基于卫星定位的新型高速公路通行卡结构设计及原理∗

桂岚，黄炎，谭峰

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004；2.湖南省高速公路管理局监控中心，湖南长沙 410001）



基于卫星定位的新型高速公路通行卡
结构设计及原理∗

桂岚1，黄炎1，谭峰2

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004；2.湖南省高速公路管理局监控中心，湖南长沙 410001）

摘要：高速公路的发展给人们的出行带来了快捷和方便，但也带来了与收费相关的一系列问题，如停车收费造成的入口堵塞、按最短路径收费造成的分配不均等。文中提出将卫星定位技术引入高速公路复合式通行卡的方案，首先对新通行卡的结构进行设计，其次对适用于高速公路车辆行驶路径的识别算法及通行卡的关键设备选型进行研究。运用该通行卡实现对车辆行驶轨迹的跟踪与记录，解决按实际路径收费的问题。

关键词：高速公路；通行卡；卫星定位技术；路径识别

随着中国高速公路的全面发展，高速公路网变得密而庞大。行车路线也开始不仅局限于一种方式，而是有多条路线可选，由此产生了高速公路行驶路径多义性的问题，需对车辆行驶路径进行跟踪和识别加以解决。解决方式主要有两种：一种是通过技术手段在行车和收费的过程中精确识别车辆行驶路径，解决收费和拆分的问题，如射频复合式卡。这种方式是通过对高速公路收费使用的通行卡进行技术创新改造，再在高速公路交叉口建立射频信号发射站，通过记录车辆经过的交叉口来判定其实际行驶路径。另一种方式是直接以起、终点之间的最短路径收费，通过相应的路径选择分配方式对车辆的通行费进行拆分。这种方式为目前的主流方式，全国29个省市区建立的电子不停车收费系统ETC专用车道采用的就是这种计费方式。总而言之，目前采用的方式不管是在精度上还是在操作性上都受到现有技术条件的制约和高速公路联网收费运营管理模式的限制，使高速公路收费管理的成本效益较低。针对以上问题，该文将基于卫星定位的路径识别技术引入高速公路通行卡。

1　通行卡工作状态模拟

基于卫星定位路径识别技术的高速公路通行卡的结构如图1所示，所包含的主要电子器件有双界面CPU卡、充电锂电池、卫星定位模块、CPU模块和充电线圈。

图1　基于卫星定位路径识别技术的高速公路通行卡结构示意图

车辆在进入高速公路收费站入口时，通过自助发卡或人工发卡的方式得到一张记录了车辆信息的通行卡，这张卡在休眠状态下通过贴近于非接触式IC卡读写器时，磁场感应器将磁信号转换成电信号，激活卡内的CPU模块后，通行卡开启工作模式，CPU模块控制双界面CPU卡将车辆信息写入存储器中。通行卡内的信息主要有车牌号、车型大小、入口坐标、入口地点名称和发卡时间等，这些信息将作为车辆行驶路径的起点信息。车辆在高速公路上进入正常行驶状态时，CPU模块会定时开启与切断充电锂电池与双界面CPU卡及卫星定位模块之间的电流，使新卡保持在低能耗状态，以确保其工作时间。在切断电源期间，通行卡保持休眠状态，而在电源开启期间，卫星定位模块进入工作状态，获取当前的车辆地理定位信息（经纬度），并将该信息记录在双界面CPU卡的存储器中。完成一次定位信息记录后，通行卡立即进入下一轮的休眠状态。休眠时间依据高速公路网的最短边长里程与高速公路最快设计速度120 km/h得到，一般情况下不小于5 min，休眠时间一到重启电源进入新一轮的工作状态。如此循环，直到进入高速公路出口收费站，收费员将卡贴近于非接触式IC卡读写器上，磁场感应器再次激活CPU模块，令其控制双界面CPU卡，使读写器可读取其存储器中记录的入口信息和车辆地理定位信息（经纬度），经后台收费软件与高速公路地图相匹配后得出车辆的最终行驶路径。后台收费软件根据路径信息收取相应路费，并根据驶过的高速公路所属投资主体不同进行路费拆分。通行卡被收入后，进入休眠状态，并对其进行无线充电。

2　通行卡路径匹配算法

由于通行卡的使用范围仅限于高速公路，而车辆的行驶路径是由一条或多条高速公路的路段组合而成，需确定车辆通过的高速公路路段。综合高速公路路段长、互通转向角大、路网间距较大的特点，选用直接投影算法判断车辆行驶路径。投影法原理是将车辆当前行驶的定位数据投影到离定位位置最近的一条高速公路路段上，再将该路段上的投影点坐标匹配到车辆当前位置，以判断该路段为车辆所行驶路段。图2为直接投影法原理示意图。

图2　直接投影法原理示意图

将P点分别向L1和L2做投影，得到当前位置与路段间的投影距离ri及车辆行驶方向与道路间的夹角θi，以符合这两项值小于阈值为条件的所有路段为预选路段，从中分别计算预选路段距离度量值λi：

计算出所有预选路段的距离度量值，选择其中最小值的路段作为车辆当前的行驶路段。

直接投影法的特点主要在于过程简便、计算迅速及占用内存小，在车辆通过收费站时能实时结算，满足实用要求，且车辆在行驶方向上的径向分量可用于提高车辆路径识别的精度。

基于投影法的路径匹配算法流程（见图3）为：1）收集卫星定位数据。将卫星定位接收器收到的卫星信号读取至后台收费系统，这些信息主要有时间、经纬度、高度、速度、方向等。2）判断定位数据是否有效，若无效，则根据历史定位数据进行推测。3）判断定位数据是否处于停止状态，若是，则保留一次有效数据，剔除重复定位数据。4）如果在一定阈值内搜索道路数＜1，表明定位数据误差太大，则根据历史定位数据进行推测。5）如果在一定阈值内搜索的道路数=1，表明车辆在道路上，直接投影，把该道路作为车辆行驶的当前道路。6）如果在一定阈值内搜索到的道路数＞1，表明附近有多条预选路段，计算预选道路距离度量值，选出当前行驶路段。7）匹配结束。

图3　投影地图匹配的算法流程

3　新卡关键设备选型

3.1电池

充电电池采用超薄聚合物锂电池，其厚度不到1 mm，犹如纸张一样薄，循环寿命长，自耗电低，且能经受过充、过放、短路、针刺、热冲击、重物撞击，不着火，不爆炸。

由于通行卡的体积限制，电池容量不可能很大，必须在电路设计及固化程序上采取措施。首先集成电路采用低功耗的芯片，其次加入电源管理模块及磁场感应器，使通行卡在大部分时间内处于休眠状态。通行卡在休眠状态下的整体功耗小于300μA。通行卡在发出前及回收后均处于低功耗的休眠状态，通行卡发出后跟随车辆在高速公路上行驶的过程中，没有必要全程启动卫星定位检测记录地理位置信息，程序每7～8 min唤醒工作一次，每次工作时间不超过500 ms，其余时间均处于休眠状态，这样充一次电可维持车辆在高速公路行驶时通行卡工作所需时间。

3.2卫星定位模块

卫星定位技术能提供全天候的定位、授时、测速功能，已被广泛应用于航空、航天、航海、测量和勘探等领域。随着数字大规模集成电路的发展，其尺寸愈来愈小，而人们对于定位功能的需求也愈来愈大，电子技术开发商们适时地将卫星定位技术嵌入日常生活所用的移动终端与电子产品中。卫星定位技术的优劣很大程度上取决于芯片技术的好坏，卫星定位产品未来的发展方向与技术指标也直接受到卫星定位芯片技术发展的影响。在目前的芯片市场上，占主要份额的除中国北斗芯片外，还有几家国外大型生产厂商（包括Sirf、Garmin、U-blox、摩托罗拉、索尼、nxp等）的产品，其中瑞士U-blox公司的卫星定位芯片在欧洲主攻车载定位系统市场，也是U-blox的传统优势市场，奔驰、宝马、法拉利、保时捷、奥迪、富豪等豪华车大都采用U-blox的芯片。U-blox新推出的CAM-M8Q天线模组在仅（9.6 ×14.0×1.95）mm的精巧封装尺寸中整合了U -blox M8卫星接收器IC、SAW滤波器、LNA、TCXO、RTC、被动元件及预先调校的GNSS晶片天线，只需提供电源，便可立即拥有单机式的全球定位功能。CAM-M8Q表面粘着模组结合了低功耗、高灵敏度、优异抗干扰性及支援同步GNSS运作（GPS/GLONASS、GPS/北斗、或GLONASS/北斗）等重要特性，是真正的随插即用解决方案，可在全球任何一个角落提供可靠与精准的卫星定位信息。因此，新型高速公路通行卡选用CAM-M8Q模块作为卫星定位模块。

3.3双界面CPU卡

目前，中国高速公路人工收费车道均使用非接触式IC卡作为通行卡。非接触式IC卡是非接触式逻辑加密卡，它遵循标准协议ISO 14443A，存储容量为8 kb，有16个分区，每个分区2组密码，工作频率为13.56 MHz。ETC车道车载OBU里用的是双界面CPU卡。双界面CPU卡是一种同时支持接触式与非接触式两种通讯方式的CPU卡，接触接口和非接触接口共用一个CPU进行控制，接触模式和非接触模式自动选择。它一方面具备接触式CPU卡的功能，具有安全性高、数据传输稳定、存储容量大等特点；另一方面具备非接触式CPU卡的功能，具有传输速度快、交易时间短（一般不超过100 ms）等特点，同时支持ISO/IEC 7816和ISO/ IEC 14443技术标准，符合《中国金融集成电路IC卡规范》。

基于卫星定位路径识别技术的高速公路通行卡既要接收卫星定位模块采集的地理信息坐标，又要兼容收费岗亭原有的非接触式IC卡读写器，故采用双界面CPU卡。其接触部分符合ISO 7816和《中国金融集成电路IC卡规范》的要求，非接触部分符合ISO 14443规范中TYPE A类标准。这样高速公路收费系统原有的非接触式IC卡读写器无须更换，收费系统的认证机制也无须修改，新的通行卡与现有系统高度兼容。

4　结语

车辆行驶路径的精确识别与路费拆分问题是随着高速公路联网收费的升级而面临的新问题。该文提出以卫星定位为技术核心的高速公路通行卡设计方案，力图实现车辆在高速公路上行驶路径的精确识别，在技术上不仅具有可行性，在经济上也具有合理性。

方案在实施过程中所涉及到的关键技术与难点都以不同的方式广泛应用于各个领域，希望这些新的应用方式与思路能为提高高速公路联网收费的整体效益起到促进作用。

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式中：ωr和ωθ分别为距离和方向夹角的权值。

中图分类号：U495

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0262-03

基金项目：∗湖南省交通科技项目（201346）

收稿日期：2015-11-26