1、高精度定位逐漸成為智能駕駛標(biāo)配

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和汽車制造的飛速發(fā)展，智能駕駛話題日趨火熱，那么，什么是智能駕駛呢？所謂智能駕駛，指的是機(jī)器幫助人進(jìn)行駕駛，以及在特殊情況下完全取代人駕駛。按照機(jī)器自動(dòng)化程度，國際汽車工程師協(xié)會(huì)制定了一套智能駕駛分類標(biāo)準(zhǔn)，即Sae智能駕駛分類標(biāo)準(zhǔn)。Sae包括六個(gè)等級(jí)的智能駕駛，即L0至L5。數(shù)值越高，機(jī)器的自動(dòng)化程度越高，人的參與度越低。其中，L0級(jí)是沒有自動(dòng)化的；L1正在推動(dòng)支持；L2是部分自動(dòng)化的；L3是條件自動(dòng)化；L4高度自動(dòng)化；L5級(jí)是全自動(dòng)的。需要注意的是，L1到L3監(jiān)控和響應(yīng)路況的任務(wù)基本都是由駕駛員和系統(tǒng)共同完成，駕駛員需要接管動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)。L4和L5級(jí)別完全可以把司機(jī)變成乘客。

從技術(shù)上來講，智能駕駛的實(shí)現(xiàn)要分為三層。第一層是感知層，即確定汽車的狀態(tài)，此狀態(tài)包括車況、位置、速度、姿態(tài)等信息。在感知自身狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地圖信息，做出下一步的行駛規(guī)劃，這就是第二層，決策層。最后，把決策傳輸?shù)礁髌骷瑢?shí)現(xiàn)交互，就是最后的執(zhí)行層。從上述對(duì)智能駕駛的技術(shù)分層中我們可以發(fā)現(xiàn)，感知自身位置是智能駕駛的前提條件，沒有這一步，就無法正確的進(jìn)行決策與執(zhí)行。那么具體智能駕駛對(duì)導(dǎo)航定位有哪些要求呢？可以分為幾個(gè)指標(biāo)：一、高精度，定位精度需要達(dá)到厘米級(jí)，定位精度達(dá)到厘米級(jí)才可以在汽車行駛過程中判斷所處車道；二、高適用性，隨著智能駕駛技術(shù)日益成熟，智能駕駛最終是要從室內(nèi)試驗(yàn)場景走入實(shí)際生活場景，對(duì)于今天的城市環(huán)境而言，立交橋、城市峽谷與隧道環(huán)境屢見不鮮，所以，如何實(shí)現(xiàn)在廣泛復(fù)雜場景的定位對(duì)于智能駕駛來說，至關(guān)重要；三、成本適中，雖然智能駕駛已經(jīng)很火熱了，但人們長期以來的消費(fèi)習(xí)慣還沒有改變，有一些消費(fèi)者是不愿意為智能駕駛額外付賬的，這也使得智能駕駛的成本要由廠家來承擔(dān)，所以，成本要適中。從以上幾點(diǎn)出發(fā)，我們可以考慮采用什么樣的導(dǎo)航定位技術(shù)。對(duì)于當(dāng)前的智能駕駛而言，高精度組合導(dǎo)航目前已經(jīng)成為了解決汽車高精度定位問題的最優(yōu)解，GNSS在室外環(huán)境衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)可提供厘米級(jí)定位，但在隧道等衛(wèi)星信號(hào)較弱的場景下，其定位精度會(huì)相應(yīng)下降。IMU可在復(fù)雜工作環(huán)境中進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但其存在誤差累計(jì)問題。GNSS+IMU，二者互補(bǔ)，可滿足定位精度和穩(wěn)定性的要求，這在某種程度上或許已成為汽車前裝應(yīng)用的標(biāo)配，對(duì)于未來的智能汽車以及智能駕駛發(fā)展來說尤為重要。

2、導(dǎo)航定位技術(shù)簡介

目前來講，所有的導(dǎo)航定位技術(shù)都可以分為兩類：直接定位與航位推算。直接定位，顧名思義，就是采用可識(shí)別的外部信息直接確定位置，信息可以是信號(hào)也可以是環(huán)境特征，目前該方法涉及到的主要導(dǎo)航手段有無線電導(dǎo)航和激光導(dǎo)航等，這一類技術(shù)的要點(diǎn)是將所在地可以接收到的信號(hào)（如無線電信號(hào)、超聲波信號(hào)等）和/或者可觀測到的特征（如點(diǎn)云特征點(diǎn)、線等）與數(shù)據(jù)庫匹配，可以直接推測出位置；航位推算能夠測量經(jīng)過的路程與方向，因而，如果初始位置已知，即可確定當(dāng)前的位置。當(dāng)下的主要導(dǎo)航傳感器均可按這兩種方法進(jìn)行分類，具體情況如圖1所示。

圖1導(dǎo)航與定位技術(shù)的分類

3、組合導(dǎo)航的意義及慣性導(dǎo)航

隨著無人駕駛技術(shù)不斷進(jìn)步、逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展，為保證行駛安全性，高精度組合導(dǎo)航不可或缺。組合導(dǎo)航技術(shù)，即用兩種或兩種以上的非相似導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)同一導(dǎo)航信息作測量并解算以形成量測量，從這些量測量中計(jì)算出各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差并校正之。在過去的數(shù)十年里，世界公認(rèn)的最佳的組合導(dǎo)航方案就是GNSS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航。

IMU作為唯一一個(gè)不依賴外界任何信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)自主定位的器件，其定位精度的好壞直接決定了智能駕駛定位安全的底線。理想情況下的IMU可以準(zhǔn)確的測量運(yùn)動(dòng)的角速度和比力，然而，由于現(xiàn)代工藝制造水平的有限，所以當(dāng)下的IMU都存在著各種量測誤差，圖2列出了慣性導(dǎo)航中常出現(xiàn)的若干種誤差，圖來自加拿大卡爾加里大學(xué)Naser El-Sheimy教授課件。此外，慣性器件還存在著交軸耦合誤差，是由于慣性傳感器的敏感軸與載體坐標(biāo)系的正交軸之間不對(duì)準(zhǔn)造成的。

圖2 慣性器件誤差

針對(duì)上述的各種誤差，可以建立IMU的觀測模型，以方便對(duì)慣性器件誤差進(jìn)行處理和分析。公式2和3即慣性導(dǎo)航觀測方程。

（2）

（3）

上述的傳感器誤差在進(jìn)行航位推算的過程中會(huì)一直存在，而慣性導(dǎo)航航位推算是一個(gè)數(shù)學(xué)積分過程，因此，誤差會(huì)隨時(shí)間快速累積，無法提供長時(shí)間的高精度導(dǎo)航信息，特別是對(duì)于低成本的微機(jī)械（Micro Electro Mechanical Sensor，MEMS）慣性單元，這種發(fā)散表現(xiàn)得更加明顯。

為了提高慣性導(dǎo)航的定位精度，需要對(duì)上述的誤差進(jìn)行處理。像常值零偏、比例因子誤差等系統(tǒng)誤差，我們可以通過轉(zhuǎn)臺(tái)，給定準(zhǔn)確輸入，建立誤差方程，標(biāo)定出來。而對(duì)于慣性器件的隨機(jī)誤差，像零偏重復(fù)性誤差、觀測誤差等，我們無法通過標(biāo)定將其標(biāo)定出來，因?yàn)樗麄冊诿恳淮蔚臏y量過程中都是不一樣的。對(duì)此，將慣導(dǎo)和GNSS結(jié)合起來成為了一種極佳的選擇。GNSS定位范圍大、精度高，但信號(hào)受限于外界環(huán)境，而慣導(dǎo)短時(shí)精度高、無源的特性使得其不受外界環(huán)境的干擾，但長時(shí)間易發(fā)散，將兩者結(jié)合起來，利用GNSS高精度的位置給慣導(dǎo)提供參考，校正每次量測中出現(xiàn)的隨機(jī)誤差，而慣導(dǎo)在誤差項(xiàng)處理好后，也可以在GNSS失鎖時(shí)繼續(xù)提供導(dǎo)航信息。

在未來大規(guī)模的智能駕駛商業(yè)化落地之后，安全永遠(yuǎn)是排在第一位的，組合導(dǎo)航在這里承擔(dān)著極其重要的角色。

4、組合導(dǎo)航的三種模式

長期研究發(fā)現(xiàn)GNSS/INS組合導(dǎo)航按照組合模式可以分為：松組合、緊組合和深組合。松組合是直接使用GNSS和IMU導(dǎo)航系統(tǒng)各自解算出的速度與位置作為組合導(dǎo)航的觀測量的組合模式，這種模式如圖3所示，分別由GNSS設(shè)備和IMU提供了兩套位置與速度，兩者做差作為觀測量進(jìn)入卡爾曼濾波器，其優(yōu)點(diǎn)在于組合結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，而且，由于兩套系統(tǒng)各自獨(dú)立工作，所以當(dāng)一套系統(tǒng)不工作時(shí)，另一套系統(tǒng)依舊可以提供位置和速度，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性與連續(xù)性。但這種組合方式要GNSS可以先行解算出位置、速度，這就對(duì)環(huán)境和衛(wèi)星數(shù)目都有要求，另外，該組合對(duì)于GNSS的原始觀測信息利用有所不足。

圖3 松組合流程圖

緊組合是使用GNSS的原始觀測信息和INS預(yù)測的GNSS觀測信息的差值作為組合導(dǎo)航觀測量，其具體流程如圖4所示。GNSS接收機(jī)可以直接獲得一組原始觀測數(shù)據(jù)，IMU經(jīng)過力學(xué)編排可以得到位置和速度等狀態(tài)參數(shù)，該狀態(tài)參數(shù)結(jié)合GNSS收到的衛(wèi)星星歷，可以計(jì)算出IMU對(duì)應(yīng)的原始觀測，兩者做差作為觀測量進(jìn)入卡爾曼濾波器進(jìn)行融合。由于緊組合是基于GNSS的原始觀測做的，所以其對(duì)GNSS的原始觀測的信息使用的比較充分，可靠性得到了提高，而且對(duì)衛(wèi)星數(shù)目的需求也降低了，即使只有一顆衛(wèi)星也可以進(jìn)行組合。

圖4 GNSS/INS緊組合流程圖

深組合是利用 INS輔助GNSS跟蹤環(huán)路，減小信號(hào)跟蹤帶寬，提高捕獲信號(hào)的速度和質(zhì)量，屬于硬件方面的精度提升。

目前，三種組合方式各有優(yōu)勢和不足。其中松組合存在著結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、成本低且能夠分別輸出慣導(dǎo)和GNSS導(dǎo)航信息的優(yōu)點(diǎn)，成為了現(xiàn)階段市場的主流選擇。

5、K8系列模塊組合導(dǎo)航效果展示

司南導(dǎo)航K8系列模塊基于自研Quantum Ⅲ SoC芯片和AGC1443A多模多頻射頻芯片，具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中Quantum Ⅲ SoC芯片集GNSS基帶、快速捕獲、CPU、存儲(chǔ)、接口電路于一體，支持全系統(tǒng)全頻點(diǎn)信號(hào)跟蹤，采用多系統(tǒng)聯(lián)合定位/定向技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、地基/星基增強(qiáng)技術(shù)、SBAS技術(shù)、完好性技術(shù)等技術(shù)，可應(yīng)用于多種復(fù)雜的高精度定位場景中。

K8系列模塊采用三頻定位，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的單頻和雙頻；擁有快速恢復(fù)能力，過天橋2秒即可恢復(fù)高精度固定解；同時(shí)模塊板載IMU，融合高精度組合導(dǎo)航算法，不懼衛(wèi)星信號(hào)中斷，支持三維姿態(tài)輸出，可完美滿足智能駕駛對(duì)于高精度定位的需求。

為了進(jìn)一步了解組合導(dǎo)航在智能駕駛中的性能，我們進(jìn)行了兩組道路實(shí)測。

圖5 地下停車場環(huán)境

圖5是一組地下停車場車載導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試地點(diǎn)在上海市某一地下停車場，安裝K8系列模塊的車在樓群中穿梭三遍，然后統(tǒng)計(jì)結(jié)果。紅色點(diǎn)為純GNSS解算的坐標(biāo)，藍(lán)色點(diǎn)為GNSS/INS組合導(dǎo)航解算后輸出的坐標(biāo)。很顯然，進(jìn)入地下車庫后，GNSS信號(hào)失鎖，RTK無法輸出固定解，而INS在此時(shí)發(fā)揮出它的定位功能，持續(xù)不斷地輸出定位結(jié)果，且軌跡較為平滑，基本符合其在地下車庫的運(yùn)行軌跡。

圖6 地下隧道

圖6是在北京市鳥巢附近做的車載組合導(dǎo)航測試。測試路段為隧道環(huán)境。圖中紅色為GNSS/INS組合導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)軌跡，黃色為純GNSS定位數(shù)據(jù)軌跡。在復(fù)雜的城市環(huán)境下，GNSS/INS組合定位優(yōu)勢明顯，沒有大面積漂移現(xiàn)象出現(xiàn)，特別是經(jīng)過隧道等完全失去GNSS衛(wèi)星信號(hào)路段，仍然能夠輸出正確的軌跡。

智能汽車涉及產(chǎn)業(yè)眾多，如電子信息制造、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、半導(dǎo)體、信息通訊等高端制造領(lǐng)域，已經(jīng)成為世界主流國家的“兵家必爭之地”。經(jīng)過多年的發(fā)展，政策已經(jīng)逐步從原來的設(shè)定目標(biāo)、制定規(guī)范方面，向引導(dǎo)落地實(shí)施、搭建基礎(chǔ)設(shè)施以及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全等方面轉(zhuǎn)移。

2021年10月，中央中共、國務(wù)院印發(fā)《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》，提出加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)研究，研究制定智能網(wǎng)聯(lián)汽車和機(jī)器人等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)著產(chǎn)業(yè)的變革。國家部委持續(xù)推進(jìn)自動(dòng)駕駛監(jiān)管體系建設(shè)，多源傳感信息融合感知和高精度時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)成為要突破的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。

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??上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)為一體的高新技術(shù)企業(yè)，致力為全球用戶提供自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗高精度GNSS板卡、接收機(jī)和全方位、多領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用解決方案。自成立以來公司獲得20多項(xiàng)榮譽(yù)證書，兩次承研北斗二代重大專項(xiàng)“多模多頻高精度OEM板”，參與國家863項(xiàng)目“基于相位的實(shí)時(shí)分米級(jí)北斗定位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)技術(shù)”，主導(dǎo)的“基于北斗高精度導(dǎo)航定位的閱兵車輛訓(xùn)練考核系統(tǒng)”在2015年國家九三大閱兵中大放異彩。

??司南導(dǎo)航秉承“知行合一、止于至善”的企業(yè)理念，集中國高精度GNSS技術(shù)之大成，擁有一支多年專業(yè)從事高精度GNSS核心技術(shù)的本土研發(fā)團(tuán)隊(duì)，主要技術(shù)骨干40余人次獲得省部級(jí)及以上科技進(jìn)步獎(jiǎng)。在行業(yè)領(lǐng)軍人物王永泉博士的帶領(lǐng)下，公司打破了國外多項(xiàng)技術(shù)壁壘，突破了高精度GNSS核心算法、芯片、板卡、接收機(jī)、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，擁有專利和軟件著作權(quán)30余項(xiàng)，數(shù)次填補(bǔ)了國內(nèi)外GNSS在高精度領(lǐng)域的空白。2014年司南導(dǎo)航正式發(fā)布第一代高精度GNSS基帶芯片，為中國北斗高精度GNSS板卡及接收機(jī)形成自主品牌和北斗產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定核心基礎(chǔ)。

??司南導(dǎo)航緊跟全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互用趨勢，靈活滿足不同行業(yè)的差異化需求，全面布局高精度GNSS生態(tài)圈，產(chǎn)品應(yīng)用涵蓋測繪地理信息、地基增強(qiáng)、智能交通、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、機(jī)械控制、安全工程、工業(yè)測量等多個(gè)高精度領(lǐng)域，銷售網(wǎng)絡(luò)覆蓋了亞太、歐洲、拉美、北美等全球六十多個(gè)國家與地區(qū)，在第29次南極科考、國家級(jí)北斗地基增強(qiáng)主框架網(wǎng)、中撾兩國政府合作項(xiàng)目之東盟首座北斗CORS站、國家“西電東送”骨干工程溪洛渡水電站等重大工程建設(shè)中均發(fā)揮了重大作用。

??2015年司南導(dǎo)航正式入駐建筑總面積26000平方米的司南北斗產(chǎn)業(yè)園，作為我國主要的北斗高精度GNSS板卡研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中心，將成為帶動(dòng)上海、輻射全國、影響世界的北斗產(chǎn)業(yè)化基地。