無人駕駛的關(guān)鍵：高精度定位盒子P-Box

無人駕駛或者車道級導航最基礎(chǔ)的根源是基于絕對定位的車道級定位，想象一下，高速公路上不知道自己在哪條車道上，很有可能會錯過出口或走錯路，當然談不上智能駕駛了。用視覺或激光雷達的相對定位只能知道相對于參照物的位置，高速公路上各車道間是沒有差異明顯的參照物做對比。視覺對光線變化很敏感，光線每時每刻都在變化，數(shù)據(jù)的一致性絕對不可能，逆光與背光完全不一樣。

因此智能駕駛的導航離不開絕對定位，尤其是路徑規(guī)劃階段。再有就是自動泊車也需要高精度的絕對定位。認識到定位的重要性后，一些車廠開始導入高精度定位盒子，即P-Box，準確地說應(yīng)該叫高精度與高準確度定位盒子。比較典型的P-Box有華測導航的CGI-220、廣州導遠的INS570D、戴世智能的IFS-2000。

那么P-Box與目前車機上常用的導航定位有什么差異？主要是精度差異，單純GPS L1/L2波段，不加衛(wèi)星增強的P-Box的CEP精度至少應(yīng)該達到1.5米，普通車機上是2.5米。不過現(xiàn)在P-Box的定義似乎是只要支持RTK就是P-Box。

GNSS定位精度單位常見的有CEP、RMS、2D RMS。均方根差（RMS），英文名為：root

mean square error，中國學者將其稱為“中誤差”或“標準差”。它的探測概率以置信橢圓（confidence ellipse，用于二維定位）和置信橢球（confidence ellispsoid，用于三維定位）來表述。

置信橢圓的長短半軸，分別表示二維位置坐標分量的標準差（如經(jīng)度的σλ和緯度的σφ）。一倍標準差（1σ）的概率值是68.3%，二倍標準差（2σ）的概率值為95.5%，三倍標準差（3σ）的概率值是99.7%。許多中外文獻所述的“精度”多為一倍標準差（1σ），且用距離均方根差（DRMS）表示二維定位精度。

距離均方根差也稱為圓徑向誤差（circular radial error）或均方位置誤差，另有一些作者常采用“雙倍距離均方根差”（2DRMS）。筆者認為做車道級L3級智能駕駛，至少要達到95.5%的概率，即定位精度2DRMS達到1.5米，做市區(qū)無人駕駛，2DRMS至少要達到1米。當然業(yè)內(nèi)目前沒有統(tǒng)一的標準。

圓概率誤差（CEP）是在以天線真實位置為圓心的圓內(nèi)，偏離圓心概率為50%的二維點位離散分布度量。注意，50%不代表平均值，95%概率的二維點位精度（R95），是在以天線真實位置為圓心的圓內(nèi)，偏離圓心概率為95%的二維點位精度分布度量。球概率誤差（SEP），對于三維位置而言，則以球概率誤差表示。球概率誤差（SEP）是在以天線真實位置為球心的球內(nèi)，偏離球心概率為50%的三維點位精度分布度量。CEP乘以1.2能轉(zhuǎn)換為RMS，CEP乘以2.4能轉(zhuǎn)換為2D RMS。

拿5MCEP說吧，意思是以5M為半徑畫圓，有50%的點能打在圓內(nèi)，也就是說，GNSS定位在5M精度的概率是50%，相應(yīng)的RMS（66.7%）2DRMS（95%）當然很多商家愿意給出CEP，因為單位大了，前面的數(shù)就小了，好看。特斯拉的GPS模塊是NEO-M8L-01A-81，水平精度圓概率誤差(CEP)為2.5米，加上衛(wèi)星輔助后是1.5米，轉(zhuǎn)換成RMS就是1.8米，轉(zhuǎn)換成2DRMS就是3.6米。

這些都是基于理想狀態(tài)下的測量值，所謂理想狀態(tài)就是4顆導航衛(wèi)星的仰角不低于15度，仰角也有稱之為截止高度角。但在高樓林立的市區(qū)或山谷，GPS衛(wèi)星仰角很容易低于15度，或者沒有GPS信號。定位一般需要4顆衛(wèi)星，三線確定距離，定位3D空間2個點（保留近地點，舍去遠地點），一星確定時間戳精度。在衛(wèi)星信號丟失的情況下，就需要IMU了。

一般IMU包括三軸陀螺儀（剛體也可以在3個自由度中旋轉(zhuǎn)：縱搖Pitch、橫搖Roll和垂搖Yaw）及三軸加速度計（剛體可以在3個自由度中平移：向前/向后、向上/向下、向左/向右），即6DOF，某些9軸IMU還包括三軸磁力計，即9DOF，還有加上高度計，即10DOF。

加速度計：檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，對單方向加速度積分即可得到方向速度；陀螺儀：檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號；磁力計：檢測載體相對于地球磁場的東南西北方向信號。

測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)，陀螺儀知道“我們轉(zhuǎn)了個圈”，加速度計知道“我們又前進了幾米”，磁力計知道“我們是向西偏北方向的”。

IMU的工作就是DR（DeadReckoning）航跡推算：根據(jù)t時刻車身的加速度，推算t+1時刻的位置。注意，高通芯片已經(jīng)包含了DR算法，業(yè)內(nèi)稱之為QDR黑盒算法。IMU價格差異極大，低端的價格大約1美元，高端超過100萬美元。早期研發(fā)階段的無人車如百度的，一般使用價格接近20萬人民幣的外置專業(yè)IMU，NovAtel IMU-IGM-A1 10秒單點的水平精度為1.41米，簡單說就是GPS信號丟失10秒，不借助任何輔助因素，單IMU可以將水平位置推算誤差保持在1.41米內(nèi)。如果是2美元的MEMS IMU，如最常見的日本TDK的ICM-20948，估計10秒單點的水平精度超過40米。車載領(lǐng)域常見的是博世的6軸IMU，價格大約1美元。P-BOX用的通常是TDK的IAM-20680或IAM-20685，大概7-10美元。估計10秒單點的水平精度超過10米。

上圖是典型的車道級定位原理圖，使用了三個擴展開曼濾波器和一個HMM隱馬爾可夫模型。也有將IMU稱之為INS慣性導航系統(tǒng)。

典型P-BOX框架圖

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

P-BOX實際就是一個增加了車輛信息輸入的高精度GNSS接收機。說到高精度定位，RTK也是不可或缺的元素，也就是圖上的移動網(wǎng)絡(luò)差分信息，實際就是增加一個4G模塊。

RTK是Real - time kinematic的縮寫，是一種差分定位。其原理是利用一個參考站提供基準觀測值，然后用設(shè)備的觀測值與基準站的觀測值進行差分，差分后可以消掉星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差，再進行星間差分后可以進一步消除掉設(shè)備的鐘差，最終可以算出設(shè)備相對基準站的相對坐標，如果基準站位置已知，就可以完成準確的絕對坐標，精度可以達到厘米級甚至毫米級。

RTK能提升精度的另一個原因是引入了載波相位觀測，相比偽距觀測值，載波相位觀測值的誤差更小。使用RTK，需要在附近20km內(nèi)有參考站（距離太遠，電離層誤差不一樣，做差分無法完全消除誤差），同時需要持續(xù)不斷的獲得參考站的觀測數(shù)據(jù)（一般通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，使用RTCM協(xié)議），因此相對普通的定位，RTK定位成本較高。RTK服務(wù)一般由專業(yè)服務(wù)商提供，如千尋位置、六分科技，這些服務(wù)商在全國范圍內(nèi)部署了數(shù)千個基準站，持續(xù)對訂閱用戶播發(fā)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的服務(wù)費據(jù)說很低，一年不到一千元人民幣。RTK的算法則是全免費的。

不過RTK也有缺點，那就是播發(fā)數(shù)據(jù)一般要依賴無線通信網(wǎng)，也就是手機。通常RTK都是和地地基增強在一起，即CORS（Continuous Operation Reference Stations）即連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)CORS主流技術(shù)有四種，分別是VRS、主輔站技術(shù)（i-MAX）、區(qū)域改正參數(shù)（FKP）技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插法技術(shù)。其中VRS技術(shù)市場占有率最高，是目前公認的主流，VRS由天寶公司發(fā)明。南方公司則對VRS進行了改進，命名為NRS，本質(zhì)上還是VRS。

GNSS部分主要就是采用諾瓦泰Novatel的板卡，近年來U-BLOX以及和芯星通憑借價格優(yōu)勢也快速崛起。

通常只有demo級無人車才會用雙模GNSS接收機，例如百度一直用NovAtel的ProPak6，天線是NovAtel
GPS-703-GGG-HV，現(xiàn)在ProPak6是老產(chǎn)品，在打折，大約要2萬人民幣。

NovAtel的ProPak6

單點雙頻可做到1.2米級的定位，RMS是1 sigma或1倍標準差，如果結(jié)果是無偏的，概率為67%。也就是說67%的情況下定位可到1.2米，其余情況就做不到了，可能是2米，也可能3米。缺點就是太貴了，還有裝一個露在外面的天線，這恐怕是量產(chǎn)車無法接受的。量產(chǎn)車能接受的大約是5000元以下。

諾瓦泰的背后則是意法半導體的Teseo APP，這是最早達到ASIL-B級的高精度定位套片，包括調(diào)諧器STA5635S和引擎STA9100MGA。

諾瓦泰7系列框架圖，MINOS7是諾瓦泰第七代芯片，也是諾瓦泰的核心技術(shù)。

U-BLOX的F9P目前最為常見，板卡價格大概700-800人民幣，整機價格不超過5000元人民幣。

F9P參數(shù)如上表，與諾瓦泰7系列比主要是通道數(shù)少很多，諾瓦泰有400-500通道。車機的GPS通常只有50以下通道數(shù)。諾瓦泰7系列的RTK精度達到1毫米+1 ppm cep，F(xiàn)9P是10毫米。不過F9P的溫度上限達到85度，諾瓦泰是75度，F(xiàn)9P冷啟動是24秒，諾瓦泰是39秒以下。

還有很多人忽視的天線，天線非常重要。測繪級天線典型的如諾瓦泰的GPS-703-GGG-HV，體積頗大，直徑185毫米，厚度大約69毫米，重量530克，典型電流36毫安。車廠當然無法接受這么大的天線，并且無人駕駛可能需要3個天線，定位、定向、定姿態(tài)，車廠能接受的都是鯊魚鰭那樣的智能天線，不過即使直徑70毫米的天線其信號強度僅僅是通常使用的測量型天線180mm的15%，鯊魚鰭天線就不用說了。由于RTK的載波跟蹤需要使用信號更加微弱的L2E2B2，RTK還沒上車性能就大打折扣。

奔馳旗艦EQS的天線系統(tǒng)

奔馳旗艦EQS的天線系統(tǒng)，體積巨大，超過1米長，估計是放在后備箱處，這樣大的天線或許能用RTK系統(tǒng)。
P-BOX廠家的核心資產(chǎn)是算法，算法分兩種，一種是松耦合度算法Loose Coupled，將IMU和GPS接收機各自輸出的位置/速度解算值做差，差值作為組合導航融合濾波器的輸入，從而通過濾波器來估計出INS的誤差，再利用估計誤差來對慣導結(jié)果進行修正，最終得到松耦合導航的輸出結(jié)果。

緊耦合算法Tightly Coupled高大上，不過一般只有測量級GNSS接收機才具備。緊耦合結(jié)構(gòu)利用偽距/偽距率來實現(xiàn)導航子系統(tǒng)耦合，GPS跟蹤環(huán)路進入穩(wěn)定跟蹤后提取/計算出偽距/偽距率；INS經(jīng)解算后的定位結(jié)果，根據(jù)衛(wèi)星星歷計算的衛(wèi)星位置和速度，推算出相應(yīng)衛(wèi)星的偽距、偽距率。再次，把INS和GPS對應(yīng)的偽距/偽距率進行比較后得到兩子系統(tǒng)偽距/偽距率偏差，作為組合導航融合濾波器的觀測量，通過融合濾波器生成包含INS定位位置/速度/姿態(tài)及慣性器件（陀螺儀和加速度計）和接收機時鐘誤差在內(nèi)的誤差狀態(tài)。最后，利用濾波估計誤差狀態(tài)去修正INS定位信息并輸出該信息，輸出的信息即為組合導航定位信息。近來還有人提出超緊耦合Ultra-Tightly Coupled算法和深耦合，深耦合大約介于緊耦合和松耦合之間。

基于相位載波的緊耦合算法。深耦合是發(fā)展方向，不過需要長時間摸索，沒有人能短期內(nèi)掌握深耦合。