]\n[0050] 根据方程(7)可求得机动车A0的速度V0。\n[0051] (8)根据式(6)可得相对速度方程为：\n[0052]\n[0053] 其中 结合速度V0，求解方程(8)可获\n得机动车A1与A0的相对速度\n[0054] (9)设k时刻机动车A1与A0的相对运动状态为\n[0055] 对(k+1)时刻的状态 进行预测：\n[0056]\n[0057] 其中F为状态转移矩阵：\n[0058]\n[0059] 式(10)中T为(k+1)时刻与k时刻的时间间隔。由于采用差分定位技术，可以有效消除导航设备接收机钟差、卫星钟差、星历误差及折射误差等多种误差因素，可以获得高精度的车辆间相对位置及相对速度信息，对下一时刻车辆位置的预测精度可以达到厘米级。\n[0060] (10)根据预测位置计算A1与A0边界点的距离，记rmin为两车边界点的最小距离，若rmin