如今，先進(jìn)的單頻帶GNSS接收器能夠在開闊的天空條件下滿足V2X、ADAS和自動(dòng)駕駛的高精度要求。為了能在各類環(huán)境中可靠地服務(wù)，GNSS接收機(jī)需要克服在城市和其他挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的局限性。本文演示了如何使用基于GNSS校正服務(wù)和車輛動(dòng)態(tài)模型的多波段RTK慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

不管是在V2X應(yīng)用，還是在包括自動(dòng)駕駛在內(nèi)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中，基于衛(wèi)星的定位都發(fā)揮著獨(dú)一無(wú)二的作用。它是能夠?qū)崟r(shí)確定車輛絕對(duì)位置的唯一技術(shù)。它獨(dú)立于地圖、攝像頭和地標(biāo)。由于其基本工作原理與自動(dòng)駕駛車輛中使用的其他傳感技術(shù)（如激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波）完全無(wú)關(guān)，因此基于衛(wèi)星的定位可為多傳感器網(wǎng)絡(luò)提供其他任何技術(shù)都無(wú)法給予的重要基礎(chǔ)和支持。

如今，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器技術(shù)正不斷克服其局限性。精度提升至幾十厘米，收斂時(shí)間（接收器在信號(hào)中斷和隨后重新獲取后達(dá)到預(yù)定精度水平所需的時(shí)間）提升至幾秒鐘。延遲（從測(cè)量位置到設(shè)備將此位置報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間）大約為10毫秒。位置更新頻率也能做到10Hz以上。此外，通過更多技術(shù)改進(jìn)，在城市峽谷、多層道路和其他具有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景中也能進(jìn)行定位。

簡(jiǎn)而言之，在V2X和ADAS應(yīng)用的時(shí)代，GNSS終于實(shí)現(xiàn)了技術(shù)成熟。

然而，并非所有進(jìn)步都發(fā)生在GNSS接收器中。在摩爾定律的影響下，硬件尺寸逐漸縮小為適用于大眾市場(chǎng)的便攜式低功耗設(shè)備的微型芯片。無(wú)處不在的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)連接使GNSS校正服務(wù)能夠最大限度地減少電離層對(duì)GNSS精度的影響，而電離層影響正是GNSS誤差的主要來源。此外，國(guó)家層面和國(guó)際層面對(duì)于太空領(lǐng)域的投資為我們提供了為創(chuàng)新應(yīng)用量身定制的新衛(wèi)星系統(tǒng)。這使得接收器能夠使用更多（可見）衛(wèi)星，進(jìn)而獲得關(guān)鍵性的優(yōu)勢(shì)。

這些進(jìn)步將使我們能夠?yàn)檐囕v配備最新一代多頻帶、多星座GNSS接收器，提供亞米級(jí)的精度（甚至可達(dá)幾十厘米），具體取決于應(yīng)用的要求。

但是我們需要的并不僅僅是定位精度的提高。低延遲是新興應(yīng)用提出的另一項(xiàng)關(guān)鍵要求，例如“車輛到一切”（V2X）通信。在V2X中，車輛使用無(wú)線消息相互“交談”或與路邊基礎(chǔ)設(shè)施“交談”，并在合流和超車時(shí)傳遞關(guān)于移動(dòng)位置的警告和信息，以及在交叉路口協(xié)商優(yōu)先權(quán)。

圖像2：V2X用例中延遲的影響

在影響最小的情況下，較長(zhǎng)的延遲可能會(huì)造成困擾、導(dǎo)致不必要的制動(dòng)和加速、降低車流效率以及乘客舒適度。而在最糟糕的情況下，延遲可能會(huì)是致命的。特別是在高速公路上，車輛每100毫秒就會(huì)駛過一輛汽車的長(zhǎng)度。在大多數(shù)用例中，V2X通信所采用的ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)級(jí)別的延遲低于100毫秒。

下表總結(jié)了汽車市場(chǎng)中不同應(yīng)用的要求。

注：所有應(yīng)用都需要慣性導(dǎo)航技術(shù)，包括輪速信息。CEP50值對(duì)應(yīng)于覆蓋所有位置測(cè)量值的50%的圓的半徑。

先進(jìn)的傳感器融合濾波器，收斂時(shí)間更短

對(duì)于ADAS、V2X，以及為了最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，即使在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，GNSS接收器也必須能夠穩(wěn)健地提供車道定位。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)暫時(shí)受阻時(shí)，它們需要在幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)高精度定位。這可以通過將下列多個(gè)互補(bǔ)的傳感器進(jìn)行融合濾波來實(shí)現(xiàn)。

圖2：?jiǎn)稳诤蠟V波器，用于高精度定位解決方案

多星座、多頻段GNSS接收器：全球GNSS星座的數(shù)量已從一個(gè)（GPS）增加到四個(gè)（GPS、GLONASS、北斗、伽利略），這意味著接收器能夠在任何給定位置“看到”更多衛(wèi)星。這樣就能解決接收器需要更多衛(wèi)星才能準(zhǔn)確定位的問題：  只有單個(gè)星座時(shí)，需要使用四顆衛(wèi)星；但存在三個(gè)星座時(shí)，大約需要使用七顆衛(wèi)星（為了計(jì)算星座之間的時(shí)間差，這些星座本身具有彼此不同的時(shí)間參考系）。

除了更多衛(wèi)星，多頻帶GNSS接收器還可以組合不同頻率的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都能在特定應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。例如，同時(shí)處理來自不同頻率的兩個(gè)信號(hào)可有效消除高達(dá)99.9%的電離層誤差。另一種稱為“幾何無(wú)關(guān)組合”( geometry-free combination)的技術(shù)有助于檢測(cè)載波相位中的周跳。所有這些技術(shù)僅能由多頻段接收器實(shí)現(xiàn)。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）算法：標(biāo)準(zhǔn)精度的GNSS接收器跟蹤至少四顆GNSS衛(wèi)星的GNSS信號(hào)碼相位來實(shí)現(xiàn)三角定位，而高精度GNSS接收器跟蹤高頻載波的相位。為了解決載波相位模糊的問題，高精度GNSS接收器利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）算法。這些算法已被集成到部分GNSS接收器模塊中。RTK算法廣泛使用通過無(wú)線連接提供的校正數(shù)據(jù)。對(duì)于汽車市場(chǎng)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星L波段的通信非常適合。除了節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸成本之外，即使在蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差或根本不可用的農(nóng)村地區(qū)，L波段接收器也可以通過衛(wèi)星接收RTK校正數(shù)據(jù)。

廣播GNSS校正服務(wù)：GNSS校正服務(wù)提供商通過從基站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控GNSS信號(hào)來不斷估算GNSS信號(hào)誤差。  例如，精確點(diǎn)定位（PPP）-RTK服務(wù)可以補(bǔ)償衛(wèi)星時(shí)鐘、軌道、信號(hào)偏差、全球電離層以及區(qū)域電離層和對(duì)流層效應(yīng)。在理想情況下，這種校正在美國(guó)大陸等大片區(qū)域有效，并且對(duì)于帶寬的要求也最低。傳統(tǒng)服務(wù)基于粗略的位置估算并向單獨(dú)用戶發(fā)送定制的校正流，而現(xiàn)代服務(wù)提供商采用擴(kuò)展性更強(qiáng)的方法，向所有用戶廣播相同的動(dòng)態(tài)GNSS誤差模型。

除了提高GNSS接收器精度之外，高質(zhì)量的校正數(shù)據(jù)還能縮短接收器收斂到準(zhǔn)確位置所需的時(shí)間。對(duì)于存在架空障礙物（例如天橋、公路標(biāo)牌、樹木和橋梁）的環(huán)境，這一特性對(duì)于正常駕駛至關(guān)重要，因?yàn)檫@些障礙物可能會(huì)暫時(shí)中斷GNSS信號(hào)。

慣性傳感器和傳感器融合：多年來，慣性傳感器已被用于增強(qiáng)GNSS定位服務(wù)。通過實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航（DR），它們使車輛定位系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)在隧道、停車場(chǎng)和其他挑戰(zhàn)性的常見環(huán)境所遇到的GNSS信號(hào)缺失。通過融合由慣性測(cè)量單元（IMU）的各個(gè)組件收集的數(shù)據(jù)，定位模塊可以在GNSS信號(hào)受阻的環(huán)境中繼續(xù)提供估算位置。

當(dāng)GNSS信號(hào)接收暫時(shí)中斷時(shí)，慣性傳感器和傳感器融合有助于定位解決方案保持位置和速度的相關(guān)信息。與純GNSS解決方案相比，融合解決方案可在衛(wèi)星信號(hào)再次可用時(shí)，縮短重新收斂時(shí)間，即解出載波相位模糊所需的時(shí)間。

車載傳感器：結(jié)合車載傳感器（例如輪速傳感器）的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高慣性導(dǎo)航解決方案的性能。如果算法發(fā)現(xiàn)車輪沒有移動(dòng)，就可以忽略GNSS系統(tǒng)(由于信號(hào)誤差)上報(bào)的位置變化。使用輪速傳感器加權(quán)計(jì)算得出的速度估計(jì)比僅依賴于有噪聲的加速度計(jì)更加準(zhǔn)確。此外，對(duì)輪速傳感器的移動(dòng)距離的持續(xù)校準(zhǔn), 可以修正冬季和夏季輪胎變化引入的誤差。

動(dòng)態(tài)模型：車輛的動(dòng)態(tài)模型能夠限制測(cè)量誤差對(duì)于位置估算的影響。模型假設(shè)車輛不會(huì)橫向滑動(dòng)、垂直跳躍或以任何不合理的方式加速。所有GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)在用于導(dǎo)航濾波器之前，將由該動(dòng)態(tài)模型檢查其合理性。

量化隧道中的表現(xiàn)

量化上述方案在隧道中的表現(xiàn)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。首先，主要誤差源是傳感器誤差，并且當(dāng)它們被整合以得出車輛的速度（加速度計(jì)）和姿態(tài)（陀螺儀）時(shí)，誤差會(huì)趨于累積。這主要是因?yàn)檎`差源于隨機(jī)而非系統(tǒng)性現(xiàn)象。為了正確表征其影響，需要收集相當(dāng)數(shù)量的隧道數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其次，無(wú)法獲得確切的“真實(shí)”位置來與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。理想情況下，應(yīng)在這些隧道內(nèi)使用基于完全不同技術(shù)獲得的定位作為參考，以消除GNSS信號(hào)被遮擋帶來的影響。最后，即使是基于慣性傳感器的昂貴參考系統(tǒng)也會(huì)在一定程度上出現(xiàn)漂移誤差。

我們首先使用在開闊天空條件下收集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建虛擬隧道，而不是在實(shí)際隧道中測(cè)試真實(shí)系統(tǒng)的設(shè)置。為此，我們“斷開”GNSS信號(hào)以模擬GNSS信號(hào)中斷，迫使系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航模式下導(dǎo)航。這樣，我們就能將慣性測(cè)量單元（IMU）的性能與高端真值系統(tǒng)進(jìn)行比較。記錄慣性導(dǎo)航解決方案和高端參考GNSS接收器的位置輸出可為我們提供必要的數(shù)據(jù)，以比較不同長(zhǎng)度的隧道中的性能。通過這個(gè)簡(jiǎn)單的技巧，我們就能運(yùn)行一組足夠大的測(cè)試，以便對(duì)性能進(jìn)行定量分析, 獲得具有統(tǒng)計(jì)顯著性的結(jié)果。

圖3：無(wú)GNSS的慣性導(dǎo)航模式下，行進(jìn)距離上的定位誤差

在上圖中，通過分析31次測(cè)試產(chǎn)生的1758次信號(hào)中斷的數(shù)據(jù)，我們確定在慣性導(dǎo)航模式下，我們?cè)谛羞M(jìn)距離上的定位誤差約為2%。換句話說，每行駛一公里，水平定位的誤差平均增加20米。值得注意的是，慣性測(cè)量單元（IMU）的表現(xiàn)對(duì)于隧道測(cè)試結(jié)果有顯著的影響。在我們的配置中，我們使用了具有平均性能而非高端性能的標(biāo)準(zhǔn)IMU。

在實(shí)際道路上測(cè)試

隧道模擬只是更廣泛設(shè)備測(cè)試的一部分。為了驗(yàn)證上述的技術(shù)組合，即通過組合多頻帶、多星座的GNSS接收器與內(nèi)置RTK算法、廣播GNSS校正數(shù)據(jù)、用于慣性導(dǎo)航的IMU、外部輪速傳感器和動(dòng)態(tài)車輛模型，可靠地提供車道準(zhǔn)確定位，我們還在復(fù)雜程度不同的多種情況下進(jìn)行了測(cè)試。由于GNSS和IMU誤差的隨機(jī)性，與下面給出的結(jié)果相比，單獨(dú)測(cè)試的結(jié)果可能超出或低于所示表現(xiàn)。

在最近的高速公路行駛中，主要是在開闊天空條件下（挑戰(zhàn)性最低的場(chǎng)景），我們的解決方案可提供100%的可用性，并且在50%的時(shí)間內(nèi)精度達(dá)5.8厘米。水平速度分量在68%的時(shí)間內(nèi)的精度為0.02 km/h。

在我們的測(cè)試中，我們?cè)赗TK固定解（載波相位整數(shù)模糊度固定）、RTK浮點(diǎn)解（載波相位整數(shù)模糊度未固定）和慣性導(dǎo)航之間進(jìn)行了占比統(tǒng)計(jì)，分別是82%比14.8%比3.1%?？偠灾?，這一解決方案的精度比現(xiàn)有的單頻段接收機(jī)提高了十倍。但是，必須注意的是，RTK固定解和浮點(diǎn)解的比率可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。對(duì)于同一接收器，在評(píng)估精度時(shí)，這一比率可出色地指示不同測(cè)試軌跡之間的相對(duì)難度水平。但在比較兩個(gè)接收器的性能時(shí)，它不是一個(gè)有用的指標(biāo)。

與單頻段、無(wú)RTK配置相比，在巴黎高速公路和典型城區(qū)的開闊天空條件下測(cè)得的結(jié)果顯示了出色的性能提升。在最糟糕的情況下，即在巴黎La Défense 區(qū)進(jìn)行的城市峽谷測(cè)試，其表現(xiàn)依然超過V2X應(yīng)用的要求。即使GNSS接收器無(wú)法完全固定載波相位的整周模糊度，CEP68[i]也可以達(dá)到約1.1米的精度，而且解決方案在95%的時(shí)間內(nèi)精度為<1.7米。這一情景清楚顯示了所用的技術(shù)是如何在最具挑戰(zhàn)性的城市環(huán)境中提高定位表現(xiàn)的。

最后，我們?cè)谌鸬涓绲卤ひ粭l兩公里的隧道中測(cè)試了我們解決方案的表現(xiàn)，其結(jié)果比我們?cè)谀M中的表現(xiàn)更好。與預(yù)期相比，漂移誤差降低了50%，行進(jìn)距離上的定位誤差為1%。此外，收斂到車道級(jí)精度只需兩秒。這樣的快速收斂表現(xiàn)基于多種因素的組合，包括多頻GNSS接收器、GNSS校正服務(wù)，以及通過慣性導(dǎo)航得出的相對(duì)準(zhǔn)確的位置估算。顯然，在長(zhǎng)隧道中無(wú)法保持車道的準(zhǔn)確定位。在這種情景中，高度自動(dòng)化和無(wú)人駕駛的車輛可以使用互補(bǔ)的定位技術(shù)來彌補(bǔ)精度的損失。

表4：開闊天空：勃艮第的高速公路；城市：巴黎12-16區(qū)；城市峽谷：巴黎La Defense

為汽車GNSS提供明顯的附加值

總而言之，通過在定位解決方案中組合多頻帶、多星座的GNSS接收器與內(nèi)置RTK算法、廣播GNSS校正數(shù)據(jù)、用于慣性導(dǎo)航的IMU、外部輪速傳感器和動(dòng)態(tài)車輛模型，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、連續(xù)的車道定位。這樣的定位能力還可以通過融合其他車輛傳感器（例如攝像頭和雷達(dá)）獲得進(jìn)一步增強(qiáng)，使我們的運(yùn)輸系統(tǒng)更加安全、舒適、高效。通過這一解決方案，GNSS技術(shù)能在慣性導(dǎo)航的輔助下得到增強(qiáng)，并為高級(jí)汽車應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

我們發(fā)現(xiàn)這一解決方案在精度方面優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)十倍。城市環(huán)境中的連續(xù)服務(wù)是通過多頻段、多星座GNSS接收器的強(qiáng)大組合實(shí)現(xiàn)的。這一接收器能夠在信號(hào)部分受阻的情景中最大化衛(wèi)星的可見性、通過慣性導(dǎo)航彌補(bǔ)GNSS接收中的信號(hào)中斷，以及從GNSS的中斷中快速重新收斂?；谶@一產(chǎn)品的精度和全球覆蓋，以及GNSS是能夠提供絕對(duì)真實(shí)位置和時(shí)間信息的唯一技術(shù)，高級(jí)汽車應(yīng)用必將從這一整合方案中受益。

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