1、高精度定位逐漸成為智能駕駛標配

隨著5G、物聯網、人工智能和汽車制造的飛速發展，智能駕駛話題日趨火熱，那么，什么是智能駕駛呢？所謂智能駕駛，指的是機器幫助人進行駕駛，以及在特殊情況下完全取代人駕駛。按照機器自動化程度，國際汽車工程師協會制定了一套智能駕駛分類標準，即Sae智能駕駛分類標準。Sae包括六個等級的智能駕駛，即L0至L5。數值越高，機器的自動化程度越高，人的參與度越低。其中，L0級是沒有自動化的；L1正在推動支持；L2是部分自動化的；L3是條件自動化；L4高度自動化；L5級是全自動的。需要注意的是，L1到L3監控和響應路況的任務基本都是由駕駛員和系統共同完成，駕駛員需要接管動態駕駛任務。L4和L5級別完全可以把司機變成乘客。

從技術上來講，智能駕駛的實現要分為三層。第一層是感知層，即確定汽車的狀態，此狀態包括車況、位置、速度、姿態等信息。在感知自身狀態的基礎上，結合地圖信息，做出下一步的行駛規劃，這就是第二層，決策層。最后，把決策傳輸到各器件，實現交互，就是最后的執行層。從上述對智能駕駛的技術分層中我們可以發現，感知自身位置是智能駕駛的前提條件，沒有這一步，就無法正確的進行決策與執行。那么具體智能駕駛對導航定位有哪些要求呢？可以分為幾個指標：一、高精度，定位精度需要達到厘米級，定位精度達到厘米級才可以在汽車行駛過程中判斷所處車道；二、高適用性，隨著智能駕駛技術日益成熟，智能駕駛最終是要從室內試驗場景走入實際生活場景，對于今天的城市環境而言，立交橋、城市峽谷與隧道環境屢見不鮮，所以，如何實現在廣泛復雜場景的定位對于智能駕駛來說，至關重要；三、成本適中，雖然智能駕駛已經很火熱了，但人們長期以來的消費習慣還沒有改變，有一些消費者是不愿意為智能駕駛額外付賬的，這也使得智能駕駛的成本要由廠家來承擔，所以，成本要適中。從以上幾點出發，我們可以考慮采用什么樣的導航定位技術。對于當前的智能駕駛而言，高精度組合導航目前已經成為了解決汽車高精度定位問題的最優解，GNSS在室外環境衛星信號良好時可提供厘米級定位，但在隧道等衛星信號較弱的場景下，其定位精度會相應下降。IMU可在復雜工作環境中進行準確定位，但其存在誤差累計問題。GNSS+IMU，二者互補，可滿足定位精度和穩定性的要求，這在某種程度上或許已成為汽車前裝應用的標配，對于未來的智能汽車以及智能駕駛發展來說尤為重要。

2、導航定位技術簡介

目前來講，所有的導航定位技術都可以分為兩類：直接定位與航位推算。直接定位，顧名思義，就是采用可識別的外部信息直接確定位置，信息可以是信號也可以是環境特征，目前該方法涉及到的主要導航手段有無線電導航和激光導航等，這一類技術的要點是將所在地可以接收到的信號（如無線電信號、超聲波信號等）和/或者可觀測到的特征（如點云特征點、線等）與數據庫匹配，可以直接推測出位置；航位推算能夠測量經過的路程與方向，因而，如果初始位置已知，即可確定當前的位置。當下的主要導航傳感器均可按這兩種方法進行分類，具體情況如圖1所示。

圖1導航與定位技術的分類

3、組合導航的意義及慣性導航

隨著無人駕駛技術不斷進步、逐步實現商業化發展，為保證行駛安全性，高精度組合導航不可或缺。組合導航技術，即用兩種或兩種以上的非相似導航系統對同一導航信息作測量并解算以形成量測量，從這些量測量中計算出各導航系統的誤差并校正之。在過去的數十年里，世界公認的最佳的組合導航方案就是GNSS/慣導組合導航。

IMU作為唯一一個不依賴外界任何信號可以實現自主定位的器件，其定位精度的好壞直接決定了智能駕駛定位安全的底線。理想情況下的IMU可以準確的測量運動的角速度和比力，然而，由于現代工藝制造水平的有限，所以當下的IMU都存在著各種量測誤差，圖2列出了慣性導航中常出現的若干種誤差，圖來自加拿大卡爾加里大學Naser El-Sheimy教授課件。此外，慣性器件還存在著交軸耦合誤差，是由于慣性傳感器的敏感軸與載體坐標系的正交軸之間不對準造成的。

圖2 慣性器件誤差

針對上述的各種誤差，可以建立IMU的觀測模型，以方便對慣性器件誤差進行處理和分析。公式2和3即慣性導航觀測方程。

（2）

（3）

上述的傳感器誤差在進行航位推算的過程中會一直存在，而慣性導航航位推算是一個數學積分過程，因此，誤差會隨時間快速累積，無法提供長時間的高精度導航信息，特別是對于低成本的微機械（Micro Electro Mechanical Sensor，MEMS）慣性單元，這種發散表現得更加明顯。

為了提高慣性導航的定位精度，需要對上述的誤差進行處理。像常值零偏、比例因子誤差等系統誤差，我們可以通過轉臺，給定準確輸入，建立誤差方程，標定出來。而對于慣性器件的隨機誤差，像零偏重復性誤差、觀測誤差等，我們無法通過標定將其標定出來，因為他們在每一次的測量過程中都是不一樣的。對此，將慣導和GNSS結合起來成為了一種極佳的選擇。GNSS定位范圍大、精度高，但信號受限于外界環境，而慣導短時精度高、無源的特性使得其不受外界環境的干擾，但長時間易發散，將兩者結合起來，利用GNSS高精度的位置給慣導提供參考，校正每次量測中出現的隨機誤差，而慣導在誤差項處理好后，也可以在GNSS失鎖時繼續提供導航信息。

在未來大規模的智能駕駛商業化落地之后，安全永遠是排在第一位的，組合導航在這里承擔著極其重要的角色。

4、組合導航的三種模式

長期研究發現GNSS/INS組合導航按照組合模式可以分為：松組合、緊組合和深組合。松組合是直接使用GNSS和IMU導航系統各自解算出的速度與位置作為組合導航的觀測量的組合模式，這種模式如圖3所示，分別由GNSS設備和IMU提供了兩套位置與速度，兩者做差作為觀測量進入卡爾曼濾波器，其優點在于組合結構簡單，容易實現，而且，由于兩套系統各自獨立工作，所以當一套系統不工作時，另一套系統依舊可以提供位置和速度，提高了組合導航系統的穩定性與連續性。但這種組合方式要GNSS可以先行解算出位置、速度，這就對環境和衛星數目都有要求，另外，該組合對于GNSS的原始觀測信息利用有所不足。

圖3 松組合流程圖

緊組合是使用GNSS的原始觀測信息和INS預測的GNSS觀測信息的差值作為組合導航觀測量，其具體流程如圖4所示。GNSS接收機可以直接獲得一組原始觀測數據，IMU經過力學編排可以得到位置和速度等狀態參數，該狀態參數結合GNSS收到的衛星星歷，可以計算出IMU對應的原始觀測，兩者做差作為觀測量進入卡爾曼濾波器進行融合。由于緊組合是基于GNSS的原始觀測做的，所以其對GNSS的原始觀測的信息使用的比較充分，可靠性得到了提高，而且對衛星數目的需求也降低了，即使只有一顆衛星也可以進行組合。

圖4 GNSS/INS緊組合流程圖

深組合是利用 INS輔助GNSS跟蹤環路，減小信號跟蹤帶寬，提高捕獲信號的速度和質量，屬于硬件方面的精度提升。

目前，三種組合方式各有優勢和不足。其中松組合存在著結構簡單、易于操作、成本低且能夠分別輸出慣導和GNSS導航信息的優點，成為了現階段市場的主流選擇。

5、K8系列模塊組合導航效果展示

司南導航K8系列模塊基于自研Quantum Ⅲ SoC芯片和AGC1443A多模多頻射頻芯片，具有完全自主的知識產權，其中Quantum Ⅲ SoC芯片集GNSS基帶、快速捕獲、CPU、存儲、接口電路于一體，支持全系統全頻點信號跟蹤，采用多系統聯合定位/定向技術、慣性導航技術、地基/星基增強技術、SBAS技術、完好性技術等技術，可應用于多種復雜的高精度定位場景中。

K8系列模塊采用三頻定位，性能優于傳統的單頻和雙頻；擁有快速恢復能力，過天橋2秒即可恢復高精度固定解；同時模塊板載IMU，融合高精度組合導航算法，不懼衛星信號中斷，支持三維姿態輸出，可完美滿足智能駕駛對于高精度定位的需求。

為了進一步了解組合導航在智能駕駛中的性能，我們進行了兩組道路實測。

圖5 地下停車場環境

圖5是一組地下停車場車載導航實驗數據，測試地點在上海市某一地下停車場，安裝K8系列模塊的車在樓群中穿梭三遍，然后統計結果。紅色點為純GNSS解算的坐標，藍色點為GNSS/INS組合導航解算后輸出的坐標。很顯然，進入地下車庫后，GNSS信號失鎖，RTK無法輸出固定解，而INS在此時發揮出它的定位功能，持續不斷地輸出定位結果，且軌跡較為平滑，基本符合其在地下車庫的運行軌跡。

圖6 地下隧道

圖6是在北京市鳥巢附近做的車載組合導航測試。測試路段為隧道環境。圖中紅色為GNSS/INS組合導航定位數據軌跡，黃色為純GNSS定位數據軌跡。在復雜的城市環境下，GNSS/INS組合定位優勢明顯，沒有大面積漂移現象出現，特別是經過隧道等完全失去GNSS衛星信號路段，仍然能夠輸出正確的軌跡。

智能汽車涉及產業眾多，如電子信息制造、大數據、人工智能、云計算、半導體、信息通訊等高端制造領域，已經成為世界主流國家的“兵家必爭之地”。經過多年的發展，政策已經逐步從原來的設定目標、制定規范方面，向引導落地實施、搭建基礎設施以及網絡與數據安全等方面轉移。

2021年10月，中央中共、國務院印發《國家標準化發展綱要》，提出加強關鍵技術領域標準研究，研究制定智能網聯汽車和機器人等領域關鍵技術標準，推動著產業的變革。國家部委持續推進自動駕駛監管體系建設，多源傳感信息融合感知和高精度時空基準服務成為要突破的關鍵基礎技術。

參考文獻：

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[3] GROVES, D Paul. Principles of GNSS, inertial, and multisensor integrated navigation systems[J]. Industrial Robot, 2013, 67(3):191-192.

??上海司南衛星導航技術股份有限公司是一家集研發、生產、銷售、服務為一體的高新技術企業，致力為全球用戶提供自主知識產權的北斗高精度GNSS板卡、接收機和全方位、多領域的行業應用解決方案。自成立以來公司獲得20多項榮譽證書，兩次承研北斗二代重大專項“多模多頻高精度OEM板”，參與國家863項目“基于相位的實時分米級北斗定位數據處理系統技術”，主導的“基于北斗高精度導航定位的閱兵車輛訓練考核系統”在2015年國家九三大閱兵中大放異彩。

??司南導航秉承“知行合一、止于至善”的企業理念，集中國高精度GNSS技術之大成，擁有一支多年專業從事高精度GNSS核心技術的本土研發團隊，主要技術骨干40余人次獲得省部級及以上科技進步獎。在行業領軍人物王永泉博士的帶領下，公司打破了國外多項技術壁壘，突破了高精度GNSS核心算法、芯片、板卡、接收機、應用及產業化等關鍵技術瓶頸，擁有專利和軟件著作權30余項，數次填補了國內外GNSS在高精度領域的空白。2014年司南導航正式發布第一代高精度GNSS基帶芯片，為中國北斗高精度GNSS板卡及接收機形成自主品牌和北斗產業化應用奠定核心基礎。

??司南導航緊跟全球四大衛星導航系統兼容互用趨勢，靈活滿足不同行業的差異化需求，全面布局高精度GNSS生態圈，產品應用涵蓋測繪地理信息、地基增強、智能交通、精準農業、機械控制、安全工程、工業測量等多個高精度領域，銷售網絡覆蓋了亞太、歐洲、拉美、北美等全球六十多個國家與地區，在第29次南極科考、國家級北斗地基增強主框架網、中撾兩國政府合作項目之東盟首座北斗CORS站、國家“西電東送”骨干工程溪洛渡水電站等重大工程建設中均發揮了重大作用。

??2015年司南導航正式入駐建筑總面積26000平方米的司南北斗產業園，作為我國主要的北斗高精度GNSS板卡研發、生產和應用中心，將成為帶動上海、輻射全國、影響世界的北斗產業化基地。