高速公路ETC相邻车道中天线的实际应用

郭亚喆

(山西欣奥特自动化工程有限公司,山西 太原030012)

随着科技的不断发展和人们日益增长的服务需求,如何能够更加快捷、迅速的通过高速公路收费站,从而进入和驶离高速公路,也是现代技术不断发展的必然需求。ETC电子不停车收费技术的出现和移动支付的迅猛发展,更是带动了整个产业的技术变革,将高速公路通行费收取模式由传统的人工现金收费模式推进到ETC无感支付模式,对整个高速公路行业也是一个不小的挑战[1]。

1 系统的构成及工作原理

ETC不停车收费系统由3个部分构成:ETC卡、车载电子标签OBU、路侧单元RSU(即路侧单元:Road-Side Units,简称RSU)。其中车主需要持有的是ETC卡和OBU设备,ETC卡和普通的银行卡大小一致,只不过为了便于插入OBU设备中,是一张完全的“平面卡”。OBU设备的大小和一般卷烟盒相似,但要比卷烟盒略大略薄一些,是安装在车里的前挡风玻璃处且大多是通过太阳能方式供电的。

当车辆通过高速公路ETC车道时,插在OBU设备中的ETC卡被车道内的RSU天线感应到,自动记录车辆信息并扣除相应通行费。同时,安装在该车道旁的高速自动栏杆机自动抬杆,车辆即可顺利通行。正常情况下,车辆在不找零的情况下通过人工车道一般需要15 s左右的时间,大货车则需要更长的时间。而在安装了ETC系统的车道内车辆通行的时间将提升至5倍以上,大大的提高了车辆通行效率,同时也优化了高速公路管理方的人工成本。

图1 ETC设备原理示意图

2 现场实际存在的问题及解决原理

本文主要探讨的是从ETC电子不停车收费技术中如何抑制相邻车道干扰和跟车干扰时的天线设计,重点考虑现场安装的技术问题。

首先,现场天线将采用微带阵列天线形式,阵列单元为微带贴片天线,其具有体积小、辐射方向的可控性强和易于实现圆极化等优点,通过计算分析和试验验证,能很好的抑制邻道干扰和跟车干扰,同时也保证了设备在规定的通讯范围内正常通信。

其次,天线的水平面半功率波束宽度和垂直面半功率波束宽度是天线的重要指标,这两个指标将直接关系到ETC主用车道是否能克服相邻车道的干扰和跟车干扰问题。

天线半功率波束示意图如图2所示。

图2 天线半功率波束宽度示意图

天线的水平面半功率波束宽度影响的是天线照射路面的宽度,而垂直面半功率波束宽度影响的是天线照射路面的长度。将水平面半功率波束宽度设为α,垂直面半功率波束宽度设为β。在同样环境的条件下,当α越大时,天线照射路面的宽度越宽,同理,当β越大时,天线照射路面的长度也越长。

RSU天线则采用右旋圆极化,使用这种方式的优点是可以减小天线在工作中受其它极化波形的干扰。因此,在天线设计过程中,我们可通过馈电、改变天线形状(矩形贴片截去边角)等方法来实现圆极化。

同时,在现场的实际应用中,RSU的微波电路需要天线增益比较大、方向比较窄、带宽比较大。而单个的天线单元增益小、带宽窄、波束比较宽,因此在现场安装的设计中采用微带天线阵的方法来实现大增益、宽带宽、窄波束、低旁瓣。在施工中选用的RSU天线至少采用20个矩形单元的天线阵,这样增益、带宽才可符合要求,且波束及旁瓣更窄更好,能够很好的解决邻道干扰和跟车干扰问题。

RSU发射功率也可通过软件进行31档调节,功率最大可调至国标要求的33 dBm。RSU安装时的水平和垂直角度可以在0～180°的范围内自由调节,且有标尺显示,适用于各种现场条件下的安装需求,安装更加方便、灵活。

为了有效防止邻道干扰问题,在天线照射路面的长度一定的情况下,天线照射路面的宽度须小于等于车道的宽度(如图3所示),要实现这个目标,必须保证α要比β小很多,经计算可知,β至少是α的1.5倍以上。如果α比β的值没有达到1:1.5的关系,就有可能造成邻道干扰问题(如图4所示)。

而且,邻道干扰和跟车干扰也与现场天线的安装角度有很大的关系(如图5所示)。

图5 RSU现场安装角度示意图

当天线与水平面夹角越大,在天线发射功率一定的条件下,天线照射车道宽度H越大,天线照射车道长度就越大;当天线与水平面夹角越小,在天线发射功率一定的条件下,天线照射车道宽度H越小,天线照射车道长度也就越小。但是通过调整天线与水平面夹角对防止邻道干扰的作用有限,因为减小天线与水平面夹角,虽然会使H变小,但是L也相应减小,有可能会造成车辆通行的有效感应区域过小,影响路面车辆通车的效果。

RSU发射功率也是影响邻道干扰和跟车干扰的重要因素之一,因为功率增大可导致H和L也相应增大,功率减小可导致H和L减小,但为了解决邻道干扰问题不能只依靠功率减小的方法实现,因为功率减小到一定程度可导致L过小,影响通车效果。因此,必须使RSU保持合理的发射功率范围内。

天线的水平面半功率波束宽度、垂直面半功率波束宽度、天线的安装角度、天线的发射功率都是影响相邻车道干扰和跟车干扰问题的重要因素,因此,必须同时调节这3个因素才能有效的达到防邻道和防跟车干扰的效果。

RSU的天线在设计完成后,半功率波束宽度已经固定。在现场安装RSU时,需先将RSU的安装角度暂时设定为一固定值(如50°),这时通过软件来调整RSU的发射功率,使L略大于应用要求(如5 m),使H略大于应用要求(如3.3 m),这时减小RSU安装角度,使H和L同时缩小至应用要求(如H=7 m,L=3 m)范围内。

3 ETC车道系统防跟车干扰方案

由前面关于RSU天线设计方案可看出RSU的天线半功率波束垂直方向的宽度、角度为25°～27°,可以保证现场的通讯范围收缩,RSU通讯区域长度可以控制在4～9 m,在本方案中,RSU通讯区域长度设置在5 m。

从以上理论得出:当线圈1检测到信号表示有汽车进入通信区域,开始计时,汽车长度最短为4 m。

如果前、后两辆汽车无意紧密跟车,则前车车速以大于15 km/h前进,后方汽车与前车保持的距离大于1 m。

如果前、后两辆汽车有意紧密跟车,则,前车须缓慢行驶,车速一般在15 km/h以下,前面汽车从线圈1位置行驶至线圈2位置需要的时间为1 200 ms。1 200 ms为极限时间,当线圈1有信号时,开始计时,在线圈2一直无信号的前提下,超过1 200 ms,则车道系统发出报警,表示前车无OBU,即使与后车OBU交易成功,则须先人工处理完前车数据后才可对后方车辆进行放行。

针对跟车干扰问题,可能会有以下五种情况出现:

1) 前车无OBU,后车有OBU且有IC卡

当前车经过线圈1时,车道PC和RSU进入工作状态,车道系统开始计时,在线圈2有信号,或者计时时间超过1 200 ms,如果还未有ETC交易,则车道系统报警,须先人工处理完前面车辆,才可对后面交易成功的车辆进行放行。

2) 前车有OBU但未插入IC卡,后车有OBU且有IC卡

当前车经过线圈1时,车道PC和RSU进入工作状态,车道系统开始计时,RSU与前面的OBU进行通讯,但由于无IC卡,车道系统报警,须人工处理完前面车辆,才可对后面交易成功的车辆进行放行。

3) 前车有OBU且有IC卡,后车有OBU且未插入IC卡

当前车经过线圈1时,车道PC和RSU进入工作状态,车道系统开始计时,RSU与前面OBU进行ETC交易,交易完成后对前面车辆放行,由于后面车辆有OBU但未插入IC卡,车道系统报警,须人工处理后面车辆数据,否则不予放行。

4) 前车有OBU且有IC卡,后车无OBU

当前车经过线圈1时,车道PC和RSU进入过工作状态,车道系统开始计时,RSU与前面OBU进行ETC交易,交易完成后对前面车辆放行,由于后面车辆无OBU,在车辆经过线圈2时,车道系统报警,须人工处理后面车辆的数据。

5) 前车有OBU且有IC卡,后车有OBU且有IC卡

当前车经过线圈1时,车道PC和RSU进入工作状态,车道系统开始计时,RSU首先与前车OBU进行ETC交易,交易完成后对前面车辆放行。然后,当后面车辆经过线圈1时,车道PC和RSU进入工作状态,RSU与后车OBU进行交易,交易完成后对后车进行放行。

4 结束语

通过以上方案的描述,且现场做好严格执行施工技术规范,基本可以处理现场邻道干扰和跟车干扰所出现的问题。同时,在科技飞速发展的今天,ETC车道系统作为现代智慧交通的重要设备,彰显我国高速公路服务质量和行业技术的技术高度。随着技术革命的不断更新迭代,希望在未来有更先进、更智能的设备和方案对目前所存在的问题予以完善和提高[2]。