北斗升空當(dāng)口，GNSS高精度定位如何賦能智能駕駛？

近日，北斗第 55 顆衛(wèi)星完成在軌測(cè)試，正式入網(wǎng)。

信息化時(shí)代，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅在國(guó)家信息安全領(lǐng)域有重要意義，在商業(yè)應(yīng)用方面也舉足輕重。北斗三號(hào)具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，據(jù)了解，北斗系統(tǒng)全球范圍定位精度優(yōu)于 10 米、測(cè)速精度優(yōu)于 0.2 米 / 秒、授時(shí)精度優(yōu)于 20 納秒、全球服務(wù)可用性 99%以上。

中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2020）》顯示，北斗對(duì)導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)值貢獻(xiàn)率超過 80%。隨著北斗系統(tǒng)的全面建成開通，GNSS 高精度定位技術(shù)成為大眾關(guān)注的問題。

在交通和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的快速發(fā)展趨勢(shì)下，GNSS 高精度應(yīng)用需求加速釋放。

智能駕駛為什么需要 GNSS 高精度定位？

眾所周知，自動(dòng)駕駛是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程，隨著汽車智能化的提升，對(duì)于功能、安全、責(zé)任方面的需求日益增加。車輛不僅要知道自己的位置，還要知道周圍車輛的位置和道路環(huán)境情況。

實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛需要突破厘米級(jí)導(dǎo)航定位、環(huán)境感知、決策控制、路徑規(guī)劃等技術(shù)瓶頸。從目前車載定位技術(shù)現(xiàn)狀來看，其在可用性、安全性、成本等方面存在較多問題。

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因此，面對(duì)車載定位技術(shù)的種種瓶頸，以及車輛對(duì)定位精度和功能安全需求的日益嚴(yán)格，GNSS 定位技術(shù)變得愈發(fā)不可或缺。

GNSS 定位也從單 GPS 衛(wèi)星定位 - 傳感器融合（DR）- 多頻多衛(wèi)星，到單頻 RTK- 多頻 RTK 等方向優(yōu)化和發(fā)展，提高功能安全性保障。

GNSS 高精度定位的優(yōu)勢(shì)與趨勢(shì)

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）技術(shù)，是通過捕獲來自中國(guó)北斗、美國(guó) GPS、歐盟 GALILEO、俄羅斯 GLONASSA 等多個(gè)不同衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星，有效衛(wèi)星數(shù)的提升可以大幅提高定位的精度和穩(wěn)定性。

其中，美國(guó)的 GPS 憑借其“先行者”的優(yōu)勢(shì)，一直占據(jù)著世界前列的位置?；?GPS 近乎壟斷的地位，中國(guó)一直以來都希望建設(shè)屬于自己的衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“衛(wèi)星自由”。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在國(guó)內(nèi)科研人員走了 23 年的艱苦歷程后，完成了從依賴他國(guó)技術(shù)到完成自主研發(fā)占領(lǐng)科技高地的蛻變。近日正式完成全球組網(wǎng)之后，成為了第四個(gè)擁有獨(dú)立的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的國(guó)家。

• GNSS 高精度定位的優(yōu)勢(shì)

那么，GNSS 能提供什么？GNSS 更多提供的是車道級(jí)，高可靠性、高完整性的位置信息，GNSS 獨(dú)特的特點(diǎn)是提供的位置信息是絕對(duì)位置，不是相對(duì)位置。提供絕對(duì)的 UTC（國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)間），絕對(duì)的車速以及絕對(duì)的航向信息。

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這一特點(diǎn)的好處是，在任何的前提條件下或雨雪霧環(huán)境中都可以提供信息，可以在更小的范圍內(nèi)進(jìn)行地圖匹配，降低地圖匹配所需的算力，進(jìn)而降低地圖成本。同時(shí)可以為其他傳感器提供很好的支撐, 共同協(xié)作，達(dá)到功能安全。

具體來看，GNSS 高精度定位可從多個(gè)方面為自動(dòng)駕駛汽車賦能，比如提升感知系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前主流的自動(dòng)駕駛傳感器，如攝像頭、亳米波雷達(dá)、激光雷達(dá)，雖然具備相對(duì)定位能力，但由于它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用過程中均有各自的缺陷，導(dǎo)致這些傳感器的定位能力會(huì)隨之受到天氣、環(huán)境、地形等各因素的影響

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比較之下，GNSS 高精度定位技術(shù)可以避免受到外界因素干擾，即使在惡劣天氣、非視距場(chǎng)景和其他車載傳感器弱衛(wèi)星信號(hào)覆蓋下，依舊能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車提供精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠的定位信息，幫助車輛判斷當(dāng)前所處位置，從而對(duì)目前的環(huán)境進(jìn)行整體認(rèn)知，便于車輛進(jìn)行下一步的決策。

然而，在 GNSS 高精度定位眾多優(yōu)勢(shì)之余，也存在其不足之處——在城市、隧道及天橋等遮擋環(huán)境下表現(xiàn)較差。

對(duì)此，GNSS 定位技術(shù)可以通過與 DR(慣性導(dǎo)航)、RTK(載波相位差分)等不同定位技術(shù)融合來避免受到外界因素干擾，

即使在惡劣天氣、非視距場(chǎng)景和其他車載傳感器弱衛(wèi)星信號(hào)覆蓋下，依舊能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車提供精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠的定位信息，幫助車輛判斷當(dāng)前所處位置，從而對(duì)目前的環(huán)境進(jìn)行整體認(rèn)知，便于車輛進(jìn)行下一步的決策。

慣性導(dǎo)航技術(shù)（DR）

GNSS 衛(wèi)星定位雖然方便，但容易受客觀條件的影響。例如隧道、森林等路段，GNSS 信號(hào)容易中斷。此時(shí)，就需要臨時(shí)采用其它的輔助手段。

DR（Dead Reckoning，航位推算）就是一種自主式的慣性導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了 GNSS 和傳感器信息，通過采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器，結(jié)合航位推算專用算法，可以根據(jù)車輛的初始位置信息以及傳感器獲得的信息，可有效的優(yōu)化多徑效應(yīng)帶來的定位偏移，推算出用戶終端在盲區(qū)位置的高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

載波相位差分技術(shù)（RTK）

RTK（Real-time kinematic），稱為載波相位差分技術(shù)，又稱為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，包括傳統(tǒng) RTK 和網(wǎng)絡(luò) RTK。

RTK 定位原理為：GNSS 接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，通過基準(zhǔn)站基于載波相位差分技術(shù)計(jì)算公共誤差并發(fā)送到云端，然后 GNSS 接收機(jī)利用衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)值和云端接收的修正數(shù)據(jù)計(jì)算出精確到厘米級(jí)的定位結(jié)果。

RTK 原理

不僅如此，通過將 GNSS 高精度定位和攝像頭、高精雷達(dá)等融合應(yīng)用，還可以實(shí)現(xiàn)很好的感知冗余。GNSS 高精度定位服務(wù)與智能攝像頭等傳感器形成多重冗余，使得車輛在行駛過程中遇到車道線不規(guī)則、車道線短暫覆蓋、道路無明顯標(biāo)志物、彎道曲率過大等情況，而相對(duì)定位方案又失效的時(shí)候，仍然可以繼續(xù)為車輛提供環(huán)境感知支持。

總結(jié)一下，目前沒有一種傳感器能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能獲得一個(gè)準(zhǔn)確的位置信息。當(dāng)前車輛進(jìn)行高精度定位除了基于視覺攝像頭等車載傳感器進(jìn)行相對(duì)定位，還要借助高精度 GNSS、蜂窩網(wǎng)定位、高精度慣導(dǎo)測(cè)量單元(IMU)和 RTK、高精地圖等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

多徑效應(yīng)何解？

遮擋環(huán)境中表現(xiàn)較差之外，多徑效應(yīng)也是 GNSS 定位的主要影響因素之一。

多徑效應(yīng)：理想狀態(tài)下，衛(wèi)星信號(hào)將沿最短路徑直接達(dá)到接收機(jī)天線。而如果天線附近有反射物，接收機(jī)天線幾乎同時(shí)收到衛(wèi)星的直接信號(hào)與反射信號(hào)，兩種信號(hào)的疊加將使觀測(cè)值產(chǎn)生附加時(shí)延量，使得定位設(shè)備所接收到的衛(wèi)星信號(hào)還包含各種反射和折射信號(hào)的影響，這就是多徑效應(yīng)。

那么，應(yīng)該如何解決這一問題，降低多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響？

一般來說，上述 DR 慣性導(dǎo)航技術(shù)可有效優(yōu)化多徑效應(yīng)帶來的定位偏移之外，多頻段 / 雙頻技術(shù)也可以有效抑制城市環(huán)境中的多徑效應(yīng)，削弱大氣層誤差，提高定位精度。

所謂雙頻，就是 GNSS 模組同時(shí)支持多個(gè)不同 GNSS 系統(tǒng)的不同頻段，以此增強(qiáng)信號(hào)的接收能力。目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是由單頻單系統(tǒng)向多頻多系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，逐漸提升導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性與可用性。

GNSS 系統(tǒng)頻段

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對(duì)于 GNSS 高精度定位市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，移遠(yuǎn)通信 GNSS 產(chǎn)品總監(jiān)宋鐵理強(qiáng)調(diào)，“隨著國(guó)家政策扶持和產(chǎn)業(yè)鏈共同推廣，未來三年內(nèi)，中國(guó)市場(chǎng) 70%的定位類應(yīng)用都會(huì)轉(zhuǎn)到雙頻和高精度市場(chǎng)，GNSS 高精度定位模組的價(jià)格也會(huì)逐漸下降?！?

寫在最后

據(jù) GSA 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來十年全球 GNSS 設(shè)備出貨量將持續(xù)增長(zhǎng)，從 2019 年的 18 億臺(tái)預(yù)計(jì)增長(zhǎng)至 2029 年的 28 億臺(tái)。

事實(shí)上，在逐漸成型且龐大的自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)體系中，高精度定位的作用已被廣泛認(rèn)識(shí)。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，GNSS 系統(tǒng)從當(dāng)初的 GPS 一家獨(dú)大，到現(xiàn)在變成 GPS、北斗、GLONASS、GALILEO 等多系統(tǒng)共存，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。如今的 GNSS 系統(tǒng)，已經(jīng)具備提供全方位、全天候、高精度、高速率定位導(dǎo)航服務(wù)的能力。

隨著 GNSS 融合定位技術(shù)的快速發(fā)展，支持 GNSS、DR 和 RTK 等融合定位技術(shù)，進(jìn)一步提高了定位精度，為未來高精度 GNSS 定位提供了有力的技術(shù)支持，也正在逐漸成為自動(dòng)駕駛領(lǐng)域最主流的高精度定位方式。

以上。
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