作者：王文林 ｜ 奇瑞自動(dòng)駕駛產(chǎn)品經(jīng)理

汽車測(cè)試網(wǎng)特約作者

高精定位模塊在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，高精定位模塊是不可或缺的，他扮演著“我在哪”角色，系統(tǒng)只有知道自己當(dāng)前的位置才能執(zhí)行“去哪里“、”怎么去“的任務(wù)。目前主流的高精定位模塊基本都是GNSS+IMU+RTK的方案，由GNSS獲取大概位置，之后經(jīng)RTK解算獲取精準(zhǔn)位置，同時(shí)在GNSS信號(hào)空檔期由IMU基于之前位置進(jìn)行位置推算，如此往復(fù)，便可持續(xù)獲得車輛的精準(zhǔn)位置，以便系統(tǒng)基于精準(zhǔn)定位來(lái)控制車輛。下面我們?cè)敿?xì)介紹以下幾個(gè)組件：

GNSS是什么？GNSS(Global Navigation Satellite System)，全名為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，這是衛(wèi)星的泛稱，其具體包括：中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）以及日本的沖天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

基于GNSS如何獲取車輛位置？上面我們知道了GNSS是天上的衛(wèi)星，但如何基于衛(wèi)星獲取車輛位置呢？這里要說(shuō)明一下，衛(wèi)星發(fā)射到天上是要干活的，它要發(fā)射電磁波給地面，用以支持地面人員獲取相關(guān)信息。不同的衛(wèi)星發(fā)射的電磁波的頻率也有所不同，如下所示：

根據(jù)衛(wèi)星工作頻段選擇對(duì)應(yīng)的GNSS天線，即可獲取衛(wèi)星發(fā)射下來(lái)的信息；不過(guò)并不是所有的頻段都可以使用，有些是民用的，有些是軍用的，自動(dòng)駕駛需要選擇民用的；當(dāng)拿到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，GNSS模塊負(fù)責(zé)解析衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取衛(wèi)星坐標(biāo)（x,y,z）、衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)到天線接收的時(shí)間T【通過(guò)光速*T可計(jì)算出到達(dá)衛(wèi)星的距離】、衛(wèi)星的時(shí)間戳等信息；下面說(shuō)明以下幾個(gè)信息的用處：

——計(jì)算自車絕對(duì)坐標(biāo)：對(duì)于單顆衛(wèi)星，我們知道了這顆衛(wèi)星的具體坐標(biāo)以及我們到達(dá)這個(gè)坐標(biāo)的距離，但這樣是無(wú)法確定我們的具體位置的，因?yàn)槲恢檬怯山?jīng)度、緯度、高度三個(gè)未知量構(gòu)成，因此需要獲取三顆衛(wèi)星的坐標(biāo)和距離才能明確我們的具體位置：  

然而距離是我們通過(guò)衛(wèi)星的星歷時(shí)間和光速算出來(lái)的，因此還要額外加一顆衛(wèi)星才能算出我們的具體位置：

——時(shí)間同步：在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)中，通信時(shí)間的一致性是非常重要的，整個(gè)架構(gòu)通信必須依賴一個(gè)非常精準(zhǔn)的時(shí)鐘，此時(shí)衛(wèi)星上的銣原子鐘和銫原子鐘就極為合適，其材質(zhì)極其穩(wěn)定且精密度極高，非常適合做整個(gè)架構(gòu)的時(shí)間Master

RTK是什么？RTK（Real-Time Kinematic）是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，在解釋其原理之前，先講下為什么需要RTK，光靠GNSS算出的位置不行嘛？在文章開頭我們講過(guò)，GNSS算出的是大概位置，其精度在米級(jí)別，主要是受天體物理模型誤差【潮汐、引力、歲差等】、星間誤差【衛(wèi)星鐘差、天線多徑、軌道誤差等】、傳播誤差【大氣電離層、對(duì)流層折射帶來(lái)的延遲和路徑形變、高樓/樹木帶來(lái)的遮擋和多徑等】、接收誤差【天線相位中心、設(shè)備噪聲、信號(hào)測(cè)量精度、通道一致性、算法性能等】影響，導(dǎo)致定位精度不夠，因此需要通過(guò)RTK服務(wù)將這些誤差進(jìn)行糾正，即RTK服務(wù)是將車輛附近空間的誤差因子計(jì)算出來(lái)給到車輛，用以修正定位；目前市面上的RTK服務(wù)分為兩種：NRTK和PPP-RTK，下面分別解釋一下其原理：

NRTK-網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)

NRTK(network real-time kinematic positioning)，全稱網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，使用的是地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS，ground-based augmentation systems）），采用觀測(cè)空間表示法（OSR算法），其基本流程如下：

——建立已知精確位置坐標(biāo)的地面基準(zhǔn)站【密度一般為50km】
——地面基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理集群【也就是服務(wù)商】
——中央處理集群會(huì)基于地面基準(zhǔn)站發(fā)送過(guò)來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及已知位置信息，生成每個(gè)基站附近的誤差信息；為了防止基站距離過(guò)遠(yuǎn)導(dǎo)致誤差數(shù)據(jù)存在偏差，還會(huì)在基站之間按照一定區(qū)域適當(dāng)劃分出許多虛擬參考站，根據(jù)終端請(qǐng)求的位置，將距離其最近的虛擬參考站的誤差數(shù)據(jù)【此數(shù)據(jù)為最終誤差值，無(wú)法區(qū)分衛(wèi)星軌道偏差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星偽距偏差、衛(wèi)星相位偏差、電離層延遲、對(duì)流層延遲】發(fā)給終端用以修正定位
——終端通過(guò)GNSS天線接收導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算自身坐標(biāo)位置，并通過(guò)4G/5G通訊網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給中央處理集群
——中央處理集群根據(jù)終端請(qǐng)求位置，將距離其最近的虛擬參考站的誤差數(shù)據(jù)通過(guò)4G/5G通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)給終端——終端通過(guò)服務(wù)商部署的RTK SDK解析誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)而用來(lái)修正定位

PPP-RTK-精密單點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)

PPP-RTK(precise point position real-time kinematic positioning) ，精密單點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，使用的是星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS，satellite based augmentation systems），采用狀態(tài)空間表示法（SSR算法），其基本流程如下：
——建立已知精確位置坐標(biāo)的地面基準(zhǔn)站【由于SSR算法會(huì)建立觀測(cè)誤差模型，因此對(duì)地面基站數(shù)量要求較低，密度一般為200km】
——地面基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理集群【也就是服務(wù)商】
——中央處理集群會(huì)基于地面基準(zhǔn)站發(fā)送過(guò)來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及已知位置信息，生成基于狀態(tài)域的誤差模型【包括衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星偽距偏差、衛(wèi)星相位偏差、電離層延遲、對(duì)流層延遲】
——中央處理集群將基于狀態(tài)域的誤差模型參數(shù)【此數(shù)據(jù)為各個(gè)誤差模型的函數(shù)因子】通過(guò)4G/5G通訊網(wǎng)絡(luò)或地球同步軌道衛(wèi)星單向發(fā)給終端——終端通過(guò)服務(wù)商部署的PPP-RTK SDK以及自身GNSS定位數(shù)據(jù)解析誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)而用來(lái)修正定位

NRTK與PPP-RTK兩者的區(qū)別上面介紹了兩者的工作機(jī)制，下面完整的介紹一下兩者的差異點(diǎn)：——技術(shù)路線：

NRTK：采用OSR算法，即觀測(cè)空間表示法，主要通過(guò)差分GNSS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位。其基本原理是利用一個(gè)已知精確位置的基準(zhǔn)站來(lái)計(jì)算并傳輸誤差修正值給用戶接收機(jī)，從而消除大部分誤差，提高定位精度。具體來(lái)說(shuō)，OSR算法通過(guò)對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行誤差描述，當(dāng)接收機(jī)和基準(zhǔn)站足夠近時(shí)，可以通過(guò)基準(zhǔn)站計(jì)算的誤差值來(lái)修正接收機(jī)的定位結(jié)果。OSR算法為雙向通信，用戶發(fā)送GNSS位置給服務(wù)商，服務(wù)商才會(huì)發(fā)送誤差數(shù)據(jù)給用戶

PPP-RTK：采用SSR算法，即狀態(tài)空間表示法，通過(guò)建立觀測(cè)誤差模型來(lái)描述衛(wèi)星信號(hào)中的誤差項(xiàng)，主要包括電離層誤差和大氣層誤差等。SSR算法通過(guò)這些模型來(lái)預(yù)測(cè)和修正誤差，從而提高定位精度。SSR算法為單向通信，用戶僅需接收誤差模型參數(shù)即可，無(wú)需發(fā)送數(shù)據(jù)

——收斂時(shí)間：NRTK：通?？梢栽趲酌?接近1秒)內(nèi)完成收斂PPP-RTK：斂速度較慢（<15s)

——定位精度：NRTK：定位精度在1-2cm之間PPP-RTK：定位精度在2-5cm之間

——基站密度/成本要求：NRTK：對(duì)基站密度要求較高(50km)，若實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，至少需要上千個(gè)基站，建設(shè)成本及維修成本高PPP-RTK：對(duì)基站密度要求比較低(200km)，若實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，僅需幾百個(gè)就可以，成本相對(duì)較低

——播發(fā)方式：NRTK：需要4G/5G通信，依賴通信基站，當(dāng)用戶數(shù)量上升時(shí)，會(huì)存在帶寬問(wèn)題；PPP-RTK：可支持4G/5G通信和地球同步衛(wèi)星通信兩種；由于地球同步軌道衛(wèi)星對(duì)全球均可播發(fā)，因此針對(duì)信號(hào)不好的海上或者無(wú)4G/5G信號(hào)的區(qū)域，衛(wèi)星通信效果會(huì)比較顯著；

——差分?jǐn)?shù)據(jù)：

NRTK：混合了衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星偽距偏差、衛(wèi)星相位偏差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等綜合誤差的數(shù)據(jù)值，無(wú)法區(qū)分出到單個(gè)因素的影響

PPP-RTK：對(duì)衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星偽距偏差、衛(wèi)星相位偏差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等單獨(dú)建模，數(shù)據(jù)為模型參數(shù)，可解析出單個(gè)因素的影響

——隱私保護(hù)：NRTK：用戶需要將自己當(dāng)前位置發(fā)送給服務(wù)商才能獲取自身位置的誤差PPP-RTK：用戶無(wú)需告訴服務(wù)商自身位置，僅需接收發(fā)送的誤差模型參數(shù)即可

——完好性：隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的不斷提升，高階自駕對(duì)高精定位的功能安全提出了要求，此時(shí)需要有個(gè)高精定位的量化指標(biāo)，即為完好性
NRTK：由于NRTK的誤差數(shù)據(jù)時(shí)將所有誤差因素混在一起的，無(wú)法區(qū)分是哪些因素造成的這種誤差，也就無(wú)法采取對(duì)應(yīng)的策略，因此不具備功能安全概念PPP-RTK：上面講到PPP-RTK的誤差數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)各個(gè)誤差因素單獨(dú)建模，因此能夠明確的知道是哪些因素導(dǎo)致了這種誤差，同時(shí)可對(duì)每種誤差模型進(jìn)行完好性監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以采取對(duì)應(yīng)的降級(jí)策略

IMU是什么？

IMU（Inertial Measuring Unit），全稱為慣性測(cè)量單元，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。一般自動(dòng)駕駛使用的是六軸IMU，包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺儀，加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)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)?；蛟S有人會(huì)好奇，我上面已經(jīng)有GNSS和RTK了，我已經(jīng)知道了我當(dāng)前的具體位置，為什么還需要IMU？這里解釋一下，衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)送頻率是10HZ，也就是1秒可定位10次，假設(shè)車輛以20m/s的速度向前行駛，20m除以10HZ，即2m，也就是衛(wèi)星定位1次，當(dāng)下次再定位時(shí)，車輛已行駛了2m了，在這2m期間車輛位置發(fā)生了哪些變化，系統(tǒng)是無(wú)法知道的，因此需要加上IMU，IMU的頻率為100HZ-200HZ，在衛(wèi)星信號(hào)消失時(shí)，IMU足以推算自車的準(zhǔn)確的位置。但I(xiàn)MU有個(gè)問(wèn)題時(shí)誤差會(huì)隨時(shí)間累計(jì)，因此也需要GNSS+RTK隔段時(shí)間來(lái)幫他糾正，這樣三者相輔相成，很好的擔(dān)任起自動(dòng)駕駛的定位工作了。

影響IMU性能的關(guān)鍵指標(biāo)
——零偏：IMU零偏是指當(dāng)傳感器輸入角速度為零時(shí)，輸出信號(hào)仍然存在偏差的現(xiàn)象。這種偏差可以用等效輸入角速率來(lái)表示，單位通常為°/h或m/s2。零偏是一個(gè)隨機(jī)變量，它在一定范圍內(nèi)緩慢地隨機(jī)漂移。即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，IMU的輸出信號(hào)也不是完全為零，而是圍繞一個(gè)固定值波動(dòng)。IMU零偏的主要來(lái)源包括傳感器內(nèi)部的物理特性、制造工藝、溫度變化等因素，其中，溫度變化是影響IMU零偏的重要因素之一。溫度變化會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的物理特性發(fā)生變化，從而影響零偏的穩(wěn)定性。

——零偏不穩(wěn)定性：IMU的零偏不穩(wěn)定性是指IMU（慣性測(cè)量單元）在靜止?fàn)顟B(tài)下，其輸出值會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象主要是由于IMU內(nèi)部的傳感器元件隨時(shí)間變化的偏差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定

——噪聲：噪聲則是由傳感器內(nèi)部和外部因素引起的隨機(jī)波動(dòng)；影響姿態(tài)估計(jì)的連續(xù)性和精度，以及位置和速度的精度；

——角度隨機(jī)游走：IMU角度隨機(jī)游走（Angular Random Walk, ARW）是指陀螺儀輸出的角度白噪聲在時(shí)間積分過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)游走現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于陀螺儀在測(cè)量角速率時(shí)，其輸出包含白噪聲，這些噪聲在積分過(guò)程中會(huì)累積成角度誤差，表現(xiàn)出隨機(jī)游走的特性

組合慣導(dǎo)技術(shù)-松耦合、緊耦合、深耦合上面我們介紹了GNSS、RTK、IMU的原理，下面介紹一下三者的組合使用，一共有三種，分別是：松耦合、緊耦合、深耦合

松耦合

松耦合的概念類似于感知的后處理，GNSS和IMU兩者輸出的是各自處理后的定位信息給卡爾曼濾波器，如果有RTK定位結(jié)果，就以RTK定位信息為準(zhǔn)，同時(shí)用RTK定位的結(jié)果去修正IMU的累計(jì)誤差，如果沒有RTK定位信息，則使用IMU的推算結(jié)果，輸出的是IMU推算出來(lái)的位置信息；松耦合的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)丟星或者沒有4G/5G信號(hào)的時(shí)候只能靠IMU推算，誤差會(huì)隨時(shí)間逐漸累積，定位就會(huì)不準(zhǔn)

緊耦合

在緊耦合的導(dǎo)航系統(tǒng)中，GNSS的偽距以及偽距速率的測(cè)量將與IMU預(yù)測(cè)的相應(yīng)值進(jìn)行做差，并將差值反饋給kalman濾波器，用來(lái)估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差。慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出經(jīng)過(guò)誤差的校正之后，得到組合導(dǎo)航的解。相比松耦合，緊耦合多了GNSS數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)丟星或衛(wèi)星信號(hào)不好時(shí)，緊耦合仍可以通過(guò)IMU預(yù)測(cè)更新GNSS坐標(biāo)。

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(guò)INS準(zhǔn)確的相對(duì)多普勒變化信息，輔助信號(hào)跟蹤，提高惡劣環(huán)境下多普勒的估計(jì)準(zhǔn)確度，從而提高載波相位、偽距等觀測(cè)量的精度和連續(xù)性，減少觀測(cè)量中斷和跳變的問(wèn)題，從而有效提高組合導(dǎo)航精度和可靠性。

定位信息的保密，算法的部署，偏轉(zhuǎn)插件的使用出于國(guó)家安全及個(gè)人隱私考慮，精準(zhǔn)的定位信息是不能被讀取到的，這就要求跟定位相關(guān)的所有算法都必須部署在自駕域控制器中，由自駕控制器做最終的解算，同時(shí)在定位數(shù)據(jù)的使用上，禁止使用真實(shí)數(shù)據(jù)，需將與定位相關(guān)的算法模塊提交給政府，用于申請(qǐng)偏轉(zhuǎn)插件，與定位算法聯(lián)合編譯

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