基于相控阵技术的多目标定位门架天线设计
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第 ４７卷 第 ２期 ２０２１年 ６月
湖南交通科技
ＨＵＮＡＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章编号：１００８?８４４Ｘ（２０２１）０２?００２５?０４
Ｖｏｌ．４７ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．，２０２１
基于相控阵技术的多目标定位门架天线设计
李 异，傅 达
（湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 ４１００１５）
１ 总 体 方 案
门架天线主要由室外路侧天线和室内路侧控制 器 ２部分组成。路侧天线包含微带阵列天线、微波 收发信机、相控阵处理模块、电源模块等 （见图 １），信号数据通过调制 ／解调，以 ＤＳＲＣ的方式与
3.3 V 5V
DSRC
3.3 V A/D ARM
图 １ 路侧天线原理图
收稿日期：２０２１?０３?２２ 作者简介：李 异（１９８１—），男，工程师，从事高速公路机电工程研究。
使用该模型，并结合该省的高速公路实际通行 ９９０３％ ～９９６０％；ＣＰＣ总体匹配率：９３６６％ ～
数据，即可测算文中所述系统对于该省高速公路收 ９６２２％；车辆图片捕获率：９９６９％ ～９９８４％。
费系统的经济效益。
５ 应 用 案 例
６ 结 语
全国高速公路取消省界站项目意义重大， “一
门架计数型系统现已在北京大规模实施落地， 张网” 时代后，高速路网通行效率得到了大幅提
波通信的无序性、车辆 ＯＢＵ安装位置差异、电子
标签受不同厂家性能之间差异影响等问题。对此，
需要在源头上对前端设备进行优化升级，使其能够
做到正确识别车辆及确切定位，从根源上对跟车干
扰、邻道干扰等进行优化处理。
拆除省界站后的多车道实行自由流收费方式，
收费站进行物理拆除后不设车道栏杆，多车道之间
并行通行没有隔离，因此可有效提高车辆通行效
２８
湖南交通科技
４７卷
稳定可靠。
异的异常处理能力和可靠的交易成功率，可给路段
４ 结 语
管理单位和司乘人员带来了极大便利，提升了广大 车主的使用体验，经济社会效益显著。
设计了一种基于相控阵技术的多目标天线，新
增定位处理模块支持通过 ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ数字信号处 理，多通道并行全区域实时扫描，采用 Ｃａｐｏｎ波束 形成算法使接收天线波束在通信覆盖区域内具有精 确指向，实现多目标同时定位和交易；以满足高速 公路拆除省界站后，多车道自由流通行的 ＥＴＣ收 费需求，缓解收费拥堵，提高通行效率。该产品优
参考文献：
［１］李院平 Ｃｏｐｏｎ法与 ＭＵＳＩＣ法求解七单元线形天线波阵达方向 比较研究［Ｊ］激光杂志，２０１４，３５（２）：２４－２５．
［２］ 陈杰，尹应增 天线阵微波和数字波束形成的联合结构与算法 ［Ｊ］微波学报，２０１１，２７（４）：２６－３１．
［３］ 孔祥国 高速公路 ＥＴＣ系统相控阵天线设计［Ｄ］济南：山东 大学，２０１５．
图 ３ 相控阵 ＥＴＣ多目标定位系统
重、移相处理，ＦＰＧＡ的乘除法器等计算硬核和软 核，按照配置进行大量复数运算形成波束；ＤＳＰ处 理器按照实际应用条件选择波束形成配置参数，通 过配置 ＦＰＧＡ参数重构天线波束形成。
２期
李 异，等：基于相控阵技术的多目标定位门架天线设计
２７
３ 关 键 技 术
３１ 相控阵天线技术 均匀线阵是相邻阵列单元间距相等、单元成直
天线工作机制
图 ２ 路侧控制器原理图
表 １ 门架天线与收费站 ＥＴＣ天线区别
门架天线
最大速度 １５０ｋｍ／ｈ 计费信息累加机制
覆盖多个车道 存在同一时间与多个 ＥＴＣ车辆通讯交易
多个天线协同工作
收费站 ＥＴＣ天线
最大速度 ３０ｋｍ／ｈ 入口标记，出口扣费机制
覆盖单个车道 同一时间只与单个 ＥＴＣ车辆通讯交易
２６
湖南交通科技
４７卷
ＯＢＵ进行数据交换、采集，同时更新 ＩＣ卡内的数 据，相控阵处理模块对 ＯＢＵ返回的数据，通过一系 列复杂的算法，可以精确计算出 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡的位 置。路侧控制器通过控制路侧天线，及时处理收发
数据信息，同时通过通信电缆及接口与计算机进行 实时通讯，用来实现数据的实时交换 （见图 ２）。
櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧
（上接第 １５页）
以 ２０２０年 ９月份上述门架典型工况下的数据
高；Ｐ表征全路网的可达道路复杂程度，复杂程度 记录为样本，统计系统运行效率：车辆计数准确
越高，Ｐ值越高。
率： ９９５８％ ～ ９９８７％； ＯＢＵ 总 体 匹 配 率：
道干扰事情发生机率，确保数据在交易过程中的准 确性与安全性。 ３４ 软件无线电设计应用
将软件无 线 电 设 计 理 念 应 用 在 ＥＴＣ场 景 中， 能够进行软件更新以及扩展硬件配置，具有良好的 可扩展性、灵活的系统升级能力和应用环境适用 性。目前 ＥＴＣ系统中导致交易成功率降低的影响 因素较多，主要因素包括 ＯＢＵ产品质量差、汽车 金属膜、安装位置不合理等，导致 ＯＢＵ设备不能 正常识别。同时 ＯＢＵ经过多年使用后，设备会出 现电量低的状况，在这种情况下进行通信并交易， 电子标签产生的信号强度较低，通信质量会受到影 响，很容易出现信号不稳定以及被干扰现象；ＥＴＣ 车道同时存在的电子设备较多，具有电磁环境复杂 的特点，导致这片空域中存在各种各样电磁辐射信 号对设备通信产生干扰。为保证数据交换的成功 率，需要提高 ＲＳＵ设备的信号通信识别能力以及 抗干扰能力。所以在此采用软件无线电技术，通过 提高信号质量满足 ＯＢＵ交易成功率。该方式能够 很好地提高整个系统的交易成功率，使 ＥＴＣ车辆 能快捷完成交易、系统运行更加流畅。 ３５ 通过远程监控技术和设备自检提高系统的可
维护性 通过支持联机状态下的远程设备监视、维护、 升级及设备管理，具备 对 天 线 功 率、设 备 温 度、 ＰＣＩ卡状态等 主 要 元 件 以 及 整 个 系 统 的 自 我 检 测， 快速确定设备状态。系统可同时对多个参数进行检 测、对故障快速定位、进行异常日志记录及告警 等。设备的各种运行状态在控制器 ＬＥＤ屏上实时 显示，使工作现场人员及时了解设备的状况。完善 的远程监控技术，不仅可以通过高速内网进行远程 监控，必要时还可实现对 ＲＳＵ设备进行远程维护 升级、设备软重启、日志查询等操作，减轻维护工 作量的同时实现设备规范化管理。 ３６ 通过自动温度补偿提高系统环境适应性
单个天线独立工作
２ 门架天线硬件设计
为方便设备升级和功能的增减，相控阵 ＥＴＣ多 目标定位天线运用当前主流设计模式，即模块化、单 元化设计理念。系统整体框图见图 ３，该系统由几大 模块组成，主要为接收天线阵模块、时钟模块、本振 模块、数模转换模块、下变频模块、存储器模块、信 号处理模块、供电模块以及接口模块组成。
ＲＳＵ相控阵定位接收机包括 １０个接收通道， 接收通道与天线阵元采用一对一模式对应连接，用 于 ＯＢＵ微波信号的采集；系统信号处理模块采用 ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ架构，利用传统 ＤＢＦ算法与 ＭＵＳＩＣ算 法结合对中频数字信号进行超分辨 ＤＯＡ估计，得 到微 波 信 号 的 二 维 入 射 角， 通 过 Ｃａｐｏｎ算 法 以 ＤＯＡ信息进 行 接 收 波 束 形 成， 使 波 束 主 瓣 指 向 相 对应的目标方向，波束零点指向干扰目标方向。其 中，ＦＰＧＡ对数字化的射频通道数据进行失真、加
运用传统延迟相加 ＤＢＦ算法和 ＭＵＳＩＣ空间谱 估计算法对中频数字信号进行超分辨 ＤＯＡ估计。 当 ＥＴＣ系统环境有干扰信号存在时，单一算法定 位结果经常出现不准确现象，而采用两种定位算法 同时定位，可相互验证定位结果；当不可靠，放弃该条定位数据重新进 行定位，以保证定位的准确性和稳定性。 ３３ 通信区域精确指向
摘 要：门架天线基于相控阵技术研究多目标识别的新特性，采用 Ｃａｐｏｎ波束形成算法
使接收天线波束在通信覆盖区域内具有精确指向。基于相控阵技术的微波定位处理模块，通过
多通道并发工作模式，对全区域实时进行扫描，可对多个目标同时进行定位和交易，以满足高
速公路拆除省界站后多车辆高速通行的 ＥＴＣ收费需求，缓解收费拥堵，提高通行效率。
线排列的一维阵列天线。本项目中采用了接收相控 阵技术，接收天线分别为沿 Ｘ方向和 Ｙ方向排列 的微带阵元均匀直线阵，Ｘ、Ｙ方向阵元数量相同， 通过 Ｘ、Ｙ两个方向对车道进行二维扫描，从而确 定车辆的位置。 ３２ 多目标精确定位
在原有 ＥＴＣ系统的 ＲＳＵ内部加入基于相控阵 技术的无线跟踪定位处理模块，支持 ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ 数字信号处理，通过多通道并行工作，实现全区域 扫描，达到多目标之间同步定位和交易。具体定位 过程如下：无线定位处理模块根据接收到的车载单 元 ＯＢＵ反馈信号，由计算建立与之对应的坐标系， 相控阵天线在通行车道上的垂直投影点作为坐标系 的基准参考点，通过与基准点对比，取得 ＯＢＵ在 车道平面上的坐标位置；其定位精度高，定位延时 非常短，可确保系统交易的实时性。
由于天线安装在室外，受环境温度影响较大， 为此设计了自动温度补偿控制系统功能，当环境温 度与设备内部温度相差较大时，该系统可对设备进 行自动温补偿，使设备发射功率、接收灵敏度等主 要参数的元器件不受温度影响而发生漂移，确保 ＤＳＲＣ微波天线的各项性能指标稳定，不因外界环 境温度的变化而对设备精度产生影响，使设备更加
关键词：多目标定位；相控阵技术；门架天线
中图分类号：Ｕ４９５
文献标志码：Ａ
自 ２０２０年 １月 １日实现全国高速公路 ＥＴＣ联
网运行以来，设备整体运行良好，人民的通行舒适
感显著提高，社会经济效益明显，但是部分 ＥＴＣ
车道存在跟车干扰、邻道干扰等问题。跟车干扰、
通信识别错误、邻道干扰等问题的根本原因在于微
采用 Ｃａｐｏｎ波束形成算法实现接收天线波束形 成，这样接收天线波束在通信覆盖区域内能实现精 确指向，提高车辆通行速度和过车效率。系统接收 天线采用矩形式微带贴片阵列天线，利用接收相控 阵波 束 合 成 技 术， 通 过 Ｃａｐｏｎ波 束 形 成 算 法 以 ＤＯＡ信息进 行 接 收 波 束 形 成， 使 接 收 波 束 主 瓣 指 向有用目标方向，而波束零点指向干扰目标方向。 接收波束高度集中能增大信号能量、交易距离，提 高车辆通行速度和过车效率；通过控制天线阵列之 间的辐射单元，以及水平方向的阵列数量和阵列之 间间距，同时控制阵列天线之间水平方向的波瓣宽 度和副瓣电平，从而控制波束覆盖区域，可以很好 地降低跟车干扰事件发生机率，同时很好地降低邻
率。在多车道自由流 ＥＴＣ系统中，从大量的车辆
中找出未交易车辆是一个棘手问题。系统需要对所
有 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡车辆进行精确定位，同时确定车
DC-DC
5V 12 V
载电子标签在这个区域的通信位置，与车牌识别系 统对车辆同步视频抓拍，实现车辆信息的实时对比 确定。由于各个天线通信区域之间会有部分相互重 叠，车辆自由流行驶过程中必然会经过重叠位置， 所以在通行过程中，需要对 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡发射的 微波信号强度进行检测，同时采取合适有效的定位 算法来对 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡位置进行精确定位。目前 ＥＴＣ天线在 系 统 使 用 中 还 没 有 充 分 发 挥 其 相 应 功 能，不能达到完全流畅的要求，需要进行人工处 理，增加天线的新特性是最好的解决办法。
行业存在的通行费漏收问题，提出了一个具备门架
门架天线与收费站 ＥＴＣ天线的工作原理及机 制的主要区别如表 １所示。
FLASH SRAM
RS232
LAN ( 10 M / 100 M )
RS 485
ARM1
ARM2
SPI
( DSRC）
8 PS AM
5V 3.3 V
DC-DC
220 V
、
24 V
24 V
AC-DC
区别项
过车速度 收费工作机制
覆盖范围 与 ＥＴＣ车辆交易情况
智能门架型系统目前已经在陕西、浙江、广东、北 升，道路拥堵情况得到了极大改善，相应减少了大
京等多个 ＥＴＣ门架现场实施应用 （见图 ４）。
量的碳排放，为解决全球气候问题做出贡献，对于
ＥＴＣ收费业务本身，也向着无人化、智能化迈出了
坚实的一 步。本 文 介 绍 的 ＥＴＣ分 段 式 计 费 系 统，
立足于已经全面建成的庞大 ＥＴＣ门架网络，针对
湖南交通科技
ＨＵＮＡＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章编号：１００８?８４４Ｘ（２０２１）０２?００２５?０４
Ｖｏｌ．４７ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．，２０２１
基于相控阵技术的多目标定位门架天线设计
李 异，傅 达
（湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 ４１００１５）
１ 总 体 方 案
门架天线主要由室外路侧天线和室内路侧控制 器 ２部分组成。路侧天线包含微带阵列天线、微波 收发信机、相控阵处理模块、电源模块等 （见图 １），信号数据通过调制 ／解调，以 ＤＳＲＣ的方式与
3.3 V 5V
DSRC
3.3 V A/D ARM
图 １ 路侧天线原理图
收稿日期：２０２１?０３?２２ 作者简介：李 异（１９８１—），男，工程师，从事高速公路机电工程研究。
使用该模型，并结合该省的高速公路实际通行 ９９０３％ ～９９６０％；ＣＰＣ总体匹配率：９３６６％ ～
数据，即可测算文中所述系统对于该省高速公路收 ９６２２％；车辆图片捕获率：９９６９％ ～９９８４％。
费系统的经济效益。
５ 应 用 案 例
６ 结 语
全国高速公路取消省界站项目意义重大， “一
门架计数型系统现已在北京大规模实施落地， 张网” 时代后，高速路网通行效率得到了大幅提
波通信的无序性、车辆 ＯＢＵ安装位置差异、电子
标签受不同厂家性能之间差异影响等问题。对此，
需要在源头上对前端设备进行优化升级，使其能够
做到正确识别车辆及确切定位，从根源上对跟车干
扰、邻道干扰等进行优化处理。
拆除省界站后的多车道实行自由流收费方式，
收费站进行物理拆除后不设车道栏杆，多车道之间
并行通行没有隔离，因此可有效提高车辆通行效
２８
湖南交通科技
４７卷
稳定可靠。
异的异常处理能力和可靠的交易成功率，可给路段
４ 结 语
管理单位和司乘人员带来了极大便利，提升了广大 车主的使用体验，经济社会效益显著。
设计了一种基于相控阵技术的多目标天线，新
增定位处理模块支持通过 ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ数字信号处 理，多通道并行全区域实时扫描，采用 Ｃａｐｏｎ波束 形成算法使接收天线波束在通信覆盖区域内具有精 确指向，实现多目标同时定位和交易；以满足高速 公路拆除省界站后，多车道自由流通行的 ＥＴＣ收 费需求，缓解收费拥堵，提高通行效率。该产品优
参考文献：
［１］李院平 Ｃｏｐｏｎ法与 ＭＵＳＩＣ法求解七单元线形天线波阵达方向 比较研究［Ｊ］激光杂志，２０１４，３５（２）：２４－２５．
［２］ 陈杰，尹应增 天线阵微波和数字波束形成的联合结构与算法 ［Ｊ］微波学报，２０１１，２７（４）：２６－３１．
［３］ 孔祥国 高速公路 ＥＴＣ系统相控阵天线设计［Ｄ］济南：山东 大学，２０１５．
图 ３ 相控阵 ＥＴＣ多目标定位系统
重、移相处理，ＦＰＧＡ的乘除法器等计算硬核和软 核，按照配置进行大量复数运算形成波束；ＤＳＰ处 理器按照实际应用条件选择波束形成配置参数，通 过配置 ＦＰＧＡ参数重构天线波束形成。
２期
李 异，等：基于相控阵技术的多目标定位门架天线设计
２７
３ 关 键 技 术
３１ 相控阵天线技术 均匀线阵是相邻阵列单元间距相等、单元成直
天线工作机制
图 ２ 路侧控制器原理图
表 １ 门架天线与收费站 ＥＴＣ天线区别
门架天线
最大速度 １５０ｋｍ／ｈ 计费信息累加机制
覆盖多个车道 存在同一时间与多个 ＥＴＣ车辆通讯交易
多个天线协同工作
收费站 ＥＴＣ天线
最大速度 ３０ｋｍ／ｈ 入口标记，出口扣费机制
覆盖单个车道 同一时间只与单个 ＥＴＣ车辆通讯交易
２６
湖南交通科技
４７卷
ＯＢＵ进行数据交换、采集，同时更新 ＩＣ卡内的数 据，相控阵处理模块对 ＯＢＵ返回的数据，通过一系 列复杂的算法，可以精确计算出 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡的位 置。路侧控制器通过控制路侧天线，及时处理收发
数据信息，同时通过通信电缆及接口与计算机进行 实时通讯，用来实现数据的实时交换 （见图 ２）。
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以 ２０２０年 ９月份上述门架典型工况下的数据
高；Ｐ表征全路网的可达道路复杂程度，复杂程度 记录为样本，统计系统运行效率：车辆计数准确
越高，Ｐ值越高。
率： ９９５８％ ～ ９９８７％； ＯＢＵ 总 体 匹 配 率：
道干扰事情发生机率，确保数据在交易过程中的准 确性与安全性。 ３４ 软件无线电设计应用
将软件无 线 电 设 计 理 念 应 用 在 ＥＴＣ场 景 中， 能够进行软件更新以及扩展硬件配置，具有良好的 可扩展性、灵活的系统升级能力和应用环境适用 性。目前 ＥＴＣ系统中导致交易成功率降低的影响 因素较多，主要因素包括 ＯＢＵ产品质量差、汽车 金属膜、安装位置不合理等，导致 ＯＢＵ设备不能 正常识别。同时 ＯＢＵ经过多年使用后，设备会出 现电量低的状况，在这种情况下进行通信并交易， 电子标签产生的信号强度较低，通信质量会受到影 响，很容易出现信号不稳定以及被干扰现象；ＥＴＣ 车道同时存在的电子设备较多，具有电磁环境复杂 的特点，导致这片空域中存在各种各样电磁辐射信 号对设备通信产生干扰。为保证数据交换的成功 率，需要提高 ＲＳＵ设备的信号通信识别能力以及 抗干扰能力。所以在此采用软件无线电技术，通过 提高信号质量满足 ＯＢＵ交易成功率。该方式能够 很好地提高整个系统的交易成功率，使 ＥＴＣ车辆 能快捷完成交易、系统运行更加流畅。 ３５ 通过远程监控技术和设备自检提高系统的可
维护性 通过支持联机状态下的远程设备监视、维护、 升级及设备管理，具备 对 天 线 功 率、设 备 温 度、 ＰＣＩ卡状态等 主 要 元 件 以 及 整 个 系 统 的 自 我 检 测， 快速确定设备状态。系统可同时对多个参数进行检 测、对故障快速定位、进行异常日志记录及告警 等。设备的各种运行状态在控制器 ＬＥＤ屏上实时 显示，使工作现场人员及时了解设备的状况。完善 的远程监控技术，不仅可以通过高速内网进行远程 监控，必要时还可实现对 ＲＳＵ设备进行远程维护 升级、设备软重启、日志查询等操作，减轻维护工 作量的同时实现设备规范化管理。 ３６ 通过自动温度补偿提高系统环境适应性
单个天线独立工作
２ 门架天线硬件设计
为方便设备升级和功能的增减，相控阵 ＥＴＣ多 目标定位天线运用当前主流设计模式，即模块化、单 元化设计理念。系统整体框图见图 ３，该系统由几大 模块组成，主要为接收天线阵模块、时钟模块、本振 模块、数模转换模块、下变频模块、存储器模块、信 号处理模块、供电模块以及接口模块组成。
ＲＳＵ相控阵定位接收机包括 １０个接收通道， 接收通道与天线阵元采用一对一模式对应连接，用 于 ＯＢＵ微波信号的采集；系统信号处理模块采用 ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ架构，利用传统 ＤＢＦ算法与 ＭＵＳＩＣ算 法结合对中频数字信号进行超分辨 ＤＯＡ估计，得 到微 波 信 号 的 二 维 入 射 角， 通 过 Ｃａｐｏｎ算 法 以 ＤＯＡ信息进 行 接 收 波 束 形 成， 使 波 束 主 瓣 指 向 相 对应的目标方向，波束零点指向干扰目标方向。其 中，ＦＰＧＡ对数字化的射频通道数据进行失真、加
运用传统延迟相加 ＤＢＦ算法和 ＭＵＳＩＣ空间谱 估计算法对中频数字信号进行超分辨 ＤＯＡ估计。 当 ＥＴＣ系统环境有干扰信号存在时，单一算法定 位结果经常出现不准确现象，而采用两种定位算法 同时定位，可相互验证定位结果；当不可靠，放弃该条定位数据重新进 行定位，以保证定位的准确性和稳定性。 ３３ 通信区域精确指向
摘 要：门架天线基于相控阵技术研究多目标识别的新特性，采用 Ｃａｐｏｎ波束形成算法
使接收天线波束在通信覆盖区域内具有精确指向。基于相控阵技术的微波定位处理模块，通过
多通道并发工作模式，对全区域实时进行扫描，可对多个目标同时进行定位和交易，以满足高
速公路拆除省界站后多车辆高速通行的 ＥＴＣ收费需求，缓解收费拥堵，提高通行效率。
线排列的一维阵列天线。本项目中采用了接收相控 阵技术，接收天线分别为沿 Ｘ方向和 Ｙ方向排列 的微带阵元均匀直线阵，Ｘ、Ｙ方向阵元数量相同， 通过 Ｘ、Ｙ两个方向对车道进行二维扫描，从而确 定车辆的位置。 ３２ 多目标精确定位
在原有 ＥＴＣ系统的 ＲＳＵ内部加入基于相控阵 技术的无线跟踪定位处理模块，支持 ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ 数字信号处理，通过多通道并行工作，实现全区域 扫描，达到多目标之间同步定位和交易。具体定位 过程如下：无线定位处理模块根据接收到的车载单 元 ＯＢＵ反馈信号，由计算建立与之对应的坐标系， 相控阵天线在通行车道上的垂直投影点作为坐标系 的基准参考点，通过与基准点对比，取得 ＯＢＵ在 车道平面上的坐标位置；其定位精度高，定位延时 非常短，可确保系统交易的实时性。
由于天线安装在室外，受环境温度影响较大， 为此设计了自动温度补偿控制系统功能，当环境温 度与设备内部温度相差较大时，该系统可对设备进 行自动温补偿，使设备发射功率、接收灵敏度等主 要参数的元器件不受温度影响而发生漂移，确保 ＤＳＲＣ微波天线的各项性能指标稳定，不因外界环 境温度的变化而对设备精度产生影响，使设备更加
关键词：多目标定位；相控阵技术；门架天线
中图分类号：Ｕ４９５
文献标志码：Ａ
自 ２０２０年 １月 １日实现全国高速公路 ＥＴＣ联
网运行以来，设备整体运行良好，人民的通行舒适
感显著提高，社会经济效益明显，但是部分 ＥＴＣ
车道存在跟车干扰、邻道干扰等问题。跟车干扰、
通信识别错误、邻道干扰等问题的根本原因在于微
采用 Ｃａｐｏｎ波束形成算法实现接收天线波束形 成，这样接收天线波束在通信覆盖区域内能实现精 确指向，提高车辆通行速度和过车效率。系统接收 天线采用矩形式微带贴片阵列天线，利用接收相控 阵波 束 合 成 技 术， 通 过 Ｃａｐｏｎ波 束 形 成 算 法 以 ＤＯＡ信息进 行 接 收 波 束 形 成， 使 接 收 波 束 主 瓣 指 向有用目标方向，而波束零点指向干扰目标方向。 接收波束高度集中能增大信号能量、交易距离，提 高车辆通行速度和过车效率；通过控制天线阵列之 间的辐射单元，以及水平方向的阵列数量和阵列之 间间距，同时控制阵列天线之间水平方向的波瓣宽 度和副瓣电平，从而控制波束覆盖区域，可以很好 地降低跟车干扰事件发生机率，同时很好地降低邻
率。在多车道自由流 ＥＴＣ系统中，从大量的车辆
中找出未交易车辆是一个棘手问题。系统需要对所
有 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡车辆进行精确定位，同时确定车
DC-DC
5V 12 V
载电子标签在这个区域的通信位置，与车牌识别系 统对车辆同步视频抓拍，实现车辆信息的实时对比 确定。由于各个天线通信区域之间会有部分相互重 叠，车辆自由流行驶过程中必然会经过重叠位置， 所以在通行过程中，需要对 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡发射的 微波信号强度进行检测，同时采取合适有效的定位 算法来对 ＯＢＵ、ＣＰＣ卡位置进行精确定位。目前 ＥＴＣ天线在 系 统 使 用 中 还 没 有 充 分 发 挥 其 相 应 功 能，不能达到完全流畅的要求，需要进行人工处 理，增加天线的新特性是最好的解决办法。
行业存在的通行费漏收问题，提出了一个具备门架
门架天线与收费站 ＥＴＣ天线的工作原理及机 制的主要区别如表 １所示。
FLASH SRAM
RS232
LAN ( 10 M / 100 M )
RS 485
ARM1
ARM2
SPI
( DSRC）
8 PS AM
5V 3.3 V
DC-DC
220 V
、
24 V
24 V
AC-DC
区别项
过车速度 收费工作机制
覆盖范围 与 ＥＴＣ车辆交易情况
智能门架型系统目前已经在陕西、浙江、广东、北 升，道路拥堵情况得到了极大改善，相应减少了大
京等多个 ＥＴＣ门架现场实施应用 （见图 ４）。
量的碳排放，为解决全球气候问题做出贡献，对于
ＥＴＣ收费业务本身，也向着无人化、智能化迈出了
坚实的一 步。本 文 介 绍 的 ＥＴＣ分 段 式 计 费 系 统，
立足于已经全面建成的庞大 ＥＴＣ门架网络，针对