CN101449306B - 隐私的和可审计的车辆定位系统及用于该系统的机载设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生成财产或个人位置历史的隐私的、可审计的和证据性质量记录的系统和方法。本发明主要涉及对被提出或用于记录道路收费、停车以及按行驶收费保险的付款服务的现有系统做出的十个重要改进，即：1.粗糙信号环境中经济的定位精度；2.位置估计的证据性确保；3.单一设备中的动态和静态定位处理；4.城市峡谷中一组静态位置的高比率压缩；5.城市峡谷中动态轨迹日志的高比率压缩；6.一组财产移动行为的高比率压缩；7.包括防篡改的远程设备状态检查的方法；8.残余价格误差的消除；9.无机载地图的匿名使用；10.以多种付款方法将付款分散给多个收款人的方法。该系统包含隐私管理以及证据性记录的合法许可，并能用于道路定价、拥堵定价、按分钟记录停车以及按行驶收费保险。本发明的设备还能用于车队、军事命令或者机动或非机动财产位置的审计，这可能在合同执行的证据或者非实时停车审计中需要。

Description

隐私的和可审计的车辆定位系统及用于该系统的机载设备
技术领域
本发明所处的领域是全球导航卫星系统(GNSS)接收机及相关应用。 
背景技术
在道路、街道、高速公路或停车地点出现的汽车拥堵是由于对这些设施的过量需求，并且会对企业的商业及个人生产力、以及居住在产生拥堵道路和区域附近和周边地区中的人们产生不利的影响。汽车拥堵也提高了有害的汽车排放的级别，且该排放对空气质量和人类健康具有影响，并会在该局部地区集中或可能更广泛地扩散。另外，由于行进在拥堵设施上的汽车的碰撞，汽车拥堵会增加人的伤亡或者财产损失的风险。 
由于汽车越来越节油或使用代用燃料，因而通过燃油税对道路建设、运营和保养进行经济上的支持的能力也变弱了。另外，燃油税收并不在拥堵和非拥堵的道路和时间进行区分，因而使得道路管理部门无法设计用于控制拥堵的定价信号(定价信号能用于告知驾驶者在拥堵的地区或在拥堵的时间驾车的成本更高)。 
由于这些原因，道路管理部门及政府正在研究和准备迫切的变化：在有权开放(自由)使用道路的减少以及更全面的道路以及停车定价计划的增加。 
从2003年起，就已经期待诸如但不限于国家、地区、州、省和直辖市的许多行政区域会开始进行大区域道路收费以及停车收费，无论目的是控制汽车拥堵、汽车排放和/或提高税收。 
为实现该目标而选择的技术是全球导航卫星系统(GNSS)。诸如GPS、GLONASS、Galileo以及计划中的Compass的GNSS系统具有广泛的应用。这些应用的范围从飞机和武器的引导变化到金融交易的 精确授时。其中还包括数十种其它应用，例如勘测、跟踪、财产管理和众所周知的陆地、水上以及个人导航。每种应用都具有不同的正确性、精度、速度和成本需求。 
利用GNSS系统信号来对如道路或停车场所的使用进行收费的工作具有特殊的限制体和需求，而基于GNSS的导航系统和财产跟踪系统无法满足上述需求，具体地，完全有效的系统必须： 
1.记录用于收费的道路利用，而不考虑收费体系，包括道路段、地区、区域、隔离、基于的距离、拥堵定价、时间、位置以及持续时间； 
2.记录停车的使用，包括地面停车场、停车库以及街道停车的； 
3.记录责任保险，包括时间、距离、速度、加速度、拥堵以及位置； 
4.在建筑物多的地区工作，在该地区无线电信号会被多路严重地干扰； 
5.在车辆静止时工作； 
6.在车辆行驶至速度为150mph时工作； 
7.在车辆频繁地改变速度时(如在严重拥堵时)工作； 
8.防止被篡改； 
9.包含一种设备，该设备能够远距离地报告其有关被篡改或偶然故障的运行状态； 
10.不具有用于输入的用户界面(为了安全以及更高的可靠性)； 
11.能够进行短距离的无线通信，以便向用于应用(包括第三方应用)的独立的本地设备传送数据，而该本地设备本身可以具有用户界面； 
12.能够进行长距离无线通信； 
13.能够进行匿名操作，以便保护车辆所有者或操作者的ID和个人信息； 
14.根据EU或其它权力部门的要求能够共用，EU或其它权力部门要求与现有的电子通行费收费(ETC)系统的共用性； 
15.能够区分多径不严重的任何地方(例如在城市中央商务区以 外)的相邻的行驶车道； 
16.能够反向(negative)付费，例如来奖励未在交通高峰期使用的车辆； 
17.能够从车辆供给的单个数据分散应付费用/收费，这是由于存在多个收费部门、多个停车管理者以及至少一个保险公司。 
对于这些要求，目前还没有一套完整的解决方案。 
在用于道路收费和保险记录系统的部署中，在试验和甚至全部系统中已经存在采用GNSS的设备的大量示例。但是，这些示例都无法在粗糙信号环境中令人满意地工作，特别是在最迫切需要这些系统的市区的“城市峡谷”中。具体地，现存设备具有一个或多个的下述问题。这些设备： 
1.在陡峭地形或多建筑物地区(“城市峡谷”)中无法令人满意地工作； 
2.无法提供可审计的证据性记录，例如在非可反驳的财务应用中需要的(例如，对道路或停车使用的收费)； 
3.由于其要求不稳定的机载数据(比如，将在用于导航的误差覆盖算法中使用的地图，其被称为“地图匹配”)，从而难以保持； 
4.由于其要求来自其它技术(例如，惯性导航或机载地图匹配)的辅助，因而成本较高； 
5.并不处理隐私性和可审计性；另外还要求机载付款能力，从而提供了隐私性； 
6.仅处理一个定价领域，例如道路收费或者保险费，以及在基于GNSS的收费情况下，仅用于的单一定价部门 
为了建立可工作以及可接受的基于GNSS的收费系统，必须解决所有这些问题。 
发明内容
本发明的目的是克服现有技术领域中的前述限制。 
根据本发明的第一方面，提供用于对移动或静止车辆的位置进行追踪的机载设备。该设备包括：
(a)包括天线的GNSS接收机，其用于以定时的间隔接收与所述车辆的位置有关的定位数据； 
(b)与所述接收机通信的处理器，其被编程以用于： 
(i)确定所述车辆正在移动还是处于静止； 
(ii)对所述定位数据进行处理，从而通过减少所述定位数据中的多径误差来生成所述车辆的估计位置， 
对于移动的车辆，采用以下处理方法： 
使用误差检测和消除算法； 
使用正向和反向约束分析；以及 
计算所述车辆的速度和加速度， 
  对于静止的车辆，采用以下处理方法： 
使用误差检测和消除算法； 
(iii)编译与移动的所述车辆有关的所述定位数据的区域日志； 
(iv)编译与停放的所述车辆有关的所述定位数据的停车日志； 
(v)编译所述定位数据的风险日志，包括编译所述区域日志，该区域日志被标记有所述车辆的表示为速度分布图的速度数据和表示为加速度分布图的加速度数据；以及 
(c)存储器和无线装置，用于在处理后存储处理过的定位信号，并将所述处理过的定位信号作为分开的定位数据流传送给系统，以便能够根据所述区域日志、所述停车日志以及所述风险日志，对使用所述车辆而向所述车辆的用户收费。 
该设备可进一步采用信号权重来改进移动或者静止车辆的位置估计。该设备也可进一步采用小波变换和分析来改进静止车辆的位置估计。该设备还可进一步采用聚类分析来改进静止车辆的位置估计。 
优选地，进一步对处理器进行编程来利用区域日志、停车日志和风险日志流，对待编译、储存和传送的估计位置评价和授给(ascribe)位置估计特征。 
可进一步对处理器进行编程来在存储和传送前压缩区域日志或停 车日志或风险日志。 
可进一步对处理器进行编程来检查可能的接收机篡改，以及向计费结算中心无线传送关于检查可能篡改的状态信息。 
对于定价和计费结算功能，多种选择是可能的。 
定价和计费结算功能可以由单一的组织或单位执行。因此，系统可以包括计费结算(和定价)中心，其能够接收区域日志、停车日志或风险日志并计算至少一个用户的应付金额以及可向(相同的)计费结算中心汇款的金额。 
或者，定价和计费结算功能可以由单独的组织或单位执行。因此，系统可包括定价中心，其能够接收区域日志、停车日志或风险日志并计算至少一个返回机载设备以便向计费结算中心传输的应付金额，并且对处理器编程以便向计费结算中心隐藏区域日志和停车日志。 
机载设备可进一步包括付款指令接收装置。可对处理器进一步编程以便向计费结算中心返回付款指令以接收的信息。还可进一步对处理器编程以便向定价中心隐藏用户的身份。 
在特定的实施方式中，可以设置成将应付金额分配给多个收款人。在机载设备中，可进一步对处理器编程以便向收款人隐藏用户的身份。 
附图说明
图1一般地是车辆定位系统(VPS)部件的示意图。 
图2是本发明的机载设备的示意图，其中示出了逻辑部件和数据流。 
图3是多径信号干扰的简图，这些干扰在城市环境下影响车辆的定位。 
图4是动态接收机的接收机自主多径误差减少(RAMM)效果的示意图。 
图5.1和5.2是消除静态接收机的多径误差能力的RAMM的效果图。 
图6.1是GNSS网格示意图，其中绘制出了被跟踪车辆的统计意义上最可能的路径。
图6.2到6.4是相在邻单元之间车辆移动的各种情况的示意图。 
图6.5是含噪声的位置数据的压缩的示意图。 
图6.6是在原始区域日志中可能出现的间隙的示意图。 
图6.7定价图调整的示意图，而这些调整可用于避免向用户的过度收费。 
图7.1和7.2是用于确定风险日志的速度和加速度分布图的示意图。 
图8是单一的旅行日志中的连接起来的区域日志、停车日志以及风险日志的示意图。 
图9.1是用于建立定价图的信息层的简化示意图。 
图9.2是停车地区范围的图形示意图。 
具体实施方式
本发明集中在对现有技术所做的十个改进。这些改进中的每一个都在机载硬件设备中完全地或部分地体现出。下面在描述每个改进的同时对其变化进行描述。 
综合在一起，前八个改进的主要价值在于：机载位置估计更精确(更接近行进道路或线路或更接近停车位置)、更好的表现(为更精确的距离测量而更平滑)、适合对定价图进行特别快速的匹配、可进行更大的压缩(因而可更经济地储存、传输和处理)、以及可在每一秒钟进行完全的审计。本发明的最重要的目的之一是充分精确地记录道路使用，从而： 
Figure G2007800186028D00061
没有车辆会因道路使用被过度收费。由于对在多建筑物地区(城市峡谷)中的车辆，多径误差能够生成错误的位置，因而除非采取针对该问题的减少，否则可能会收取错误的、可能更高的费用。 
Figure G2007800186028D00062
相同道路上的行程在相同的定价体系下会被收取相同的费用(在很小的误差内)。我们称之为“定价恒定性”。 
Figure G2007800186028D00063
由于这些确保无过度收费和定价恒定性的计算，会保证道路管理部门的税收没有损失。
这十个改进是： 
1.RAMM：接收机自主多径误差减少，其用于粗糙信号环境中的具有成本效益的精确性，其采用大量相关GNSS信号的辅助数据以及数字信号处理技术。RAMM完全在OBU的专用硬件处理器上实现。 
2.PEC：用于位置估计的证据确保的位置估计特征化，其利用在RAMM处理和具体的统计表示过程中捕获的误差测量，因而处理误差在每次测量(例如，每秒钟)时是明显的和有界限的。这就确保了所述设备及其处理器是可审计的。PEC完全在OBU的专用硬件处理器上实现。 
3.双状态处理：动态定位(“区域日志”)和在单一设备中既精确又可审计的静态定位(“停车日志”)，其要求检测接收机是移动还是静止的，还要求依据接收机的运动状态以两种不同的方式应用本发明的RAMM和PEC方法。双状态处理完全在OBU的专用硬件处理器上完实现。 
4.停车日志：每个停车事件的高度压缩的特征化，该停车事件包括开始时间、结束时间、估计的位置以及每个位置估计的整体测量，其专门为静态(停放的)接收机的收费而设计。停车日志完全在OBU的专用硬件处理器上完实现。 
5.区域日志：具有位置、时间、地点和整体信息的行程段的高度压缩的特征化，其专门为移动(行驶的)接收机的收费而设计。区域分辨率的范围能够从2平方米到1000平方米。2平方米区域对于在开放天空下用于车道差异定价而测量HOT车道是有用的，而50平方米区域适用于中央商务区(CBD)的隔离应用，100平米到1000平米区域则适用于城市远郊的或乡下的封锁应用。区域日志完全在OBU的专用硬件处理器上实现。 
6.风险日志：包括重要区域日志以及速度和加速度分布图的行程段的高度压缩的特征，其专门为获取用于保险的保险精算证据而设计。风险日志完全在OBU的专用硬件处理器上实现。 
7.篡改检查：远距离可确认的设备状态的、基于信号和模式识别的方法，其由新颖的篡改检测技术并结合有关并不新颖的硬件自检查 的现有技术而组成，该篡改检测技术专用于两个数据日志(区域日志和停车日志)的特定性质。该信息的生成在硬件OBU中完全地实现，并且状态信息的解释和使用在远程数据中心进行。 
8.价格确保：消除保留的价格分配误差(消除过度收费的风险)，其包含应用于专门在一次性设置行为中确定的“多径严重性”图的一组地理信息系统(GIS)技术，该一次性设置行为生成专用于每个地理区域的专用地图。该专用地图的生成在独立于OBU或付款设施的计算机软件体中实现。然后，该专用地图在付款设施中结合来自OBU的数据而使用。 
9.位置隐私：不使用机载地图的旅行隐私和匿名，这通过从用户的角度将OBU作为主设备而不是数据收集设备(事实如此)来提供。该方法将位置数据从车辆ID以及车辆所有权数据以这样的方式分离，即，使得被允许看到位置数据的人、机器或设施不能看到ID数据，并且被允许看到身份数据的人、机器或设施不能看到位置数据。该方法在OBU中实现和控制，但要求具有远程定价设施和远程付款服务设施的工作协议。机载控制元件和定价及付款服务的双向隔离方法是本发明的一部分。 
10.付款拆分：对登记的车辆所有者的应付款进行评估的程序，其用于一个或多个的道路、停车点或保险费，对于车辆所有者而言，存在众多道路管理部门、众多停车管理者以及众多保险公司。所述程序能够拆分并正确引导对于道路和停车设施使用的付款，而不公开机动车辆登记者的身份，同时确保所述车辆的账目“井井有条”。由于责任本身需要身份，所以对于保险费付款而言不能实施该方法。然而，在本发明中，对机动车驾驶者相对保险公司保持具体行驶道路的隐私是可能的。 
在更详细地一一描述这些改进之前，有必要与现存系统进行一些比较。本发明的数据收集核心表面上类似于现存的基于GNSS的财产管理系统(AMS)。但是，还存在某些重要区别。为了清楚，这些区别是： 
1.AMS提供位置估计，而本发明提供证据性记录；
2.AMS位置是近似的，而本发明的位置通过统计特征而确保； 
3.AMS位置是暂态的，而在本发明中，位置是可审计的； 
4.AMS具有搜索和管理功能，而本发明提供计费结算和审计功能；以及 
5.AMS的数据输出通常是实时和非压缩的，而本发明采用分批的及压缩的变换。 
作为背景介绍，图1示出了“车辆定位系统”(VPS)的基本组件。基本的VPS包括GNSS接收机、以及将其位置估计收集并传送到某个设施的方法，该设施将计算使用费、运行安全应用、管理工作车辆的车队或其它基于位置的应用。 
大致概括起来，现有技术的VPS和本发明都以如下方式工作：GNSS信号由车辆中的机载设备(OBU)接收。OBU估计车辆的位置，接着这些位置(可能被压缩)的记录被传送至另一个机载设备，或先被储存再以无线或其它方式被传送至用于进行付款处理的远程数据中心。 
由于包括本发明的所有VPS都以上述方式运行，因而以该一般结构作为描述本发明的背景，即，在其中描述了本发明的十个延伸并修改现有技术的新改进或者功能将在【图2】中呈现。 
图1是车辆定位系统(现有技术的)的基本方案的总览。VPS包括GNSS天线和接收机101、处理器(有时是专利技术并且可以是该现有技术的实施方式)102、存储器103、以及某种形式的无线通信设备104。元件101到104一般被封装在单一机载设备(OBU)中。位置估计从这里被发送至付款服务设施106，其中，该位置估计通常被加密、几乎肯定被多径误差扭曲并具有数据间隙，这是因为对于估计位置105的信号数量不够充分，付款服务设施106可置于远程数据中心、同一车辆上的另一台设备或者甚至同一台设备中。付款服务元件106使用如地图匹配的方法来确定正确的应付款。 
图2是本发明的总览，其包含了对现存系统的所有十个重要的改进，现存系统目前被提出或用于对收费道路、停车以及按行驶付款的保险进行记录及付款服务。如在所有的现有技术中的那样，本发明包 括OBU200，其需要GNSS接收机和天线201、处理器202、存储器213、无线通信214以及处理付款服务的装置216和219。在本发明中，这些现存的元件按以下方式修改或补充。 
增加RAMM(接收机自主多径误差减少)过程203来减少多径误差。该RAMM过程与财产状态确定204一起工作，该财产状态确定程序204确定车辆是否停放或者行进是否正在进行(包括移动和短暂的停止)。由状态确定204引导的RAMM203的输出包括分别用于动态接收机205的PEC(位置估计特征)或者用于静态接收机206的PEC。RAMM和用于动态接收机的PEC的结合输出由两个高度压缩的流表示：一个用于道路使用，被称为区域日志207，一个用于保险使用，被称为风险日志208。RAMM和用于静态接收机的PEC的结合输出在称为停车日志210的第三个高度压缩的流中表示。还可以生成用于附加应用的附加日志210。用于给定期间的区域日志和停车日志形成时间上连续且地点上邻近的连续记录，其允许对于篡改的加强测试，如通过干扰或(例如被金属薄膜)信号遮挡，而且该加强测试与另外的硬件完整性测试一起允许状态分析器电路211，以确定设备状态和数据收集完整性，向付款服务设施216和219发出信号，并且设置LED序列212来向车辆操作者和/或执行代理发出警告。来自过程207、208、209、210和211的数据被压缩并作为定位历史的证据文件而被储存213。 
证据文件被加密，并在无车辆ID的情况下按时或按需地传送214、215至定价设施，该定价设施的引用实施方式是远程数据中心，但是该定价设施也可以是机载的以及甚至在同一个设备外壳216、219中。该附图示出了付款服务的扩展版本，其允许关于地点信息的近似匿名。这通过以下操作完成：将作为批文件的位置和证据数据(区域日志、停车日志和风险日志)在无车辆或人员身份的情况下传送215至定价系统216，该定价系统216优选地位于车辆外部并且是共享资源，以降低机载地图的运行成本；以及回过来接收付款表217，付款表217列出了所有后续付款的应付金额和收款人(收费管理机关、停车管理者、保险公司)。程序213-214-215-216-217-214-213自然地会使用无线 网络地址，该地址将与具体的设备和车辆以及交易代码结合，从而对于交易的持续时间，将一组位置信息与具体的车辆登记所有者结合在技术上是可能的，但是这种可能性可能被避免或者被审计以防止所需的连接能力。 
然后定价系统216可以删除所有的交易数据和记录，因为为了计算定价表，其只是OBU的辅机。OBU将具有账户ID的付款表217、218传送给可以在远程或者在车内的付款管理219。如果其在车内，则为了完全的匿名可以通过包括现金卡在内的任何形式的电子支付工具进行付款。如果其在远程，则车辆ID可以与某些形式的支付工具结合，而且在这种情况下，尽管位置对OBU保持隐私，但付款不是匿名的。在所有情况下，付款管理者219都必须执行付款合并221并贷记列示在付款表217中的所有收款人的账户，并且在结算时必须向OBU200承认结算220。现在OBU可以保留所有数据(为了全面位置审计)、为了财务审计仅仅保留付款表217、或者除“已付”状态外任何都不保留。在任何情况下，都设置LED状态212以指示“账户正常”。 
就OBU保留位置数据或付款数据来说，机动车驾驶者可以进行部分或全部的审计。这可以在短距离或长距离上以无线的方式完成，并且为此对存储器213中的数据进行加密以防止非邀请访问。 
当仅依靠司法的隐私立法的方式应用本发明的情况下，没有必要通过双向锁定222将定价系统216从付款系统219分离。在该情况下，这些系统可能位于相同的计算系统中(即，在相同的安全墙之后)并且能够从某种程度上简化通信方式。 
为了使定价系统216具有允许快速处理的定价图223，定价系统216必须以匹配区域日志格式207的方式编译。为了组织定价图以消除由残余的多径误差引起的定价误差，必须在准备站223中以一定的空间限制对其进行设计(图9)。为了使定价图同时对所有参与车辆进行更新，必须由对所有具有权限范围并发性的必要更新224进行管理的服务对定价图进行更新。 
准备站223是价格图准备设施，其使用诸如街道、拥堵区、财务(政治)权限以及地形图的几种图。后者用于确定多径误差影响限制， 该限制在地理信息系统中综合在一起生成价格图。该价格图为带有偶尔更新的一次准备。 
图3是多径信号干扰的示意图。车辆300中的接收机接收来自众多卫星301的信号。在穿过大气层的长行程后，这些无线电信号极度微弱，且受到干扰并且被进一步地衰减。这些信号的设计意图是其在接收机和卫星302之间的直接视线上被接收。实际上，在多建筑物地区(城市峡谷)303中，信号经常通过多重路径304和306到达接收机。这种包括直接信号302和非直接信号304的多径接收，通过相关方法在接收机300以常规方式解决。在特定情况下(即，人造卫星相对接收机300“被置于”建筑物或陆地特征306之后，但仍可发送到达接收机300的非直接信号306)，接收机的相关器无法确定其从该卫星接收的主信号是非视线的。由于卫星与接收机之间的推算距离通常会被夸大几十米，因此这种误差的结果是使接收机远离(偏移)该卫星。在多数的大城市的中央商务区中，这种多径误差严重地降低了传播路径的完整性(见下一附图)。 
图4是接收机自主多径减少(RAMM)的消除动态接收机因视线和非视线的多径产生的误差的能力的示意图。在该示意图中，装备有GNSS接收机的车辆以正常速度沿伦敦(英国)中央商务区中的道路400(细线)平缓地行进。使用的GNSS接收机目前被认为是同级别中最好的，其使用了“高灵敏度”技术并拾取含极微弱信号的几乎全部信号(没有高灵敏度技术时，数据中会存在很多间隙)。来自该接收机401(分散的点)的定位结果显示出来自道路的大量和突然的“跳跃”以及30米或超过30米的频繁误差(实际上200米的误差并非不常见)。来自本发明的RAMM过程402(更大的连续点)的定位结果显示出更平滑(无跳跃)、连续(无中断)以及更好的循迹(road-following)结果。注意70米误差403被修正到17米误差404，并且错误估计车辆在错误道路405上的45米误差被修正到15米误差406并接近正确道路。也要注意在一种情况下，来自一条道路的位置估计与来自另一条的位置估计结合407。 
图5包括两个子图，5.1和5.2。这两个子图结合起来显示了接收 机自主多径减少(RAMM)的静态接收机除去因视线和非视线的多径产生的误差的能力。然后，每个这种停车事件都被特征化且如此改进了位置估计，该特征化形成了停车日志的可审计元素。 
图5.1：黑色的虚线(分散的点)511显示出GPS单元每秒钟估计接收机所在的位置。较浅的实线512示出了小波分析如何改善这些估计。矩形513表示适当比例的汽车，但未必是其真实位置，只是估计的位置。 
图5.2：这是在多阶段RAMM过程的每个阶段减少位置估计变化和异常的理想示意图，该多阶段RAMM过程包括信号加权521、误差检测和消除522、小波分析523、聚类分析524等。变量减少以及分布高斯化的这个系列过程的特征化形成部分的证据性文件。 
图6包括七个子图，6.1到6.7。 
图6.1示出了每个位置估计xi在GNSS网格610上的放置。每个网格单元611都通过将每个Vi612的几何权重分布在其重叠的单元格上，来累积每个重叠测量的位置确定性(完整性)的统计(空间)权重。该公式与高性能RAMM一起向地图匹配提供极大似然(或“统计地最大可能的”)路径，该路径提供不精确的但性能良好的代理613。由于这是非常稀疏的矩阵，因此其能够在每个元素处通过完整性权重最优地编码成四叉树或八叉树。其也能够通过Douglas-Peucker算法进行压缩。 
在该图6.1中，每个椭圆都代表对于中心位于该点的位置的3σ误差范围。条纹区域表示至少一个位置估计，斑点区域指示至少一个误差范围溢出到其中。白色区域被从树中排除。注意这仅是示意；极大似然路径由沿着积分的密度函数的最大值、而不是沿着斑点区域的跟随(hill-follow)给出。 
图6.2示出了情况1：多次快速连续地进入和离开相同单元格620的情况。 
图6.3示出了情况2：多次快速连续地在快速交替中多次进入和离开相同单元格630的更极端的情况。其需要与情况1不同的处理。 
图6.4示出了情况3：仍然困难的情况，即，在延长的时间内多次 进入和离开相同单元格640而仍在相同的路程上。该情况更依赖前面的两种情况，并且需要以不同于情况1和2的方式处理。 
图6.5示出了被压缩成极大似然路径650的多噪声位置数据。 
图6.6示出了可能出现在原始区域日志中的间隔660。在变细或剪除时、或在高分辨率网格中以充分的速度行驶时，在4连接路径或8连接路径中可能会有中断。这很容易修复。 
图6.7示出了如何调整定价图(在准备站系统223处)，从而不可能向机动车驾驶者过度收费。在该使用基于连接的定价示例中，有可能通过编译定价图确保非定价或较低定价道路670(其在较高定价高速公路671之下或之上穿过)不触发不正确的收费，所述定价图识别较低定价道路的接近，并清零或将较低价格赋予这些单元格的价格。较高定价的高速公路上的每单元格的价格可以相应地增加，从而确保收费管理部门能够收取正确的收费总金额。 
图7示出了风险日志的两个重要元素。图7.1显示了速度分布图，其是具体瞬时速度的测量次数的总计并具有161个方块701。在该情况下，商业区中的驾驶者在该具体行程上从未超过62k/h。图7.2示出了加速度分布图，其是具体瞬时加速度的测量次数的总计并具有61个方块。在该情况下，同一个驾驶者的加速度从未超过10或者减速度低于13。对超速或者过大加速度的解释一般与位置有关。 
图8是在图形(定向图)800中连在一起的三个旅行日志的示意图，其具有节点801和边缘802。完整的“旅行日志”包括无论是动态还是静态的所有的旅行段、以及所有的日志，包括区域日志803、停车日志804和风险日志805以及所有相关的证据性特征(整体性测量)。当独立地计算、储存及应用这三个应用日志时，其中的两个，区域日志和停车日志被结合用于强大的篡改检查能力，因为采用的这两个日志联合地将旅行历史从第一停车事件的开始向最后停车事件的结束扩张，且没有时间或空间的中断。 
图9包括两个子图，9.1到9.2。 
图9.1：(简化的)几个信息层用来制作定价图：从现存城市地形图得到表示多径信号噪声的预期严重性的图901；街道层902；相对需 要的拥堵管理的区域或相对收入再分配的政治区域的图903。从此得到用于定价系统216的最终的财务定价图904。该定价图调整定价区域，以确保每个拥堵区域都可独立调整、每个政治区域都接收其公正的税收评估以及不能由于高的多径误差地区(例如，901的右上角)中的边界设置而导致定价误差。【注意：也存在未示出的用于停车和保险的等价定价图。】 
图9.2示出了使用围绕停车地区的缓冲区域以便从停车日志中限制出多径误差特征。在城市街道905上沿线布置可付费街道上停车设施904，而停车设施904又被人行道903和高大建筑物902围绕。在GIS系统中，在价格图准备设施223中隔离出整个停车地区901，从而利用未与任何其它潜在的停车地区重叠的缓冲区来围绕整个地区。两个停放的汽车906示出了3σ误差特征，该误差特征溢出到人行道或溢出进入建筑物，但不会溢出到边界多边形901之外。因此，如果来自停车日志的证据将车辆完全地放进边界的多边形中，那么应该付费。两辆汽车906的停车费都将具有充分的证据性文件而成为非可反驳的。在该多边形内的不适当停车是另外的执行问题。 
图10包括两个子图，10.1到10.2。 
图10.1示出了采用现有技术来本地地和匿名地处理停车付费和道路使用付费，以使得除了机动车驾驶者的账户已付的通知外，在车辆外不知道任何信息。该图还示出了远程地和隐私地处理保险付款。OBU1000(也是200)将区域日志和停车日志数据1001向另一台机载设备1002(该设备1002可与OBU1000集成在一起)传送，该机载设备1002使用道路图和价格图来计算付款、执行付款服务和返回账户余额信息1003，从而使OBU1000可以重置其账户状态LED212并管理存储器213。在保险公司不接受匿名保险费管理的情况下，有必要用车辆ID对风险日志数据进行加密1004并将其传送至远程保险费付款处理程序1005。 
图10.2示出了现有技术的新变化，其通过将车内定价和付款处理器设备1002分割为远程定价服务1012和能够是车内或远程的付款服务1015来保持位置匿名。为了保持有关匿名的系统完整性，保持以下 若干限制：区域日志或停车日志数据不能附带任何车辆ID1011；远程定价服务器1012必须在其定价计算已经在OBU1010处得到承认后毁坏其输入；必须在OBU1010(作为账户记录保持中心)管理计费结算信息；必须对计费结算信息进行加密并将其作为单独的交易传送至付款处理器1015；并且在定价服务器1012与付款处理器1015之间必须不存在连接1019；OBU作为定价和付款服务之间的储存和传递中心，以便在隐藏来自定价服务的车辆ID时保持交易的完整性。因此，定价服务不知道车辆身份，并且付款服务看不到位置信息。这样就在为道路使用和停车提供位置匿名的同时使系统成本最小化。如图10.1中的元素1004、1005一样对保险元素1017和1018进行处理。 
本发明使用来自全球导航卫星系统(例如，GPS、GLONASS和Galileo)的信号。除了机载(财产上)设备外，本发明的系统在被完全配置时还可以包括： 
Figure G2007800186028D00161
用于在陡峭地形或高建筑物城市地貌中减少视线和非视线的信号多径的一个或多个的装置； 
Figure G2007800186028D00162
用于提供精确定位的一个或多个装置； 
用于对定位确保进行特征化的一个或多个装置； 
Figure G2007800186028D00164
表示移动车辆的行进以及该表示的精度的装置； 
表示停放车辆的位置以及该表示的精度的装置； 
Figure G2007800186028D00166
表示移动车辆的速度和加速度行为以及该表示的精度的装置； 
Figure G2007800186028D00167
提供对停放车辆位置的极度压缩的装置； 
Figure G2007800186028D00168
提供对移动车辆位置的极度压缩的装置； 
Figure G2007800186028D00169
提供对移动车辆行为的极度压缩的装置； 
Figure G2007800186028D001610
用于付款管理的一个或多个装置； 
Figure G2007800186028D001611
为这种记录准备地理区域的装置； 
Figure G2007800186028D001612
用于无线通信的一个或多个装置； 
Figure G2007800186028D001613
用于确保隐私的一个或多个装置； 
Figure G2007800186028D001614
用于提供匿名的装置； 
Figure G2007800186028D001615
用于防止篡改的一个或多个装置； 
Figure G2007800186028D001616
评价和报告设备状态的一个或多个装置；
一种装置，其能够将车辆的应付费用/收费向来自单一数据传输的多重收费部门、多重停车管理者以及至少一个保险公司分散。 
1.为了经济性精度的接收机自主多径减少
接收机自主多径减少(RAMM)是嵌入机载硬件单元(OBU)的过程，由此将数字信号处理应用于原始卫星信号(即，在位置估计前)和多个来自卫星系统的其它信号和测量、以及包括环境状态限制(contextual state constraints)的多个(动态和静态的)统计过程。该过程的作用是减少噪声，具体地是多径误差，且更具体的是非视线的多径误差。对于多径误差的描述参见图3，图4是显示RAMM过程的效果的示例。 
优选的RAMM实施方式的采用按目标设计的硬件处理器形式，该硬件处理器被集成在机载设备中。该处理器使用既定的GNSS专用的处理方法以及多种附加技术以更有效地利用原始定位信号来计算位置，所述附加技术包括信号加权、故障检测与消除、向前和后向限制分析、小波变换和分析以及统计模式识别。 
每种位置计算都会有来自多种来源的误差，其中非视线多径误差(图3)是最难以处理的。多径误差因具体到瞬时位置的本地作用和接收机示例的动态而产生。称为伪距信号的输入信号通常是多余的。虽然进行位置计算最少需要四个信号，但是一般会接收到更多的信号。例如，GPS/Galileo双模接收机可能在开放天空中接收到超过18个信号，而在多建筑物地区或陡峭地形中，一般会接收到10到14个或更少的信号。 
第一重要步骤，结合多个已知的GNSS信号管理技术的信号加权是常用程序，并且重要的是不会以发明对其要求保护。 
第二步，故障检测和消除利用上述的冗余。该冗余在获取改善的(以及特征化的)位置估计时有用的。这里有一个示例：当存在N>4个信号时，对于每一秒钟，计算c＝NCk(“N选择k”＝N！/(k！(N-k)！))个位置估计(例如，如果(N，k)＝(10，5)，c＝84；对于(N，k)＝(7，5)，c＝21))。这些c估计值形成估计聚类，该估计聚类分布于平均位置x周 围且具有表示其分布的协方差矩阵(V)。采用该方法来迭代地去除单一异常值直到满足某些条件，比如保留点的最小数目或者两个相邻迭代的{x，V}不相异。这样就产生了N′个点，利用这些点计算能被作为这一秒钟的特征化位置估计的最终{x，V}。静态和动态天线的故障检测和消除稍有不同，并且也存在该基本方法的很多变化。这些变化在也本发明的保护范围内。 
第三步，即正向和反向的约束分析是能够进行的，因为可审计的位置日志不需要对该新方法做实时响应。这意味着基于在时间t的合理的移动车辆或财产的动态、在时间t+1约束天线位置的过程反向同样地为真。因此，在时间t-1约束天线位置的过程也能基于在时间t的合理的移动车辆或财产动态。因此，去除时间向前移动的约束提供两倍机会来消除位置估计漂移。 
信号加权、故障检测和消除以及前向和后向的约束分析几乎同样地被应用于动态和静态接收机。 
第四步，小波变换和分析将小波变换应用于来自静态接收机的数据。小波变换几乎等价于傅立叶变换，除了小波适合于统计上的非稳态数据，而傅立叶分析假设待分析数据具有稳态性。该步骤有效地从来自静态接收机(例如在停放的车的情况下)的定位估计中去除方差、扭曲和峰度，否则由于这些定位估计的状态太差而无法产生可靠的特征。 
第五步，即统计模式识别应用例如“K均值”的聚类分析及其变量，以将来自静态接收机的多模数据分布中分开位置估计子集。这就允许对这些聚类以进一步去除方差、扭曲和峰度的方式进行加权，从而提供性能良好的且更可靠地特征化的位置估计。 
本发明的这个部分(RAMM)的特别之处在于其对定位误差的减少是可靠的、可重复的并优于现有技术。对于道路收费应用的现有技术假设导航级全球导航卫星系统(GNSS)接收机及并入的天线足以满足要求。从2006年起，这些接收机对于在信号被经常阻挡和反射(遮蔽、多径)的粗糙信号环境中进行精确的道路定价是不够的。具体地讲，其可能会错误地定位相邻的道路407上或者相邻的区域中的车辆， 进而可能会引起错误的应收费。 
2.用于证据确保的位置估计特征化
在城市峡谷中，GNSS位置估计受到随时间或随(甚至当仅偏离几米时)位置变化的多径误差(图3)影响。从统计的角度看，在GNSS轨迹日志中产生定位噪声的过程是随机和非稳态的。具体地，如果收费系统依靠如在停车或道路使用付费设施中的位置，那么如果记录系统不能以任何测量来确定相关车辆在特定道路或具体的车道上，或者已经通过特定的隔离线，或者已经停放在确切的停放位置上，则在使用该系统输出时而产生的收费会容易地被驳倒。因此，在上述的RAMM过程中，本发明收集统计信息以及处理信息。其包括二维或三维协方差矩阵V、矩阵的特征值和特征向量以及沿该特征向量的二维或三维扭曲及峰度。其允许在每个点进行误差特征化，也就是每秒一次。以下列方式使用该位置特征化： 
1.在后来的定价活动过程中，使用该位置估计特征化来确定位置估计是否足够确定来给使用分配费用。具体地，如果如此特征化的误差边界使得对于车辆在哪条道路上行驶或者车辆在哪个停车场上停放非常确定，那么收费是不可反驳的。但是如果误差边界使上述问题存在不确定性，就不能保证这种不可反驳性； 
2.能够直接使用该位置估计特征化来审计一系列对停车收费的费用； 
3.能够使用该位置估计特征化来校准OBU以评估其是否可靠地工作，或者反过来讲，正常工作的设备是否对于实现目的是足够准确的。例如，如果建议的应用是在多车道高速公路上确定行驶车道，那么可以使用位置估计特征化来确认是否能够做出可靠的确定。 
用于该位置估计特征化过程的优选实施方式是其被集成在相同的机载设备中，并被集成在为相同的目的设计的硬件处理器中，(上述)RAMM在该硬件处理器中实现。这个过程的输出能够是整套的统计描述符(例如，前四个多变量统计动差(二维或三维))，或者能够是压缩的近似，该近似从这些可以由代表误差半径的简单向量或甚至标量表示的动差中导出。实际上，后者更具数据有效性，但通常对于实现 目标是不够的。 
3.在单一设备中处理动态和静态的审计
在处理原始卫星信号中产生的误差的性质会受到接收机是动态(移动)或者静态(停放)的严重影响。在RAMM过程203中，本发明在该过程中非常早地检测接收机是静态还是移动的204，并分别对两种状态205和206进行不同的处理和独特的存储，即，该两个过程早期就分离并在余下的过程中保持分离。尽管来自移动事件(“区域日志”)207和来自静态事件(“停车日志”)209的两个结果后来作为设备的一部分被结合和分开使用，并进行状态检查211，但是除了在同一个处理器中实现以外，其处理、格式、存储、解释以及计费结算过程都完全不同。这就提供了计算和空间的优点以及更好的市场覆盖和安装效率。 
动态和静态的双状态处理的优选实施方式是其被集成在基于相同目的设计的硬件处理器中，RAMM在该处理器中实现且该处理器被集成在同一个机载设备中。 
确定“动态还是静态”的方式包含了来自可选的加速计的信号(由于该设备并非本发明的核心，所以未在图2中示出)，或者包含了通过对在从位置时间序列的第一差异中得到的速度时间序列应用低通中值滤波器。为了对“停止”和“停放”进行区分，能够将如“停止超过M分钟”的定义确定为“停放”。 
使用静态位置(停车日志)和动态位置(区域日志)的历史来确定篡改211是本发明的重要元素。区域日志和停车日志以正确的时间序列连接起来形成有向图(“定向的图”)，其“边缘”是行程的动态部分，而其节点是行程的静态(停放)部分。完整的行程日志(图6)没有位置中断(除了当穿过隧道时，具有定价系统216已知的所有隧道实例)，并且没有时间中断(在停放车辆时OBU可以掉电，但是重新启动时，停放事件的开始和结束会是共终端的)。此外，以类似的方式对进入和离开停车库的问题进行处理，而这种情况可能与进入和离开隧道的行为模式相同。唯一的篡改可能通过移动检测器消除，该检测器使得在不被检测到的情况下，不可能移动“处于”停车事件的车 辆。 
4.停车日志：为向静态(停放)的接收机收费而专门设计的高比率压缩
当多径误差已经消除203以及其相关位置估计的误差已经特征化206时，本发明的这个部分包含嵌入在部件209处的OBU200中的方法，并且是用于记录停车设施使用(“停车定价”)的装置。 
在城市峡谷中的静态接收机的位置分析具有问题以及将其自身区别于解决动态接收机的多径噪声问题的机会。 
这个问题是，当天线是静态时，实际上除了确认该静止状态以外，惯性导航系统不提供任何辅助。甚至当天线是静态时，多径，尤其非视线多径产生在经验平均值周围的随机误差聚类，该经验平均值实际上为随机的。特别地，其统计行为趋向于非稳态，并且其分布是高度扭曲、异常和峰态的501和510-因而其不服从高斯统计。 
而这个机会是，当在大量来自静态接收机的位置估计上进行RAMM过程203时(将501变为502)时，也能采用一些其它的不能应用于来自动态接收机的数据的统计分析。这些分析包括小波分析(对于非稳态过程的傅立叶分析)以及聚类分析。因此，部分处理的聚类511能够被进一步处理512，以更好地确认停车位置513的位置。为了进一步地将其延伸，误差减少(图5.3)的几个系列阶段能够展现该处理对于证据性数值在良好的方式下进行。 
用于在每个阶段(例如502和512)的数据分散的数据分布521、522、532和524的特征化的记录，如通过最终分布(图5.3中的524)给定的那样，变为停车事件的压缩记录，并提供对证据性数值以及改进的位置估计的立即访问。 
5.区域日志：为向移动(行驶)的接收机收费而专门设计的高比率压缩
当已经减少信号误差203并且已经特征化其相关位置估计误差205时，本发明的这个部件包含嵌入在部件207处的OBU200中的方法，并且是用于记录道路使用(“道路定价”)的装置。其用于所谓的“区域定价”或“拥堵定价”或“隔离定价”以及潜在的其它名称的定 价方式，其中，指定通常是城市一部分的地区，并且对该地区的所有的道路和街道以根据时刻或者周几设定的价格进行收费。这旨在对拥堵进行特别处理。目前这类示例包括Singapore Electronic TollCollection system(新加坡电子收费系统)(1998年开始)、LondonCongestion Charge(伦敦拥堵收费)(2003)以及Stockholm CongestionCharge(斯德哥尔摩拥堵收费)(2006)。 
本发明的这个部件还用于所谓的“联接定价(link-pricing)”或“计划定价”或“数值定价”或者用于城间道路定价以及潜在的其它名称的定价方式，其中，对特定的道路或道路的特定部分进行收费。这通常用于向道路计划投资或者对道路的保养，有时用于控制拥堵。这种示例包括Pennsylvania Turnpike(宾夕法尼亚收费公路)和安大略的“Highway407(高速公路407)”。在特定的环境中，如果所讨论的高速公路离其它非定价或不同定价的道路足够远(2至50米，取决于地形以及所使用的接收机/天线的类型)，那么其能够被应用于“高占用/收费”(HOT)方式定价。 
本发明的这个部件特别地针对某些地区的情况，在这些地区中一个或多个地区政府对城间高速公路进行定价并对其城市中心进行定价。在不具有处理这两种类型收费的装置和方法的情况下，在该地区的驾驶者会需要两种或更多个装置、两种或更多种记录方法以及两种或更多种付款服务。 
本发明的这个部件包含两个主要部件，并且每个部件都包含一些子部件。这两个主要部件是： 
■车内部件。过程207的这个部件在OBU处理器202中运行。 
■定价系统216部件。该部件通过一般的计算机上运行的软件实现。当数据中心没有特别的设备时，本发明所述的特殊过程对于完成在车辆中的装置(OBU)中开始的过程是重要的。 
区域日志生成过程207包含三个步骤，假设已经计算{x，V}203和205。 
区域日志生成器步骤1：在图6.1中，每个{xj.Vj}都以M米的分辨率位于GNSS网格610上，即，每个单元611是M×M米(例如， M可以从2m到1000m)，每个椭圆612代表那一秒钟的位置估计(xi)的误差分布(Vi)。该椭圆会覆盖一个或多个与8个单元相连的单元。在图6.1中，椭圆包含在1到4个单元中，但是一般地，椭圆会覆盖任何数量的单元(图6.5)，该数量取决于多径的严重程度和网格分辨率。对于每个椭圆，计算每个被覆盖的单元占覆盖面积的比例。全部比例的和为1并且代表已行驶距离的一部分(瞬时速度)和采样周期(可能是1秒)的对应部分。将每个比例向用于每个相应的单元的累积器缓冲添加。这个累积器是稀疏矩阵。将该“原始区域总计”表示为ZR。 
ZR通过将每个Vi的几何权重分配在其覆盖的单元上来累积每个覆盖测量的位置确定性(整体性)的统计(空间)权重。结合高性能RAMM的现有阶段，该方法提供了行程的极大似然路径，其虽然不精确，但对地图匹配而言却是非常好的代理。由于该总计是非常稀疏的矩阵，所以其能最优地被编码为在每个元素处都具有完整性权重的四叉树或八叉树。也能在编码为树之前，通过Douglas-Peucker算法对其进行压缩。 
区域日志生成器步骤2：压缩ZR，通过找到总的持续时间＜t的所有单元(该单元中的时间太短)，搜索与之相连的8个单元并将该小权重加上4相连单元的权重/最大权重。这就保存了矩阵的总计权重，但去除了具有不合理贡献的单元。这被称为ZR的溢出修剪。 
区域日志生成器步骤3：为第j个行程(即，每个持续时间非零的单元，Te-Ts＞0)，将保留数据压缩为四叉树Qj。在可行的情况下采用微分编码或积分编码。该树中的每个单元都保持GNSS网格指示符、开始时间Ts(该单元的第一采样时间)、终止时间Te(该单元的最后采样时间)、该单元的加权秒数(时间段的总和)以及在该单元中行进的加权距离(距离段的总和)。 
基于主设备(OBU)的通信协议将Qj发送给定价系统216。本发明不涉及该协议的具体内容以及数据中心的数据管理过程，因而在本申请中不对此进行描述。 
在定价系统216中，价格分配的任务是简单的：如由中点时间 (Te-Ts)/2给出的时间表价格所设定的那样，对于Qj中的每个单元，基于在单元中行驶的加权距离来计算收费。 
为了完成对区域日志的描述，在该部分的以下内容中对在定价系统216中处理的示例情况进行描述。 
情况1：具有时间重叠的单元(这些单元中的一个在很短的时间间隔内被“接触”两次)。在图6.2中，行程经过单元B，然后经过A，接着再返回穿过B。如果收费是每个单元(接触)的总额，那么B会被两次收费。如果收费与该区域中的持续时间有关，则B会被过度收费。如果收费与单元中的距离有关(这是本发明所努力的)，那么B会被正确地收费。多径误差有时会夸大行驶距离的倾向可以通过采用Douglas-Peucker算法消除，以使行程平滑。(例如，西门子公司2005年的报告显示在一个多建筑物地区的距离计算误差为7.5％；在2006年Transport for London在英国所做的一系列测试中发现了较多相似误差)。或者，为每个政府当局所做的这种研究能够生成有关本地距离误差程度的折扣图，但这似乎不太必要。 
情况2：在两个单元的边界上徘徊的行程(图6.3)。这是情况1恶化的示例。其能够如情况1那样处理，但如果对单元A的定价与单元B非常不同，这也许会不公平。但是，如果将所有的持续时间和距离分配给具有更少收费的单元，那么看起来会更公平些。 
情况1和情况2是可能被区分开的，因为在情况1中，一个单元的持续时间比另一个的少得多621，而在情况2中，持续时间几乎相同631。区分方法不重要。 
由于这些单元相对较小，所以通过设计定价图来使在A和B被不同定价的环境中发生情况2中可能性最小化并不难。 
情况3：作为更困难的情况，图6.4示出了多次接触相同单元的行程(如在城市中因停车或迷路，或在市郊山区的字形路线上“兜圈”)。通过对相同单元(位置)中出在时间阈值内的所有数据进行求和来处理该情况。理论上，该处理可以在OBU内进行，但是这样可能太不灵活。如果在数据中心进行处理，则会比较灵活(例如，管理部分可能会希望对“兜圈”而不是字形路线的空间环境而多收费)，该处理会是 第一步，并将Qj压缩到驾驶者在兜圈或者在小的区域内环绕行使的程度。由于区域日志以停车事件开始和结束，因而对于单元来说不可能对交叉行程(比如在来去商店的两个行程上)进行求和。注意由于每个单元只有一个持续时间，因而该数据压缩步骤有效地使单一单元具有多次接触并夸大了车辆在该单元中的时间长度。 
情况4：通过密集建筑地区的行程会有极高的多径，并且因而误差的范围会溢出其直接相邻的8个单元(图6.5)。在这种情况下，有噪声的定位数据(来自RAMM过程)被压缩成极大似然路径。在该图中，每个椭圆代表单一位置的3σ误差范围。在50米网格上，以每小时25公里以及每秒一个位置采样，在该行程段上会具有大约52个点(和52个椭圆)。在该图中，其由九个与4个单元相连的单元表示，其中每个单元需要少于8位来对位置和完整性进行编码。当所述算法对其处理没有困难时，价格图224在高多径地区应该是扁平的(即，没有相邻的价格差异)。 
即使还在OBU中，将Qj变细也是可能的(图6.6与6.5相比)。每个被占据的单元都具有微分的权重，并且该权重会随着单元向最大数目的均值所处的中心权重移动而增加。如果在OBU中进行变细修剪，那么其必须在溢出修剪前进行。 
当该算法以任一种方式工作时，变细修剪能够降低通信费用。 
一种关于修剪，尤其是变细修剪的观测：使行程变为断续路径是可能的(图6.6)。由于已经保存了由Qj表示的整个行程距离，因而这不是问题。只要定价图在这些地区是扁平的，那么在计算的收费中就没有差异。(防止这种情况在修剪算法中发生也是不重要的。) 
由于收费道路能够由平铺的区域表示，且该平铺的区域限制在该道路上运行的被认可的接收机的误差界限(如由定价图的设置中的预期的多径干扰所修正的那样(图9.1))，因而区域日志(完全处理的Qj)能够用于记录收费道路的使用(“基于联接”的定价)。在另一条道路从中或在附近穿过的任何地区中，在本地误差半径内的单元必须被设置为该两条道路的最低价格。在图6.7中，最小值为0元($)。因此，定价道路的使用者会有一些免费单元，以确保使用非定价道路 的驾驶者不会因这些单元被收费。这样，在定价系统216中就不需要关注旅行的方向。为了确保没有收入损失，可以调整定价单元以弥补该损失。 
因此，区域日志用于拥堵区域类型的定价地区和收费高速公路，该高速公路离非收费高速公路和差异收费高速公路至少一个单元宽度(以及3σ)。 
为了在可能与非收费高速公路非常近(平行)的收费高速公路(“高占用收费”类型)的情况下成功运行，可以在机载装置中增加DSRC(或类似的)子系统。但是，由于随着增加现代化的Galileo和GPS以及其它未来的增加和升级，GNSS精度提高了，因而对分开仅几米的道路(例如相邻的车道)进行区分的能力是可靠的，尤其在开放天空中。 
本发明不受任何特定的单元大小限制，并且理论上以任何大小的单元尺寸工作—无论是公里还是纳米。然而实际上，50或100米的单元尺寸适用于如中央商务区中的隔离定价或对限制进入高速公路进行收费(“基于联接”的收费)的应用。为了在多车道高速公路的相邻车道中区分出行驶车道，在开放天空情况下，车道宽度(例如2.25米)的一半(1/2)的单元尺寸是合适的。 
6.风险日志：为获取用于保险的保险精算证据而专门设计的高比率压缩
当多径误差已经减少203以及对已经其相关位置估计误差进行特征化205时，本发明的这个部件包含嵌入在部件208处的OBU200中的方法，并且是用于为评估操作者责任保险费而记录道路使用(“道路定价”)的装置。 
收集定位信号的GNSS接收机201应具有高灵敏度以确保大量的信号一直被接收，而无论噪声多大或者衰减的多严重。 
本发明的这个部件建立在上文公开的区域日志207上，并用于计算用于记录道路使用的时间标记、位置标记和风险相关的签名(“风险日志”)208，从而计算汽车责任保险费。风险日志应用于按行驶收费(Pay-As-You-Drive)保险，以及所谓的现收现付(Pay-As-You-Go)保 险或按里程付保险费(Pay-By-Mile)保险和大量其它类似的名称。 
本发明的这个部件，尽管有些相似，但与用于道路使用收费或例如道路定价、拥堵定价或价值定价的交通需求管理(Transport DemandManagement)项目的部件不同。风险日志可以以较低的定位精度来确定和使用，这个较低的定位精度是相对证明使用和计算可靠的保险费所需的证据性记录而言较低。另外，风险日志包括其它形式的道路使用收费所不需要的其它速度和加速度分布图。另外，可将速度和加速度用作风险指示符，这样当其在风险日志中被获取时，可能在用于其它形式的道路使用定价的行驶日志中没有用。 
本发明的这个部件使得承保人可以确定车辆行驶的地点、时间、频率、距离、以及速度(速度总计)和攻击性(加速度总计)。根据承保人的要求，能够提供关于每个行程的起点和终点位置的信息，还能提供在终点间所选择的具体线路。 
当保持具体线路时，保持速度(图7.1)和加速度(图7.2)数据从而能够优化地确定驾驶者是否超速。尽管几乎没有权力部门允许对该证据所表明的超速进行保险，但这个证据能够用于更好的评估风险。如前所述，从区域日志207中能够获得具体的路线数据。 
本发明的这个部件具有两个主要元件，分别是车内部件208和可以是定价系统216或由第三方管理的独立系统的数据中心部件(不是图2的部件)。通过普通计算机上运行的软件实现该数据中心部件。当数据中心没有特别的设备时，本发明所述的特殊过程对于完成在车辆装置(OBU)中开始的程序是重要的。 
如果已经计算了(203)和特征化了(205)时间标记位置数据{xi}的时间序列，那么风险日志生成过程208包含以下步骤。 
除了其它的数据以外，每个xi都包含Hi和时间i处的时间标记T，其中H是水平位置(向北和向东)。 
在每个时间标记处(例如秒)，以公里为单位计算Hi和Hi-1之间的距离△i，从而以公里每小时为单位确定瞬时速度。如果数据的一个或多个时间标记由于任何原因而丢失(数据空隙)，则在最后已知位置和下一个已知位置之间适当地计算△i。然后将这个距离等分成正确数 目的时间标记段，以便为剩余的计算修复时间序列。由于不能保证车辆在该数据间隙中沿直线行驶，因而可能会轻微地低估实际行驶距离。高灵敏度GNSS技术很大程度上减少并且经常完全地消除了这个顾虑。而且，如果可能轻微地低估距离，那么速度也会被低估。如果发生这种情况，则由于其非常轻微所以不会影响系统的作用。 
所以，在每个时间标记上都将测量速度和加速度。能够在两个旅行曲线图中对该数据进行累积：一个用于速度【图7.1】，一个用于加速度【图7.2】。速度图具有(例如)161个单元(存储位置)701，这些单元依次表示0km/hr、1km/hr、2km/hr、...160km/hr。所有超过160km/hr的速度在最后的单元累计。加速度图具有61个单元702，其表示从-30至30km/sec2(公里每二次方秒)。所以，这两个一维图中的每个单元都提供了秒的记数，并在该过程中分别保持了特定的速度或特定的加速度。 
为了防止数据溢出，可以使用这样的技术，其中，任何时候单元达到整个图一半的容量，并且对于每个图都维持半个计数。通过这种方式，数据尺寸是与行驶长度无关的常量。这些图通过可变压缩而进一步减少。例如，可以使用“第一差异”和/或行驶长度压缩。 
作为可替换方案，保持完全行程的信息是可能的，并且本专利申请中就包含这种可能性。其允许确定超速行为以用于风险评估。 
为了保护本发明的这个部件，关于用于速度图的秒、千米、161个单元，加速度图的61个单元，或者建议压缩的特殊形式，没有什么特殊的。对于本发明的这个部件，任何其它合理的单位、单元数或者压缩类型都是同样合适的。 
待传送给定价系统216或者第三方数据中心的完全风险日志包括： 
Figure G2007800186028D00281
特征化的起始位置(结合停车日志的单元)； 
Figure G2007800186028D00282
速度和加速度分布图； 
Figure G2007800186028D00283
时间-日期-车辆-ID；以及 
Figure G2007800186028D00284
与奇偶性相关的管理费用。 
每次旅行的估计总量大约为600字节，与单位为千米的旅行长度 无关。对于一年中的每天假设每天四次旅行，该总量小于每年一兆字节。当本发明用于具有足够存储量的无线应用时，使用者可以在不使用无线通信214的情况下预付保险费(像现在一样)、记录一年的数据并调整下一年的保险费(贷方或余额)。但是，需要车辆登记者访问数据库以进行数据下载。作为无线应用的其它可替换方案，可以通过便携式短距离通信装置(如可访问互联网的PDA的蓝牙装置)上传该数据。 
作为其它的可替换方案，在基于位置的保险费计算中可以包含完全的、长度可变的区域日志。 
7.基于信号以及模式识别的远距离可确认设备状态的方法
有很多原因导致OBU故障。无意的机械(撞击)或电气(短路、错接和电池)问题可能使其完全失效。对于这类问题存在公知的检测和诊断方法。对于包括某些机械形式的有意篡改在内的其它问题，也存在很多公知的防止和检测方法以及修复方案。 
在高灵敏度接收机出现前，GNSS信号一直容易且经常受到偶然或有益的干扰和遮挡的影响。由于存在很多的非控制因素导致在位置锁定时出现这些中断，因而从偶然遮挡中区分出有意的部分是不切实际的。在所有情况下，大多数这种中断都是短期的，而且通常在如汽车导航和车队管理的非重大责任应用中一直能够容许并能部分地修复这种中断(利用惯性导航和图匹配)。 
在如道路定价的重大责任应用中，必须能够检测有意干扰和遮挡天线的欺诈行为，并且必须将实施这种欺诈的机会减小到最少。其解决方案形成了本发明的状态检查的一部分。 
本发明的这个部件致力于检测信号干扰或遮挡。由于本发明制定了高灵敏度接收机，所以只存在两种情况使得天线无法接收到用于定位的足够信号：在隧道或在车库中。这两种情况在定价系统216中容易得到解决。隧道很少且持久，并且被表示在定价图224中以便进行自动区域日志(215的一部分)修复。在进入车库不久离开车库，并且OBU在信号被遮挡期间登记停车事件。如果没有发生这种情况，就意味着本来要停车的车辆决定不停车并很快地离开-短暂的自由行 驶时间。所有其它情况都表示有意或无意的干扰或遮挡。 
为逃避缴费的有意干扰或遮挡会在整个“旅行日志”中产生中断(图8)，这种情况不能归因于隧道或车库(这两种情况在定价系统216中均能被辨识)。由于旅行日志由节点801和边缘802组成，所以能够进行对中断的检测。具体地：【1】停车事件必须在G米内开始和结束；【2】停车日志的中断不能大于D米；【3】区域日志必须分别在停车事件结束或另一停车事件开始时开始和结束。也就是说，在OBU211内进行时间连续性和空间一致性的检测，这种检测形成关于具体设备状态报告的一部分。因此，完整的状态报告包括对设备的物理和电完整性的检测(现有技术)、以及已经在一直收集的数据流完整性的检测(本发明的该部件)。当出现可疑的篡改时，返回定价系统216的状态信息211将指示该情况，并且将适当地设计LED状态灯212。 
全世界范围内有大约100个超过1500米的车用隧道。如果适当地对D进行设置，则在OBU中能够存储所有长度超过D的隧道的起点和终点的小数据库，从而避免了错误地设置OBU出错状态LED212。在定价系统216中，能够确定引起小于长度D的区域日志中断的可疑篡改，并且能够将出错信息忽略可返回至具有付款表217的OBU，以便正确地设置LED。 
8.残余价格分配误差的消除
尽管动态和静态接收机的RAMM处理通常消除50％到80％的信号误差，但并未消除全部的误差；因此，需要减少空间误差效应的方法(“空间误差减少”)。另外，在如道路或停车收费的财务/空间应用中，我们能够预计会遇到以下三个问题： 
1.具有足够高的多径的相邻道路收费区域可能不是可完全区分的； 
2.关于边缘条件的不确定性，尤其在靠近停车地区的外边界停放车辆的情况下。这是与上述“相邻道路收费区域”相同的空间问题，但是停车的准备和解决与道路定价的不同； 
3.重叠道路定价区域，例如在两个或更多不同定价的道路的交叉处。
【1】为了确保高的多径地区中的相邻道路收费区域不会产生收费误差(向驾驶者收取错误金额)，用以下简单的约束来开发定价图，即，在高的多径地区中的任何定价边界都与相邻地区共享其定价规则(金额与时间变化)。(如果在该情况下来自这两个地区的税收来自两个不同的付费者，那么就必须对该争议的金额分隔进行商议。) 
可替换方案是生成围绕两个定价地区的较低定价地区的缓冲区，并将来自该缓冲区的税收分配给低费率的最大可能地区。 
这两种方法都会需要轻微的定价增长，以保持收费部门的财务完整性。 
【2】为了减少停车时边界条件的不确定性，存在三种解决方案： 
在应付款的停车地区被不能停车或停车非法的地区(建筑物、人行道和道路等)包围的情况下，在限制多边形中能够包含用于非可停车设施的限制多边形。注意在图9.2中，停在交通信号灯前少于M分钟的车辆是“停止”，而不是停放204。图9.2中的示例示出了街道停车设施和矩形限制多边形。在非街道上的地面停车场和任何的多边形停车场中能推广本发明，并且效果一样好。 
免除不确定的停车费。该情况的示例是不能确定车辆停放在定价街道上还是在相邻的非定价车道中。 
不要在无法足够经常做出正确区分的停车地区使用本发明，除非两个停车管理者能够确定相同的价格和做出公平的划分。 
【3】为了确保对例如在不同定价的两个或更多道路交叉处的重叠道路定价区域进行正确处理，将价格较高的车道的价格降低到较低车道的价格，并将增加较高车道的保留定价部分以弥补损失。(图6.7) 
在价格图准备设施223、定价系统216和OBU200之间分享用于消除剩余价格分配误差的优选实施方式。由于将定价图准备成223具有附带定价属性的光栅图像，因而在OBU处准备的区域日志207必须是按照位置、分辨率和地图投影的精确匹配。 
9.旅行隐私和匿名
通常通过在机载设备和过程中包括定价图和付款管理来提供VPS中的隐私。从而，VPS能够在车辆中进行记录使用、计算账单并确认 付款。唯一必须离开车辆的信息是某种形式的付款完成通知，以使得执行某种方法(例如，牌照识别或者机载设备上的状态灯的视觉检查)能够确定已经付款。为了清楚地说明，图10.1示出了现有技术中的该方法。 
该方法的问题是机载定价图产生很大的初始化费用和运行成本，同时使得定价计划的选项不够灵活(例如，为特殊地区或特殊场合提供折扣)。 
本发明在不使用机载地图和昂贵的机载付款管理系统的情况下提供隐私。通过将车辆ID(与车辆的注册拥有者并因而与驾驶者结合)从描述行程和停车事件的地理信息中分离来实现上述功能。在本发明中使用的过程是：在OBU200和213中收集并处理数据(上述发明元素1、2和3)，从而在延长的时期(几小时或几天)后，准备好一系列行程(“区域日志”)和停车事件(“停车日志”)用于定价确定216。该信息以独特的交易码和车辆类别码1011且没有车辆或用户ID被传送到215定价系统216，以进行匿名的价格确定1012。接着，定价系统216返回1012交易代码和定价矩阵P(217)，其包括K个付款结算对(收款人、欠款数额)，每个均对应K个在传送的停车日志和区域日志中表示的独特收款人。在车辆214的接收中，然后OBU将新的交易代码、车辆ID和定价矩阵向付款管理219传送1015。为了确保有关车辆已经被驾驶或停放场所的匿名，定价系统和付款管理中心不能通信。具体地，该通信会被阻挡，并且需要的相互通信会通过机载设备(作为中心)操作。 
另外，车辆的停车日志和区域日志的细节的储存库仅被存放在机载设备200(为了隐私)中1010。只有K个收款人和金额的定价矩阵被传送到付款中心。OBU必须满足任何在此之外的详细审计需求，这样就需要额外的程序，该程序在驾驶者密码控制下重新读取OBU，并产生详细的审计索引。能够通过已知的技术提供该特征。 
用于处理隐私的优选实施方式是在OBU处作为介质的硬件处理，但需要定价和付款管理的数据中心功能由通过OBU操作的分开的功能来处理，并且不能独立地通信。
为了还在使用远程定价功能(以避免车辆中的正确的定价图的操作费用)的完全匿名，付款功能能够以机载方式移动1015，并且能够用预付智能卡(或者等价物)来付款。在这种情况下，只有OBU上的可见光序列可以指示已经付款，或者可替换地，OBU能够向执行中心发出“已付款”信号，这样车辆的牌照就被拍照识别系统识别为“已付款”。 
10.付款拆分
现有技术中的机载运输计费结算相关的设备通常用于单一的设施提供者(例如，登记靠近加拿大多伦多的407号高速公路的应付款情况的机载设备)。最近，欧洲已经建立用于在同等级设备(DSRC，专用短距离通信)中互用性的标准，以及与之相适应的技术。这就意味着现有技术能够汇集来自一个车辆的道路使用信号，该车辆登记(并提供付款服务)了来自多个设施提供者(收款人)的道路使用。 
本发明的这个部件在基于位置的付款服务的付款拆分方面超过了现有技术的能力。当本发明必须服务多个收款人时，正如目前由ETC(电子道路收费)代理者以及电信提供商在做的一样，但其也必须服务于三种不同类型的收款人：道路管理部门、停车管理者以及保险公司，而且需要创新。 
本发明的这个部件的优选实施方式需要机载和远程功能，且使机载硬件成为关键元素。 
机载功能，具体地说就是对GNSS信号(包括203到209)进行捕获和滤波的新方法和装置为区分三种主要类型的收款人(道路、停车以及保险)提供独特的基础。在没有如在本申请其它部分描述的该设备、处理构架(或等价物)、检测和测量203和204、确保205、206和211以及分离207、208和209的功能的情况下，提供覆盖着三种行业的付款拆分将会不可行。在这个意义上，OBU203到209的关键功能是：【1】不受多径误差的影响，将停车从行驶中清楚地区分出来的功能，【2】两种不同的方式来处理证据性文件(一种用于停车，一种用于行驶)，以及【3】对车辆中的这些证据性文件包进行预打包，以便直接传送给用于每个行业类别的合适的定价服务。
尽管付款服务功能是本发明的这个元件的次要元素，但对其专门为每个行业进行设计来对三个日志进行接收和定价。 
因此，我们要求保护这样的能力，即，以单独的位置数据流来确定和正确地拆分用于三种行业的付款。 
前文仅描述了本发明的特定优选实施方式。本发明并不限于这些示例。本领域的技术人员将会理解和明白，修改和变化可以或者将会可以利用和执行本文描述的发明的教导。因此，可以采用所有适合的修改、变化以及等价物，并且这些修改、变化以及等价物旨在落在本发明描述的范围内以及权利要求的范围内。特别地，本发明能够在任何情况下部分或整体地应用，其中，将对个人或财产的位置进行公开地、秘密地或匿名地、实时或以任意时间延迟地记录和审计。尽管上述内容以车辆和车辆定位为对象，但可以理解本发明可以应用于其它财产和物体。

Claims (17)

1.用于对移动或静止物体的位置进行追踪的方法，包括以下步骤：
以定时的间隔接收与所述物体的位置有关的定位数据；
基于所接收的定位数据来计算对于每个时间间隔的位置估计和相关的误差范围；
将每个所计算的位置估计及相关的误差范围分配至由单元组成的网格；
通过将每个相关的误差范围的几何权重分散到所述误差范围重叠的单元上来计算每个位置测量的位置确定性的统计权重；
基于加权的位置测量来计算行程的极大似然路径。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述网格具有规则的正方形单元以及2至1000米的分辨率。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述网格具有规则的正方形单元以及2至100米的分辨率。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述误差范围为椭圆。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述误差范围为3σ椭圆。
6.如权利要求1所述的方法，其中，计算对于每个时间间隔的位置估计和相关的误差范围的步骤包括迭代地除去所接收的定位数据中的单一异常值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述行程的极大似然路径被编码为四叉树，包括网格单元指示符、单元中的加权时间、单元中行驶的加权距离、单元中位置估计的第一采样时间以及单元中位置估计的最后采样时间。
8.如权利要求7所述的方法，其中，在被编码为树之前，通过Douglas-Peucker算法对所述行程的极大似然路径进行压缩。
9.用于对移动或静止物体的位置进行追踪的系统，包括：
接收机(201)，其用于以定时的间隔接收与所述物体的位置有关的定位数据；以及
处理器(202)，其用于：
基于所接收的定位数据来计算对于每个时间间隔的位置估计(xi)和相关的误差范围(Vi)；
将每个所计算的位置估计及相关的误差范围分配至由单元(611)组成的网格(610)；
通过将每个相关的误差范围的几何权重分散到所述误差范围重叠的单元上来计算每个位置测量的位置确定性的统计权重；
基于加权的位置测量来计算行程的极大似然路径。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述网格具有规则的正方形单元以及2至1000米的分辨率。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述网格具有规则的正方形单元以及2至100米的分辨率。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述误差范围为椭圆(612)，优选地为3σ椭圆。
13.如权利要求9所述的系统，其中，所述误差范围为3σ椭圆。
14.如权利要求9所述的系统，其中，所述处理器(202)适于通过迭代地除去所接收的定位数据中的单一异常值来计算对于每个时间间隔的位置估计和相关的误差范围。
15.如权利要求9所述的系统，其中，所述行程的极大似然路径被编码为四叉树，包括网格单元指示符、单元中的加权时间、单元中行驶的加权距离、单元中位置估计的第一采样时间以及单元中位置估计的最后采样时间。
16.如权利要求15所述的系统，其中，在被编码为树之前，通过Douglas-Peucker算法对所述行程的极大似然路径进行压缩。
17.如权利要求9所述的系统，包括：机载部件，所述机载部件包括安装在所述物体上的所述接收机(201)、所述处理器(202)和无线通信设备(214)；以及与所述机载部件远程且无线通信的数据中心部件。
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