基于卫星定位的新型高速公路通行卡结构设计及原理蒋文政

基于卫星定位的新型高速公路通行卡结构设计及原理蒋文政

蒋文政

广西交通科学研究院有限公司

摘要：高速公路建设与发展，为人们出行提供便利，同时也有一些问题，尤其是在收费方面，例如停车收费入口堵塞、按照最短路径收费产生的分配不均等。文中提及基于卫星定位技术的高速公路复合式通行卡设计方案，先是对通行卡有关结构重新设计，然后选取行驶路径的识别算法以及通行卡重要装置选取展开一定研讨。应用新型通行卡可以解决对车辆行驶路径的追踪和记载，使得高速费用以实际路径方式收取。

关键词：高速公路；通行卡；卫星定位技术；路径识别

随着经济快速发展，有关高速公路的建设项目越来越多，其网络特征表现为密且大。车辆行驶路线选择由原来一种变为很多种，从中会有一个难题出现，即高速公路行驶路径多义性，需要对车辆行驶路径展开跟踪与识别才能解决难题。解决难题基于两种方式：第一种是利用有关技术达到在行车与收费两者中准确识别各种车型行驶路径，完成收费与拆分的工作，例如使用射频复合式卡解决。其工作原理为利用新技术开展高速公路收费通行卡优化，需要与高速公路交叉路口设立射频信号发射站配合使用，借助收集车辆通过的交叉口来判断行驶车辆具体行驶路线。第二种方式就是将起、终点线段最短的方法来收取费用，再利用其中通过的路口展开通行费拆分。后者是我国现在的计费方式，全国29个省市区ETC专用车道采用的就是这种计费方式。综上所述，现在应用方式不论是从精度角度还是从操作性角度均被当前技术条件的限制与高速公路联网收费运营管理模式的制约，高速公路收费管理的成本收益比较低。根据以上具体难题，本文把基于卫星定位的路径识别技术应用于高速公路通行卡，使高速车辆收费更合理。

１通行卡工作状态模拟

新型高速公路通行卡使用新技术，即卫星定位路径识别技术，其卡构成有多个部分，详细如图1所示，主要为双界面CPU卡、无线充电线圈、卫星定位模块、CPU模块以及充电锂电池。

车辆行驶至高速收费岗亭进口，该岗亭发放通行卡或者使用自助系统发通行卡，通过此卡来记录车辆数据，此卡在未运行状况下接近于非接触式IC卡读写装置，磁场感应装置将磁信号转化电信号，这样通行卡内的CPU模块被激活，通行卡就运作，从这可看出CPU模块控制双界面CPU卡，并且把车辆数据存储于介质中。通行卡记录的信息主要为车辆车牌号码、车型大小、入口地理位置和发卡时间等，此信息可以作为行驶车辆的起点信息。车辆行驶于高速公路以正常速度开动时，CPU模块有特定时间打开和关闭充电锂电池和双界面CPU卡以及卫星定位模块之间的电流，新卡运行时电量损耗较低，保证其工作。关闭电源时期，通行卡不意味没有用，而是等待下次开启，若电源打开了，卫星定位模块就会运行，得到当前行驶车辆地理经度与纬度，并且将该数据记载与在卡内存储器介质中。完成一次定位信息记录以后，通行卡马上到了下一次休眠。休眠时间根据高速公路网的最短边长里程和高速公路最快设计速度每小时120千米之间关系中得到，通常运作时间不应该少于5分钟，休眠时间一到重新启动电源到达新一轮的工作状态。这样周而复始，一直等到达了高速公路出口收费站，收费员把通行卡放置于非接触式IC卡读写器装置之上，磁场感应器重新将CPU模块激活，使此模块控制双界面CPU卡，使读写器能够从存储器介质中读出记录入口数据以及车辆经度和纬度，经过后台收费应用程序和高速公路地图相互配合后得到车辆的最后行驶路径。后台收费应用程序依据路径数据计算并收对应费用，并且依据行驶在不同高速公路所属投资主体展开路费比例分成。通行卡被相关收费站收回后，就会处于一种休眠状态，并且对卡以无线形式进行充电。

2通行卡路径匹配算法

因为通行卡只是在高速公路才会使用，而车辆的行驶路径不确定性，此时就需要确定车辆行驶的高速路段。根据高速路段长、互通转向角大、路网间距较大的特征，选取直接投影算法判断车辆行驶路径是最有效的办法。基于投影法的路径匹配算法步骤如下：1）采集卫星定位信息。把卫星定位接收器获得卫星信号传送到后台收费应用程序中，有关数据包含时间、经度与纬度、速率、方位等。2）判定定位信息是不是有用，若没有用处，就要利用历史定位信息展开一定进行推理。3）判定定位信息是不是在停止情况中，如果是停止情况，只要保存一次有用信息，删除多次定位信息。4）若在规定范围内搜索道路数小于１，就表示定位信息差错更大，还需要利用历史定位信息展开推理。5）若在规定范围内搜索道路数等于１，可知车辆在行驶的道路上，直接投影，将这条道路当作车辆行驶当前道路。6）若在规定范围内搜索道路数大于１，可知这条路段旁边有几条可选路段，计算可选道路距离度量值，选出当前行驶路段。7）完成路径匹配工作。

3新卡关键设备选型

3.1电池

充电电池使用的材质是具有超薄特征的聚合物锂电池，它的厚度小于1毫米，和一张纸相同厚度，使用时间长，耗电量比一般材质电池更低，而且其能够在过充、过放、短路、针刺、热冲击、重物撞击等不良状态下不会着火与爆炸。因为通行卡所占空间较小，电池所存储的电量不会大，一定要在电路以及固化程序设计上使用某种处理办法。第一，集成电路使用低能耗的控制装置；第二，在卡中设计电源管理模块以及磁场感应器，使得通行卡在多数时期内是在休眠。通行卡在这种状态下的整个能耗不超过300μA。通行卡在未使用过程中都是处于休眠，通行卡发给使用者以后伴随着车辆在高速路段上行驶中，未必在全程车辆行驶中都一直启用卫星定位记录地理方位，应用系统间隔7至8分钟就启用一次，每次工作间隔小于500毫秒，其他时间都是不运作的，这样为通行卡充电一次就能够保障车辆在高速公路行驶时所需记录所有数据，不会没有电。

3.2卫星定位模块

卫星定位技术可给予24小时无间隔的位置定位、授时、测量速速度功能，应用范围广泛，其涉及领域航天航空、勘探测量等。随着电路发展规模越来越大，但电路体积越来越小，而人在定位功能上要求越来越多，电子技术制造商适应时代发展，将卫星定位技术应用于平常生活的所使用的移动设备。芯片技术优劣关系到卫星定位技术好差，卫星定位产品未来的发展方向和技术要求也会被卫星定位芯片技术所制约。现在的各类芯片中，占大份额的有中国北斗芯片、Sirf、Garmin、U－blox等，而U－blox生产的卫星定位芯片应用于欧洲车载定位应用程序中，很多豪华车辆生产制造商（如奔驰、宝马、法拉利、保时捷等）均使用U－blox的卫星定位芯片。U－blox公司提供的新型CAM－M8Q天线模组整合了U－bloxM8卫星接收器IC、SAW滤波器、LNA、TCXOT、RTC、被动元件及预先调校的GNS晶片天线等部件，其体积仅为（9.6×14.0×1.95）mm，只需要连接电源，就可以马上展开全球定位。CAM－M8Q表面粘着模组具有电量能耗低、高灵敏度、非常强的抗干扰性以及支援同步GNSS运转（GPS／GLONASS、GPS／北斗、或GLONASS／北斗）等主要特征，能实现冷热插拔，能为世界范围内任意一个地方给予高可靠性与准确性的卫星定位数据。所以，新型通行卡选取CAM－M8Q模块作为卫星定位模块。

3.3双界面CPU卡

现在的我国高速公路人工收费车道都应用非接触式IC卡。这种卡是以非接触形式展开，且加密形式为逻辑加密的一种IC卡。其制作标准为ISO14443A协议，存储容量是8kb，分成16个小区域，一个个小区域具有两组密码，以13.56MHz频率工作。ETC车道车载OBU里使用双界面CPU卡。双界面CPU卡是某种兼容接触式和非接触式的CPU卡，接触与非接触接口均靠一个CPU控制，接触模式与非接触模式按需选取。从一个角度上看具备接触式CPU卡的功能，其有着高可靠性、稳定数据传送、存储量大等特征；从另外一个角度上看具备非接触式CPU卡所有功能，其有着传输速率高、交易时间通常小于100毫秒等特征，同时还能满足ISO/IEC7816和ISO/IEC14443以及《中国金融集成电路IC卡规范》中标准要求。

基于卫星定位路径识别技术的高速公路通行卡必须具有两种功能，其一，要能收集卫星定位模块记录车辆所处地理方位；其二，需要可以使用在收费站原先IC卡读取装置。因此高速公路通行卡使用双界面CPU卡。其卡内接触界面是按照ISO7816以及《中国金融集成电路IC卡规范》的中规定要求制作，非接触界面是按照ISO14443规定内的YPFA类要求制作。所以，高速公路收费应用程序原先的非接触式IC卡读取装置没有必要更新，收费应用程序的认证算法也不必更新完善，新型通行卡和现在的应用程序具有高兼容性。

4结语

车辆行驶路径的准确识别和路费拆分难题会根据高速公路联合网络收费更新出现新难题。本文基于卫星定位技术设计高速公路通行卡，积极地解决行驶车辆在高速公路上行驶路径的准确识别，从技术角度上看其有很大可行性，从经济角度上看有着一定科学性。此次设计方案在具体实现过程中所应用重要技术利用不一样形式运用于各个层面上，希望这些新的应用形式和设计观念能够为提升高速公路联网收费的一系列效益具有深远意义。

参考文献：

[1]万维逸．超薄型二义性路径复合通行卡［Ｊ］．中国交通信息化，2014（1）．

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[3]刘春华，韩广广，谢仕智，等．高速公路ＥＴＣ全国联网后的多义性路径识别研究［Ｊ］．公路与汽运，2016（1）．

[4]邬奇强．基于超低功耗双频通行ＩＣ卡的高速公路多义性路径识别应用研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，2011．