高精度組合導(dǎo)航里的松、緊、深耦合

高精度定位，是自動駕駛車輛一切豐滿理想實現(xiàn)的前提。它用于判斷自動駕駛功能是否處于可激活的設(shè)計運行條件內(nèi)；它用于支撐自動駕駛車輛的全局路徑規(guī)劃；它用于輔助自動駕駛車輛的變道、避障策略。

不同的場景特點、不同的駕駛自動化級別、不同的精度要求、不同的傳感器配置也催生了異常豐富的高精度定位方法，包括但不限于：

通過GNSS獲取定位衛(wèi)星信號，輔以地面參考基準(zhǔn)值站差分信號，實現(xiàn)高精度定位；

通過INS測量載體自身的三軸加速度和三軸角速度，進行航跡推算，實現(xiàn)高精度定位；

激光雷達實時掃描的點云與預(yù)存的高精度地圖進行點云配準(zhǔn)，實現(xiàn)高精度定位；

比較相機拍攝到的同一物體在前后多幀圖像的差異，運用視覺里程計方法，實現(xiàn)高精度的定位。

 在多傳感器融合的大方針指引下，融合定位也成為高精度定位的主流方案，以便提供更加精確、可靠、穩(wěn)定的高精度定位方案。而對于自動駕駛車輛全局定位來說，功能最為強大的非融合GNSS、RTK、INS于一身的高精度組合導(dǎo)航莫屬，空曠地帶、短暫遮擋場景都是它施展才華的舞臺。

GNSS、RTK和INS介紹

一、GNSS

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），是一種能在地球表面或近地空間的任何地點，為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。中國的北斗、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐洲的Galileo均屬于GNSS。

GNSS主要由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收機三部分組成?？臻g衛(wèi)星按照一定的頻率晝夜不停的通過高頻載波信號廣播自己的位置和發(fā)送時間戳。用戶接收機收到衛(wèi)星高頻載波信號后，通過光速乘以載波傳播的時間，便可以計算出與衛(wèi)星的距離，用公式表達如下。

式中，（x1, y1, z1）為衛(wèi)星坐標(biāo)，已知量；（x, y, z）為接收機位置，未知量；c為光速，已知量；△t為衛(wèi)星載波到達接收機所經(jīng)歷的時間，已知量。衛(wèi)星和接收機使用各自的時鐘計時，衛(wèi)星上使用精度極高的原子鐘，可以認(rèn)為是無誤差的時鐘源。而接收機上一般為普通的石英鐘，存在較大的且不可忽略的時鐘誤差 tl，因此在計算時需要其影響，未知量。

從以上公式可知，存在四個未知量，需要四個方程式才可以求解。因此還需要接收到另外衛(wèi)星載波信號，才可計算出接收機的位置。這也是為什么，GNSS需要在可以接收到四顆及以上數(shù)量衛(wèi)星信號的地方才能正常工作。

但由于內(nèi)部和外部誤差的存在，包括衛(wèi)星高頻載波穿透電離層和對流層產(chǎn)生的誤差、衛(wèi)星高速移動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)引起的誤差、軌道誤差，衛(wèi)星鐘差、星歷誤差等，單純GNSS的定位精度只能達到米級，無法滿足自動駕駛對厘米級的定位需求。

而為了更好的消除誤差，提高定位精度，GNSS通常會引入一些天基或地基的輔助手段。而現(xiàn)在比較常用的，是通過地基的無線通信網(wǎng)絡(luò)，傳送增強修正數(shù)據(jù)，提供輔助信息，加強和加快衛(wèi)星導(dǎo)航信號的搜索跟蹤性能和速度，縮短定位時間，提高定位精度。

二、RTK

實時動態(tài)差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)便是地基增強系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，一種具有實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法。RTK系統(tǒng)組成和通信鏈路示意圖如下所示。

RTK系統(tǒng)組成及通信鏈路示意圖

通過在地面建設(shè)參考基準(zhǔn)站，并進行測繪，我們能夠獲知這個參考基準(zhǔn)站的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)，并將這個位置數(shù)據(jù)寫入?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)站控制器內(nèi)部。參考基準(zhǔn)站內(nèi)部接收機同時接收衛(wèi)星載波信號來獲取觀測數(shù)據(jù)（偽距觀測值，相位觀測值），并將測繪數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)打包作為作為差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)廣播給覆蓋范圍內(nèi)的接收機。

接收機收到參考基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)后，結(jié)合自身觀測數(shù)據(jù)，調(diào)用RTK結(jié)算算法，修正觀測數(shù)據(jù)誤差，從而獲得厘米級的定位。對于一個參考基準(zhǔn)站來講，與其半徑幾十公里覆蓋范圍內(nèi)的接收機產(chǎn)生的誤差認(rèn)為是相同的，因此RTK的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也是一個超級基建工程。

但融合了RTK技術(shù)的GNSS還是存在如下缺點：

（1）在完全遮蔽或嚴(yán)重遮蔽的場景（比如隧道、高層密集建筑、濃密樹蔭等），由于無法接收到衛(wèi)星信號或可接收衛(wèi)星信號數(shù)量較少，無法輸出準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)；

（2）在無線通信網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋或通信鏈路斷連時，無法獲得參考基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致無法輸出準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)；

（3）在不增加額外硬件條件下，無法輸出載體的姿態(tài)（航向、俯仰、橫滾角）數(shù)據(jù)；

（4）在多金屬的工作場景，由于嚴(yán)重的多徑影響，會導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)的假固定；

（5）定位數(shù)據(jù)輸出頻率較低（通常為10Hz左右），短期精度較低。

從以上缺點可以看出，GNSS+RTK在大部分場景下表現(xiàn)優(yōu)秀，是全局定位當(dāng)之無愧的主心骨。但在部分惡劣場景下存在短期的定位不準(zhǔn)情況，因此自然而然的想增加一位成員，來彌補這方面的不足，INS便是在這樣的背景下被引入。

三、INS

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）是一種徹底自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，它不需要從外部接收信號，只靠內(nèi)部的硬件，并在在牛頓三大定律的“魔法”下，輸出定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

慣導(dǎo)測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）是INS系統(tǒng)里的主流硬件，主流產(chǎn)品中一般集成了一個三軸加速度計和陀螺儀，俗稱六軸IMU。加速度計可以測量物體在其坐標(biāo)系下的三軸加速度，陀螺儀可以測量物體在其坐標(biāo)系下的三軸角速度，通過對加速度和角速度數(shù)據(jù)進行積分運算，可以解算出載體一個相對的定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

與GNSS一樣，IMU也是起源于軍工。長期以來，受限于高昂的成本，一直僅為國防和航天所用。俄羅斯的導(dǎo)彈如何能準(zhǔn)確擊中烏克蘭的軍事目標(biāo)而不誤傷民用建筑，其中便有IMU的巨大苦勞。

隨著價格更加親民的微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）加速度計和陀螺儀出現(xiàn)，普通民眾才開始享受IMU的紅利。手機屏幕的自動旋轉(zhuǎn)功能、智能手環(huán)的計步功能、虛擬現(xiàn)實頭盔、無人機，無不是IMU發(fā)光發(fā)熱的地方。

IMU可以輸出高頻（200HZ左右）定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)，具有優(yōu)秀的短期定位精度，但是單獨使用INS同樣存在以下缺點：

（1）由于解算模塊存在積分計算，因此存在累積誤差，隨著時間的延長，誤差會越來越大。

（2）高頻振動會降低INS中IMU硬件的可靠性和精度；

（3）高精度的IMU成本（光纖陀螺）依舊很高。

但是這些缺點又是上文GNSS+RTK可以完美解決的，于是農(nóng)村俗語：“男女搭配，干活不累”也在此處很好的應(yīng)驗了。既然GNSS+RTK和INS各有所長，又都是定位界的狠角色，那就將兩者組合在一起，共同實現(xiàn)全局高精度定位，這就是高精度組合導(dǎo)航名稱的由來。

高精度組合導(dǎo)航的組成

從硬件層面劃分，高精度組合導(dǎo)航包括射頻芯片、基帶芯片、IMU模組、數(shù)據(jù)處理單元等硬件部分，詳細組成如下圖所示。

高精度組合導(dǎo)航硬件組成

（圖片來源于：https://www.bynav.com/cn/products/gnss-boards/a1.html）

從系統(tǒng)架構(gòu)層面劃分，高精度組合導(dǎo)航主要由GNSS模塊、INS模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三大得力干將組成。

GNSS模塊又可細分為射頻前端、信號捕獲、信號跟蹤、RTK解算四大模塊。

射頻前端是最重要的硬件部分，主要用于頻率搬移、信號放大、噪聲抑制；

信號捕獲是指通過偽碼對齊、載波對齊實現(xiàn)對信號的捕獲；

信號跟蹤，通過動態(tài)調(diào)整策略，實現(xiàn)對捕獲到的偽碼和載波信號的穩(wěn)定跟蹤；

RTK解算結(jié)合偽距值和差分?jǐn)?shù)據(jù)，輸出RTK定位結(jié)果。

INS模塊主要包括測量單元IMU和解算單元，IMU負(fù)責(zé)測量三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，解算單元負(fù)責(zé)處理IMU輸入數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理模塊反饋的誤差數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊是組合導(dǎo)航的核心，是實現(xiàn)“天人合一”境界的關(guān)鍵。卡爾曼濾波是數(shù)據(jù)處理單元最常用的算法，通過建立運動方程和測量方程，不僅考慮當(dāng)前所測得的數(shù)據(jù)，而且還充分利用過去測得的數(shù)據(jù)，以后者為基礎(chǔ)推測當(dāng)前應(yīng)有的輸出，而以前者為校正量修正，從而獲得當(dāng)前參量值的最佳估算。

三種耦合方式介紹

可是在將兩者組合的時候，問題又出現(xiàn)了。是選擇在衛(wèi)星信號跟蹤階段與INS慣性測量數(shù)據(jù)融合，還是在觀測量生成階段再與INS慣性測量數(shù)據(jù)融合，還是等到RTK解算完成進入濾波器后再與INS慣性測量數(shù)據(jù)進行融合。

不同的融合方式，將高精度組合導(dǎo)航分成了松耦合、緊耦合和深耦合三種形態(tài)。目前業(yè)界普遍認(rèn)為從定位精度、定位穩(wěn)定性、定位可靠性等方面，深耦合最好，緊耦合次之，松耦合次次之。下文我們逐一介紹三種耦合方式的系統(tǒng)原理。

一、松耦合

單從名字來看，“松耦合”是最簡單的一種組合方式。在松耦合結(jié)構(gòu)中，GNSS模塊和INS模塊獨立工作，GNSS模塊低頻輸出RTK定位結(jié)果，INS模塊高頻輸出慣性測量結(jié)果，兩者都將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理模塊中。

在沒接收到RTK定位結(jié)果的時候，卡爾曼濾波器以INS模塊測量結(jié)果為基礎(chǔ)推測當(dāng)前應(yīng)有的定位數(shù)據(jù)。在接收到RTK定位結(jié)果的時候，卡爾曼濾波器通過比較RTK和INS模塊計算結(jié)果的差值，建立誤差模型，估計INS模塊的累計誤差，并將誤差補償反饋給INS模塊，同時輸出定位數(shù)據(jù)的最佳估計值。INS模塊收到誤差補償后，修正累積誤差，循環(huán)往復(fù)。松耦合系統(tǒng)原理下圖所示。

松耦合系統(tǒng)原理

松耦合的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，性能比較穩(wěn)定。缺點是當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量少于一定數(shù)量時，GNSS模塊的輸出就會失效。在信號存在遮擋的場景中，松耦合的定位穩(wěn)定性、可靠性都不如另外兩種耦合方式。

二、緊耦合

從名字來看，兩者融合的程度加深。在緊耦合結(jié)構(gòu)中，將GNSS模塊輸出的觀測量（偽距、偽距率）與INS模塊輸出的慣性測量結(jié)果相減，并將差值輸出給卡爾曼濾波器，用于估計INS模塊測量累計誤差。并將計算出來誤差補償反饋給INS模塊，經(jīng)過校正的INS模塊慣性測量結(jié)果同步輸入到數(shù)據(jù)處理模的卡爾曼濾波器中，結(jié)合RTK定位結(jié)果最終得到組合導(dǎo)航解。緊耦合系統(tǒng)原理如下圖所示。

緊耦合系統(tǒng)原理

緊耦合在原始GNSS觀測量端進行融合，因此當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量少于一定數(shù)量時，RTK定位模塊無法求得固定解，緊耦合的模式依然可以提供GNSS信號的更新。但緊耦合在結(jié)構(gòu)上會比較復(fù)雜，復(fù)雜帶來的好處就是在相同硬件配置下，緊耦合的魯棒性會更上一層樓。

緊耦合的難點在于RTK算法需要高精度組合導(dǎo)航的廠家自研。若非RTK專業(yè)廠家很難把算法打磨到行業(yè)一流水平。畢竟衛(wèi)星離我們3萬公里，速度4千米/秒，通過載波相位雙差，要使得行駛在各種場景下的載體保持實時厘米級精度且無論何時、何地都穩(wěn)定運行還是有很大難度的。

三、深耦合

深耦合在緊耦合的基礎(chǔ)上，將INS模塊的部分?jǐn)?shù)據(jù)直接送到基帶芯片里，將INS的慣性數(shù)據(jù)作為GNSS解算的一部分。通過INS準(zhǔn)確的相對多普勒變化信息，輔助信號跟蹤，提高惡劣環(huán)境下多普勒的估計準(zhǔn)確度，從而提高載波相位、偽距等觀測量的精度和連續(xù)性，減少觀測量中斷和跳變的問題，從而有效提高組合導(dǎo)航精度和可靠性。緊耦合系統(tǒng)原理如下圖所示。

深耦合系統(tǒng)原理

從圖中可以看到，深耦合直接在基帶模擬端進行融。因此，除了具備緊耦合算法能力外，還需要具備GNSS基帶芯片模擬端接收能力，因此只有自研基帶芯片能力的公司才有做深耦合的能力。這也導(dǎo)致目前僅有少數(shù)公司掌握這深耦合的技術(shù)。

三種耦合比較

在空曠、無遮擋環(huán)境，三種耦合方式都能穩(wěn)定地接收到三四十顆衛(wèi)星，實現(xiàn)厘米級的定位精度簡直是小菜一碟，因此在這種環(huán)境下，三者沒有多大差別。

在完全遮擋環(huán)境下（地庫、隧道等），三種耦合方式也幾乎沒有差別，都是一顆衛(wèi)星也搜不到，這個時候即使深耦合可以輔助信號跟蹤，可射頻前端沒有輸入信號，后端再強也無濟于事。因此在這種完全遮擋環(huán)境下，只能靠INS的輸出結(jié)果，累積誤差大小完全取決于INS中IMU的精度及對接入車輛里程計數(shù)據(jù)的處理邏輯。

因此，三種耦合的區(qū)別主要體現(xiàn)在有部分遮擋的環(huán)境（比如高樓林立的城市、高大金屬林立的港口等），衛(wèi)星信號時有時無、時好時壞（搜星數(shù)量多時可達40多顆，少時不超過10顆）的情況下。此時極易出現(xiàn)頻繁失鎖、觀測量跳變等引發(fā)定位異常的問題。而基于更前端融合的深耦合可以通過輔助信號跟蹤來解決這個問題，緊耦合次之。某廠家某款產(chǎn)品實測發(fā)現(xiàn)，在部分遮擋環(huán)境下，深耦合定位精度是緊耦合定位精度的3倍，是松耦合定位精度的5倍。緊耦合絕對是定位Corner Case領(lǐng)域的“屠龍寶刀”。

然而，深耦合固然是好，但是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。而且也不是所有場景都需要深耦合。在高速行駛的工況下，衛(wèi)星信號追蹤存在實時性和精準(zhǔn)性的問題，所以深耦合會很合適；在低速行駛的工況下，不存在衛(wèi)星追蹤的實時性和精準(zhǔn)性問題，也就不需要INS的慣性測量數(shù)據(jù)進行輔助，松耦合反而會更加經(jīng)濟實惠。這一細節(jié)，也充分體現(xiàn)自動駕駛對場景理解能力的高要求。

歸根結(jié)底，無論哪種耦合算法，對于高精度組成導(dǎo)航廠商來講，是性能、品質(zhì)、價格和售后的一個折中。對于最終消費者來講，是實實在在的用戶體驗。一套高精度組合導(dǎo)航產(chǎn)品，上得了高速公路，下得了城市道路，那才是終極目標(biāo)。三種耦合結(jié)構(gòu)的主要性能對比如下表。

三種耦合主要性能對比

主流廠商現(xiàn)狀

據(jù)佐思汽研統(tǒng)計，除了現(xiàn)有量產(chǎn)車型，2021年以來各主機廠又相繼推出了10多款搭載高精度定位技術(shù)的車型，如小鵬P5、蔚來ET7、哪吒 U Pro、埃安 V Plus、埃安LX Plus、長城機甲龍、北汽極狐阿爾法S Hi版等。且伴隨著自動駕駛在各細分領(lǐng)域的落地加速，高精度組合導(dǎo)航廠商迎來了難得的發(fā)展契機。

目前做組合導(dǎo)航產(chǎn)品的廠商少說也有四五十家，但總結(jié)起來，這些廠商主要分為三類：

（1）非GNSS和IMU自研廠商，全外購做系統(tǒng)層面集成，以松耦合算法產(chǎn)品為主。

（2）GNSS自研廠家，外購IMU，以緊耦合或深耦合算法產(chǎn)品為主。

（3）IMU自研廠家，外購GNSS，以松耦合/緊耦合算法產(chǎn)品為主。世面上量產(chǎn)的高精度組合導(dǎo)航產(chǎn)品，九成都是松耦合算法產(chǎn)品，緊耦合算法產(chǎn)品可謂是鳳毛麟角，深耦合算法產(chǎn)品真是可遇而不可求了。

吸取前車之鑒，作者就不指名道姓點評某家產(chǎn)品的優(yōu)劣。只選擇六家主流廠商的六款主流產(chǎn)品在高架橋底測試的一段結(jié)果，來讓讀者欣賞一下當(dāng)前主流高精度組合導(dǎo)航產(chǎn)品的水平。六款產(chǎn)品里面包含一款深耦合算法產(chǎn)品，一款緊耦合算法產(chǎn)品，四款松耦合算法產(chǎn)品。高架橋底天線上方衛(wèi)星信號大部分被遮擋，因此主要測試高精度組合導(dǎo)航產(chǎn)品的抗遮擋性能。

測試部分結(jié)果匯總?cè)缦卤恚?021年7月測試時，各家產(chǎn)品軟硬件均為當(dāng)時最新狀態(tài)），表格中加粗?jǐn)?shù)據(jù)為這一列中性能表現(xiàn)最好的。

發(fā)展趨勢

當(dāng)前階段，高精度組合導(dǎo)航多以一個單獨控制器的形態(tài)存在，單純的分享高精度定位數(shù)據(jù)給車上的其他兄弟模塊使用。從架構(gòu)優(yōu)化的角度，部分主機廠也嘗試將高精地圖模塊或4G/5G通訊模組或C-V2X模組集成到高精度組合導(dǎo)航中，以提供更加豐富的功能。

但在域架構(gòu)/中央集中式架構(gòu)的演進浪潮中，高精度組合導(dǎo)航勢必將被集成到域控制器或中央計算單元中。而這一步實現(xiàn)的關(guān)鍵在于高精度組合導(dǎo)航是否具有芯片化的解決方案，這也將決定未來高精度組合廠商的何去何從。

上文我們介紹過，高精度組合導(dǎo)航硬件部分主要包括射頻芯片、基帶芯片、IMU模組和數(shù)據(jù)處理單元。想要實現(xiàn)芯片化，必須同時具備這四大模塊的自主研發(fā)能力。

目前多數(shù)廠家的主流產(chǎn)品將一塊衛(wèi)導(dǎo)板卡（包括射頻芯片、基帶芯片和數(shù)據(jù)處理單元）和慣導(dǎo)模塊（IMU和數(shù)據(jù)處理單元）集成在一塊大的PCB板上，加上自己的RTK及松/緊/深耦合算法，來提供零件級解決方案。

已有部分廠商（諾瓦泰、天寶、北斗星通、北云等）推出板卡級別產(chǎn)品，通過在一塊小的PCB上集成衛(wèi)導(dǎo)模塊、慣導(dǎo)模塊和數(shù)據(jù)處理單元。上游自動駕駛廠商可靈活的進行集成、開發(fā)，從而實現(xiàn)集成度更高的板卡級的解決方案。

少部分廠家在積極布局集成衛(wèi)導(dǎo)板卡和IMU模塊的SOC解決方案，這意味著他們將具備所有模塊的自研能力，也為最終的芯片化鋪平道路。

參考資料：

“北斗”背后的GNSS技術(shù)，到底是個啥？https://mp.weixin.qq.com/s/ISVpX8cd2SCBW1rE7vJPJw

IMU, 自動駕駛定位團隊“小而美”的隊員https://mp.weixin.qq.com/s/PWFY_e1xkx74iRB_PSyc9g

高精度定位研究：L2+到L3，高精度組合導(dǎo)航定位將成為標(biāo)https://mp.weixin.qq.com/s/NLgIciACJbaR1gNg7vB6gA