高GNSS精度的實(shí)現(xiàn)之路 為全自動(dòng)駕駛規(guī)劃藍(lán)圖

作者/Thomas Nigg u-blox產(chǎn)品戰(zhàn)略、產(chǎn)品中心定位高級(jí)總監(jiān)　

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

　　過去幾十年來，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的性能得到大幅改善。2000年初，獲取首個(gè)準(zhǔn)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提高——從130 dBm提高到167 dBm。到2015年，功能性定位衛(wèi)星星座的數(shù)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(qū)域系統(tǒng)(印度的NAVIC和日本的QZSS)。這為多星座GNSS接收器打開了大門。衛(wèi)星信號(hào)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)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(chǔ)：實(shí)現(xiàn)分米級(jí)或厘米級(jí)的精度。

　　GNSS接收器通過計(jì)算自己與至少四顆衛(wèi)星的距離來確定其位置。因?yàn)榻邮掌鞲鶕?jù)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)的時(shí)長(zhǎng)計(jì)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(duì)精度產(chǎn)生負(fù)面影響。衛(wèi)星軌道位置的誤差會(huì)導(dǎo)致精度出現(xiàn)約2.5米的精度損失。衛(wèi)星時(shí)鐘的錯(cuò)誤也會(huì)產(chǎn)生1.5米的精度損失。此外，對(duì)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(wèi)星接近地平線或處于太陽活動(dòng)強(qiáng)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(yīng)引起的，衛(wèi)星信號(hào)利用多徑效應(yīng)通過多個(gè)或間接軌道到達(dá)接收器，例如在城市峽谷中的建筑物墻壁上反射。在開闊的天空條件下，標(biāo)準(zhǔn)精度的GNSS接收器能精確至兩米左右。

　　利用GNSS校正數(shù)據(jù)消除GNSS誤差，高精度GNSS系統(tǒng)大幅提高了精度。獲得這種數(shù)據(jù)的一種方法是監(jiān)測(cè)從已知位置的基站發(fā)出的GNSS信號(hào)。觀測(cè)與基站位置的偏移情況，然后將其發(fā)送至配有GNSS接收器的有人或無人車輛，以此獲得更為準(zhǔn)確的位置信息。在有利的情況下，如果基站和車輛之間的距離不是太遠(yuǎn)，則可以使用這種方法達(dá)到厘米級(jí)的精度。

　　不過，并非所有GNSS誤差都能通過這種方法來消除。因?yàn)榈竭_(dá)基站的衛(wèi)星信號(hào)同到達(dá)車輛的許多誤差相似，所以可以使用校正數(shù)據(jù)來消除衛(wèi)星位置、時(shí)鐘誤差和大氣誤差。然而，車輛的附近環(huán)境(如附近的高樓)造成的多徑誤差，則必須通過接收器本身來解決。

　　高精度GNSS并不是什么新鮮事兒?？睖y(cè)者和其他專業(yè)人士已經(jīng)接觸這項(xiàng)技術(shù)數(shù)十年了。但高昂的器件成本以及對(duì)高價(jià)校正服務(wù)的依賴阻礙了這項(xiàng)技術(shù)從利基市場(chǎng)向外擴(kuò)張。最新的情況是，我們現(xiàn)在擁有的技術(shù)可以使高精度GNSS對(duì)大眾市場(chǎng)產(chǎn)生吸引力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)諸如車道精確導(dǎo)航、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、空中無人機(jī)精準(zhǔn)飛行和降落、無人割草機(jī)和拖拉機(jī)以及車聯(lián)網(wǎng)(V2X)通訊，即聯(lián)網(wǎng)車輛同其他車輛和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無線通信從而避免發(fā)生碰撞。毫無疑問，隨著技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)更多的應(yīng)用。

　　1為大眾市場(chǎng)帶來高精度的定位

　　校正服務(wù)提供商可以通過兩種方式將GNSS誤差數(shù)據(jù)傳輸給車輛;但目前只有一種能擴(kuò)展至滿足大眾市場(chǎng)的需求。在這兩種方式中，第一種是基于觀測(cè)空間表示(OSR)，在這種方法中，校正服務(wù)提供商計(jì)算每個(gè)車輛所處位置的預(yù)期觀測(cè)誤差，然后將這些信息無線傳輸給車輛?；跔顟B(tài)空間表示(SSR)的方法則與之相反，觀測(cè)到的GNSS信號(hào)誤差被用于狀態(tài)空間模型的物理建模，模擬整個(gè)地區(qū)的誤差。描述任何給定時(shí)間的狀態(tài)空間模型的參數(shù)然后被發(fā)送到建模區(qū)域上的車輛。

　　2高精度GNSS定位的校正服務(wù)

　　高精度定位服務(wù)必須擴(kuò)展至能支持全球大眾市場(chǎng)應(yīng)用。對(duì)于GNSS校正數(shù)據(jù)仍然采用觀測(cè)空間表示(OSR)的傳統(tǒng)提供商來說，他們的服務(wù)難以擴(kuò)大。這也是它們會(huì)被現(xiàn)代服務(wù)所取代的原因所在，現(xiàn)代服務(wù)基于狀態(tài)空間表示(SSR)，可以向全球數(shù)百萬用戶發(fā)送GNSS校正數(shù)據(jù)。

　　圖1 觀測(cè)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(wèi)星導(dǎo)航用于厘米級(jí)，甚至毫米級(jí)定位精度要求的設(shè)置中，而這兩者都運(yùn)用OSR?；就囕v的距離在30公里范圍以內(nèi)時(shí)，這兩種方法較為準(zhǔn)確?；贠SR的方法需要車輛同校正服務(wù)提供商之間進(jìn)行雙向通信。如果使用人數(shù)眾多，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)幾乎很難保持穩(wěn)定的通信水平，因此其難以適應(yīng)大眾市場(chǎng)的應(yīng)用?；赟SR的方法通過向整個(gè)服務(wù)區(qū)域的全部車輛發(fā)送單一的校正數(shù)據(jù)流解決了這一問題。這種通信方式不僅簡(jiǎn)單，而且可以在參考站密度相對(duì)較低的情況下(150-250公里)提供穩(wěn)健的服務(wù)，因此成為大眾市場(chǎng)應(yīng)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(wèi)星接收更多的信息。盡管第一代GNSS衛(wèi)星只能在一個(gè)頻段傳輸其信號(hào)，但當(dāng)今的現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)可以在多達(dá)三個(gè)獨(dú)立頻段發(fā)送其信號(hào)。例如，美國的GPS系統(tǒng)，分別在L1、L2和L5頻段上發(fā)送信號(hào)，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(hào)，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)頻段來大幅縮短其實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間。這樣一來，定位性能顯然更加強(qiáng)大，并最終為用戶提供更可靠的服務(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(shù)據(jù))

　　未來的高精度GNSS系統(tǒng)將由多種元素構(gòu)成，其中目前在軌的GNSS星座將起主導(dǎo)作用。在地面上，GNSS參考站將實(shí)時(shí)監(jiān)控GNSS信號(hào)誤差。校正服務(wù)將采用SSR方法通過互聯(lián)網(wǎng)和地球同步衛(wèi)星發(fā)送誤差部分。除了安裝雙頻GNSS接收器外，車輛還將安裝通過互聯(lián)網(wǎng)接收校正數(shù)據(jù)流的移動(dòng)調(diào)制解調(diào)器，以及用于接收衛(wèi)星校正數(shù)據(jù)流的L頻段接收器。

　　3自動(dòng)駕駛的高精度定位

　　雖然今天的車仍然全部由其駕駛員駕駛，但是越來越多的車輛至少開始提供一些輔助駕駛功能。向全自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)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。雖然現(xiàn)在駕駛員可能從輔助駕駛(下圖中的1級(jí))中受益，但他們?nèi)孕枰M(jìn)行車道保持和車道變換操作。今天，道路上的有些車輛已經(jīng)處于2級(jí)自動(dòng)化駕駛水平，它們配備的部分自動(dòng)化系統(tǒng)可以在特殊應(yīng)用情況下自動(dòng)執(zhí)行這些操作。而在高度自動(dòng)化駕駛(3級(jí))水平，駕駛員將能在特殊應(yīng)用情況下不掌控方向盤，但在必要的情況下，將需要準(zhǔn)備接管車輛。全自動(dòng)駕駛(4級(jí))將不再需要駕駛員，即使在特殊應(yīng)用情況下。只有達(dá)到前面4種級(jí)別后，我們才能夠擴(kuò)展無人駕駛車輛的適用性到所有應(yīng)用情況(5級(jí))。

　　圖3 自動(dòng)駕駛藍(lán)圖

　　滿足自動(dòng)駕駛的安全要求需要結(jié)合采用各種技術(shù)。目前，結(jié)合使用攝像機(jī)圖像、激光雷達(dá)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和高清地圖可以讓車輛在地圖上實(shí)現(xiàn)高精度(大約10厘米)的自定位，以及在許多應(yīng)用情況下進(jìn)行障礙物探測(cè)。也就是說，這些系統(tǒng)本身的安全性還不足以淘汰駕駛員。在向全自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)變的過程中，車輛的準(zhǔn)確位置將決定是否可以開啟自動(dòng)駕駛模式。惡劣的環(huán)境條件或缺乏明顯地標(biāo)可能導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)無法正確確定應(yīng)用情況——對(duì)于駕駛員在某些情況下可以完全放手車輛控制的4級(jí)系統(tǒng)來說，這無疑是一大難題!

　　在這種情況下，將高精度GNSS和汽車慣性導(dǎo)航結(jié)合起來——結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)、各車輪轉(zhuǎn)速、陀螺儀和加速度計(jì)信息，在無GNSS的情況下提供精確定位——可以作為完全獨(dú)立的位置來源。它提供的精確定位不僅有助于識(shí)別高清地圖和地理圍欄重要區(qū)域(如減速)的正確部分，而且可以用于校準(zhǔn)車輛的傳感器。只有配備這樣的系統(tǒng)，才能滿足ISO 26262中規(guī)定的自動(dòng)駕駛車輛的安全要求。其中包括功能性安全、車輛安全響應(yīng)誤差的能力(無論是固件或硬件)，以及保證乘客的安全。

　　功能性安全是安全自動(dòng)駕駛車輛的先決條件。但是，僅這一項(xiàng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。功能性安全以車輛為中心，它僅處理車輛可能發(fā)生的故障。對(duì)于定位來說，主要的錯(cuò)誤源頭包括衛(wèi)星時(shí)鐘和位置、多徑效應(yīng)或校正數(shù)據(jù)流的潛在小故障，它們是車輛的外部因素。因此，功能性安全的車輛無疑會(huì)接受有缺陷的數(shù)據(jù)。鑒于具有此類外部錯(cuò)誤，我們需要一個(gè)更完備的方法，可以稱為“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(chǔ)設(shè)施和各級(jí)別的安全系統(tǒng)。它要求包括GNSS在內(nèi)的所有技術(shù)能讓用戶有一定的信心，以警示何時(shí)應(yīng)使用其他技術(shù)。

　　要實(shí)現(xiàn)提高道路安全的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和全自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)高GNSS精度的途徑是關(guān)鍵。作為獨(dú)立的定位信息來源，高精度GNSS(使用多頻段接收器和SSR校正數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn))在各種情況下將能可靠地提供車輛的正確位置信息。最終，它在暢通的高速公路上將需要精確到分米級(jí)，在更為復(fù)雜的城市高速公路上需要精確到亞米級(jí)，才能確保報(bào)告的位置不僅精確，而且基本確鑿無疑。此外，要市場(chǎng)覆蓋面廣的話，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(jī)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(yīng)用相容的全球GNSS校正服務(wù)。放眼未來，u-blox致力于填補(bǔ)阻礙高度全自動(dòng)系統(tǒng)(特別是自動(dòng)駕駛)的一系列空白。