高GNSS精度的實(shí)現之路 為全自動(dòng)駕駛規劃藍圖

作者/Thomas Nigg u-blox產(chǎn)品戰略、產(chǎn)品中心定位高級總監　

       為了讓全自動(dòng)駕駛成為現實(shí)，幾項技術(shù)需要發(fā)展完善并一起推出。其中一項便是價(jià)格親民、可擴展的可靠性高精度定位技術(shù)。

　　過(guò)去幾十年來(lái)，全球導航衛星系統(GNSS)技術(shù)的性能得到大幅改善。2000年初，獲取首個(gè)準確位置的時(shí)間從幾分鐘縮短至30秒。2005-2010年，接收器的靈敏度顯著(zhù)提高——從130 dBm提高到167 dBm。到2015年，功能性定位衛星星座的數量已經(jīng)從2000年的一個(gè)全球星座(即美國的GPS)增至四個(gè)(GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗和歐盟的伽利略)。除此以外，還包括兩大區域系統(印度的NAVIC和日本的QZSS)。這為多星座GNSS接收器打開(kāi)了大門(mén)。衛星信號也已經(jīng)實(shí)現了現代化，到2018年，多頻段GNSS的價(jià)格將變得實(shí)惠。這些進(jìn)展為GNSS的下一重大主題奠定了基礎：實(shí)現分米級或厘米級的精度。

　　GNSS接收器通過(guò)計算自己與至少四顆衛星的距離來(lái)確定其位置。因為接收器根據衛星信號到達的時(shí)長(cháng)計算該距離，即使存在最小的誤差(少至幾十億分之一秒)，也會(huì )對精度產(chǎn)生負面影響。衛星軌道位置的誤差會(huì )導致精度出現約2.5米的精度損失。衛星時(shí)鐘的錯誤也會(huì )產(chǎn)生1.5米的精度損失。此外，對流層和電離層的擾動(dòng)會(huì )分別增加1米和5米的精度損失，如果衛星接近地平線(xiàn)或處于太陽(yáng)活動(dòng)強烈的時(shí)期，則精度損失會(huì )更大。到目前為止，最大的誤差是由多徑效應引起的，衛星信號利用多徑效應通過(guò)多個(gè)或間接軌道到達接收器，例如在城市峽谷中的建筑物墻壁上反射。在開(kāi)闊的天空條件下，標準精度的GNSS接收器能精確至兩米左右。

　　利用GNSS校正數據消除GNSS誤差，高精度GNSS系統大幅提高了精度。獲得這種數據的一種方法是監測從已知位置的基站發(fā)出的GNSS信號。觀(guān)測與基站位置的偏移情況，然后將其發(fā)送至配有GNSS接收器的有人或無(wú)人車(chē)輛，以此獲得更為準確的位置信息。在有利的情況下，如果基站和車(chē)輛之間的距離不是太遠，則可以使用這種方法達到厘米級的精度。

　　不過(guò)，并非所有GNSS誤差都能通過(guò)這種方法來(lái)消除。因為到達基站的衛星信號同到達車(chē)輛的許多誤差相似，所以可以使用校正數據來(lái)消除衛星位置、時(shí)鐘誤差和大氣誤差。然而，車(chē)輛的附近環(huán)境(如附近的高樓)造成的多徑誤差，則必須通過(guò)接收器本身來(lái)解決。

　　高精度GNSS并不是什么新鮮事兒?？睖y者和其他專(zhuān)業(yè)人士已經(jīng)接觸這項技術(shù)數十年了。但高昂的器件成本以及對高價(jià)校正服務(wù)的依賴(lài)阻礙了這項技術(shù)從利基市場(chǎng)向外擴張。最新的情況是，我們現在擁有的技術(shù)可以使高精度GNSS對大眾市場(chǎng)產(chǎn)生吸引力，從而能夠實(shí)現諸如車(chē)道精確導航、增強現實(shí)、空中無(wú)人機精準飛行和降落、無(wú)人割草機和拖拉機以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)(V2X)通訊，即聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛同其他車(chē)輛和基礎設施進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信從而避免發(fā)生碰撞。毫無(wú)疑問(wèn)，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì )出現更多的應用。

　　1為大眾市場(chǎng)帶來(lái)高精度的定位

　　校正服務(wù)提供商可以通過(guò)兩種方式將GNSS誤差數據傳輸給車(chē)輛;但目前只有一種能擴展至滿(mǎn)足大眾市場(chǎng)的需求。在這兩種方式中，第一種是基于觀(guān)測空間表示(OSR)，在這種方法中，校正服務(wù)提供商計算每個(gè)車(chē)輛所處位置的預期觀(guān)測誤差，然后將這些信息無(wú)線(xiàn)傳輸給車(chē)輛?；跔顟B(tài)空間表示(SSR)的方法則與之相反，觀(guān)測到的GNSS信號誤差被用于狀態(tài)空間模型的物理建模，模擬整個(gè)地區的誤差。描述任何給定時(shí)間的狀態(tài)空間模型的參數然后被發(fā)送到建模區域上的車(chē)輛。

　　2高精度GNSS定位的校正服務(wù)

　　高精度定位服務(wù)必須擴展至能支持全球大眾市場(chǎng)應用。對于GNSS校正數據仍然采用觀(guān)測空間表示(OSR)的傳統提供商來(lái)說(shuō)，他們的服務(wù)難以擴大。這也是它們會(huì )被現代服務(wù)所取代的原因所在，現代服務(wù)基于狀態(tài)空間表示(SSR)，可以向全球數百萬(wàn)用戶(hù)發(fā)送GNSS校正數據。

　　圖1 觀(guān)測空間表示(OSR)與狀態(tài)空間表示(SSR)

　　目前，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)(RTK)和網(wǎng)絡(luò )RTK衛星導航用于厘米級，甚至毫米級定位精度要求的設置中，而這兩者都運用OSR?；就?chē)輛的距離在30公里范圍以?xún)葧r(shí)，這兩種方法較為準確?；贠SR的方法需要車(chē)輛同校正服務(wù)提供商之間進(jìn)行雙向通信。如果使用人數眾多，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )幾乎很難保持穩定的通信水平，因此其難以適應大眾市場(chǎng)的應用?；赟SR的方法通過(guò)向整個(gè)服務(wù)區域的全部車(chē)輛發(fā)送單一的校正數據流解決了這一問(wèn)題。這種通信方式不僅簡(jiǎn)單，而且可以在參考站密度相對較低的情況下(150-250公里)提供穩健的服務(wù)，因此成為大眾市場(chǎng)應用(如高度輔助駕駛)的唯一可行方法。

　　性能得到提高的另一點(diǎn)原因在于，接收器采用了也源于先進(jìn)硬件，可以從衛星接收更多的信息。盡管第一代GNSS衛星只能在一個(gè)頻段傳輸其信號，但當今的現代導航衛星系統可以在多達三個(gè)獨立頻段發(fā)送其信號。例如，美國的GPS系統，分別在L1、L2和L5頻段上發(fā)送信號，中心頻率分別為1575 MHz、1227 Mhz和1176 MHz。俄羅斯的GLONASS只在L1和L2頻段上傳輸信號，中國的北斗也是如此。高精度的GNSS接收器可以利用單一星座的多個(gè)頻段來(lái)大幅縮短其實(shí)現高精度的時(shí)間。這樣一來(lái)，定位性能顯然更加強大，并最終為用戶(hù)提供更可靠的服務(wù)。

　　圖2 單頻段GNSS和雙頻段GNSS之間的性能比較(使用SSR校正數據)

　　未來(lái)的高精度GNSS系統將由多種元素構成，其中目前在軌的GNSS星座將起主導作用。在地面上，GNSS參考站將實(shí)時(shí)監控GNSS信號誤差。校正服務(wù)將采用SSR方法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和地球同步衛星發(fā)送誤差部分。除了安裝雙頻GNSS接收器外，車(chē)輛還將安裝通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接收校正數據流的移動(dòng)調制解調器，以及用于接收衛星校正數據流的L頻段接收器。

　　3自動(dòng)駕駛的高精度定位

　　雖然今天的車(chē)仍然全部由其駕駛員駕駛，但是越來(lái)越多的車(chē)輛至少開(kāi)始提供一些輔助駕駛功能。向全自動(dòng)駕駛轉變將需要逐步提高特殊使用情況下的自動(dòng)化水平，如高速公路或停車(chē)。雖然現在駕駛員可能從輔助駕駛(下圖中的1級)中受益，但他們仍需要進(jìn)行車(chē)道保持和車(chē)道變換操作。今天，道路上的有些車(chē)輛已經(jīng)處于2級自動(dòng)化駕駛水平，它們配備的部分自動(dòng)化系統可以在特殊應用情況下自動(dòng)執行這些操作。而在高度自動(dòng)化駕駛(3級)水平，駕駛員將能在特殊應用情況下不掌控方向盤(pán)，但在必要的情況下，將需要準備接管車(chē)輛。全自動(dòng)駕駛(4級)將不再需要駕駛員，即使在特殊應用情況下。只有達到前面4種級別后，我們才能夠擴展無(wú)人駕駛車(chē)輛的適用性到所有應用情況(5級)。

　　圖3 自動(dòng)駕駛藍圖

　　滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛的安全要求需要結合采用各種技術(shù)。目前，結合使用攝像機圖像、激光雷達、雷達數據和高清地圖可以讓車(chē)輛在地圖上實(shí)現高精度(大約10厘米)的自定位，以及在許多應用情況下進(jìn)行障礙物探測。也就是說(shuō)，這些系統本身的安全性還不足以淘汰駕駛員。在向全自動(dòng)駕駛轉變的過(guò)程中，車(chē)輛的準確位置將決定是否可以開(kāi)啟自動(dòng)駕駛模式。惡劣的環(huán)境條件或缺乏明顯地標可能導致光學(xué)系統無(wú)法正確確定應用情況——對于駕駛員在某些情況下可以完全放手車(chē)輛控制的4級系統來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一大難題!

　　在這種情況下，將高精度GNSS和汽車(chē)慣性導航結合起來(lái)——結合衛星導航數據、各車(chē)輪轉速、陀螺儀和加速度計信息，在無(wú)GNSS的情況下提供精確定位——可以作為完全獨立的位置來(lái)源。它提供的精確定位不僅有助于識別高清地圖和地理圍欄重要區域(如減速)的正確部分，而且可以用于校準車(chē)輛的傳感器。只有配備這樣的系統，才能滿(mǎn)足ISO 26262中規定的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的安全要求。其中包括功能性安全、車(chē)輛安全響應誤差的能力(無(wú)論是固件或硬件)，以及保證乘客的安全。

　　功能性安全是安全自動(dòng)駕駛車(chē)輛的先決條件。但是，僅這一項還遠遠不夠。功能性安全以車(chē)輛為中心，它僅處理車(chē)輛可能發(fā)生的故障。對于定位來(lái)說(shuō)，主要的錯誤源頭包括衛星時(shí)鐘和位置、多徑效應或校正數據流的潛在小故障，它們是車(chē)輛的外部因素。因此，功能性安全的車(chē)輛無(wú)疑會(huì )接受有缺陷的數據。鑒于具有此類(lèi)外部錯誤，我們需要一個(gè)更完備的方法，可以稱(chēng)為“整體性”。與功能性安全相反，整體性將從完備視角處理全部技術(shù)，包括各種傳感器、V2X基礎設施和各級別的安全系統。它要求包括GNSS在內的所有技術(shù)能讓用戶(hù)有一定的信心，以警示何時(shí)應使用其他技術(shù)。

　　要實(shí)現提高道路安全的先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)和全自動(dòng)駕駛，實(shí)現高GNSS精度的途徑是關(guān)鍵。作為獨立的定位信息來(lái)源，高精度GNSS(使用多頻段接收器和SSR校正數據來(lái)實(shí)現)在各種情況下將能可靠地提供車(chē)輛的正確位置信息。最終，它在暢通的高速公路上將需要精確到分米級，在更為復雜的城市高速公路上需要精確到亞米級，才能確保報告的位置不僅精確，而且基本確鑿無(wú)疑。此外，要市場(chǎng)覆蓋面廣的話(huà)，它還必須具備質(zhì)量可靠和價(jià)格實(shí)惠的特點(diǎn)。

　　2016年，u-blox推出了NEO-M8P，該模塊是目前市場(chǎng)上體積最小、功耗最低的RTK接收器，u-blox由此踏上了高精度GNSS之路。2017年，u-blox、博世、三菱電機和 Geo++聯(lián)合組建合資公司Sapcorda，提供價(jià)格公道、與大眾市場(chǎng)應用相容的全球GNSS校正服務(wù)。放眼未來(lái)，u-blox致力于填補阻礙高度全自動(dòng)系統(特別是自動(dòng)駕駛)的一系列空白。