車載UWB節(jié)點的PEPS和AVP雙功能設計與應用

2021智慧泊車與AVP技術交流論壇上，四川中電昆辰科技有限公司董事長朱曉章發(fā)表了《車載UWB節(jié)點的PEPS和AVP雙功能設計與應用》主題演講。

以目前各家車廠和手機廠的新產(chǎn)品發(fā)布信息來看，UWB定位技術作為PEPS的量產(chǎn)部件上車已經(jīng)變成確定的現(xiàn)實。什么是PEPS？感應鑰匙即PEPS的一種，攜帶感應鑰匙去拉車門，車門會自動解鎖；按點火開關，車會自動點火。以前的PEPS采用125KHz LF+RF或者藍牙實現(xiàn)，從2020年8月25日 IEEE 802.15.4z UWB協(xié)議定稿開始，UWB開始變成PEPS的共識標準，并且?guī)缀跛兄鳈C廠和手機廠都加入了Car Connectivity Consortium來確認這個共識。這也就意味著在今明兩年的新車和新手機上，都會內(nèi)置UWB收發(fā)部件，來承擔PEPS功能，同時，這個部分也可以把它用來做AVP的定位。中電昆辰是業(yè)界首次利用4z協(xié)議完成了TDoA高精度定位的UWB技術與服務商，我們在車端做了一個雙功能UWB節(jié)點，同時支持 UWB PEPS功能和AVP的高精度TDoA定位。

AVP商業(yè)應用——各方落地條件與挑戰(zhàn)

AVP的商業(yè)應用需要“端、車、場、圖”四個主要的參與方，端是指手機端或服務器端，幾者之間都通過云或者公共網(wǎng)絡連接起來，各部分要能夠滿足如下的落地條件，AVP就可以商業(yè)落地交付。端就是移動端、用戶和車主，交互和支付接口都已經(jīng)成熟，可以認為已經(jīng)滿足落地條件。圖中標記綠色的部分都被認為技術成熟或者沒有技術難度，包括車端自動駕駛方案，經(jīng)過全球四五年來上百億計的資金投入，讓一輛車在停車場環(huán)境里動起來并不難，但是如果涉及到政策、法律、法規(guī)和保險的合規(guī)，以及某一個停車場尤其是公共停車場，包括醫(yī)院、火車站的停車場，是否允許無人駕駛車輛運行，這是商業(yè)落地面臨的必然挑戰(zhàn)，所以“車”這部分的落地條件只差政策許可，可是政策許可往往觀望后面的停車場和地圖的建設情況。

關于“場”，高精度定位、車位動態(tài)更新、場地運營許可，三者缺一不可。場端如何做高精度定位，不管是強場端方案的場遙控車，還是智能車+聰明場的車場協(xié)同方案，場端定位設施的建設都涉及到技術和成本挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，中國非常有價值的公共停車場，包括商超綜合體、三甲醫(yī)院、政府大樓和機場高鐵站，加起來有兩三千個，如果不能把場端定位的建設成本做到足夠的合理，這么大范圍的建設就很難真正商業(yè)化落地。緊接著要把這些建成網(wǎng)連起來還面臨著挑戰(zhàn)，所有建了高精度定位網(wǎng)絡的停車場都需要地圖，網(wǎng)絡建設和地圖測繪可以是同步進行的，整體成本都要合理，總體社會成本才能足夠低。找到低成本的、高質(zhì)量的高精度定位技術，這部分商業(yè)落地的技術成本挑戰(zhàn)就解決了。

我今天跟大家分享的就是停車場場端定位的這部分技術成本挑戰(zhàn)，我們已經(jīng)完全有信心和有機會把它交付出來了。怎么做的呢？我們仔細分析這幾者之間，車、端、場、圖怎么連接？首先手機和車輛，如果大家最近幾年買車很多都可以用手機APP打開自己的車門，來進一步的把車點火開走，這就是用BLE藍牙的PEPS協(xié)議。場端定位是定位一輛車或者說車依賴于場端基礎設施的幫助定位來定位車輛自己，必然要建立車和場之間的連接，這段連接最好就是在本地，最好就是車和停車場內(nèi)的場端設備的互動，如果這條連接的建設成本低、技術標準化、定位性能好、兼容手機端，不光能定位終端，車主的手機也能定位，就把場端定位的技術成本挑戰(zhàn)解決了。

伴隨著去年IEEE 802.15.4z UWB協(xié)議的定稿，幾乎所有手機廠和汽車廠都加入了CCC聯(lián)盟和FiRa聯(lián)盟，符合這個標準的手機、汽車都會內(nèi)置UWB收發(fā)器，具有高精度定位和測距的能力。我們應該擁抱這個標準，這個標準直接打通了從停車場的場端定位網(wǎng)絡到車身再到手機這條完整的信息鏈。為什么UWB的兩個聯(lián)盟能整串打通呢？我們來看看聯(lián)盟的成員都是誰，看看這兩個聯(lián)盟的聯(lián)盟成員，這還僅僅是一部分成員，每天去他們的官網(wǎng)上看都在增加。CCC聯(lián)盟的主打技術從最早的車鑰匙、藍牙進化到現(xiàn)在的UWB，一直里面都是車企和手機企業(yè)。FiRa聯(lián)盟還包括更多的泛智能終端的廠家，例如智能門鎖和智能家居，以及BOSCH這類Tier 1供應商。大家主要的目的就是讓車和手機之間能夠通過UWB實現(xiàn)連接。更進一步的，如果車上已經(jīng)有了UWB設備，除了可以讓車輛和手機相互定位之外，還可以和停車場內(nèi)安裝的UWB定位設備連接來定位車輛自身。在座的各位專家的手機里面很多已經(jīng)內(nèi)置了這樣的芯片，iPhone11開始就內(nèi)置符合IEEE802.15.4z的協(xié)議的U1芯片，三星Note 20 Ultra和2021年全系列都內(nèi)置UWB芯片。小米和OPPO已經(jīng)發(fā)布新聞，蔚來的ET7發(fā)布會也展示了內(nèi)置UWB收發(fā)器，在座的華為同事也跟我們確認，將來手機里面用4z協(xié)議的UWB芯片是確定的。

蘋果有公布過這樣一個專利，如果在車身上放幾個UWB天線，就能夠用車身來定位手機，反過來，如果在墻上放一些UWB的基站，靠車身的點是不是就能夠接收信號計算車體的位置了？事實上我們就是這樣做到的。

從芯片的角度來講，NXP推出了NCJ29D5，這是汽車廠目前唯一可用的車規(guī)級UWB芯片，再往下看還有BOSCH，這兩張PPT是我從BOSCH官網(wǎng)拿過來的，表明了BOSCH認為PEPS方案里面也會由UWB和BLE聯(lián)合在一起實現(xiàn)這個功能。從這來看我們就知道了，其實UWB上車和UWB進入手機已經(jīng)是確定的趨勢了，UWB將會是手機和汽車之間連接的橋梁?？梢詡鬏敂?shù)據(jù)，可以傳輸授權，最重要的是在做通訊的同時還可以精確地測量二者之間的距離。

我們就來設計一個PEPS和AVP的雙功能節(jié)點，我們看一下不同Tier1的PEPS不同車載節(jié)點參考，比如左邊這個車身上布局了五個UWB節(jié)點，有兩個是在車燈，兩個是在尾燈，這個可能乘員艙里面還有兩個BLE節(jié)點，用這5個藍色的UWB節(jié)點，就可以把用戶的手機或者傳統(tǒng)的手持鑰匙定位出來。當人靠近這輛車的時候這幾個節(jié)點一起計算，車主從哪個方向靠近的，靠近的是駕駛門、副駕駛門，還是行李艙門，哪個門該解鎖，哪個門一伸手就能解鎖，這些都是靠這個來實現(xiàn)的。

它們共同的特點是：車身內(nèi)部和外部部署了多個標準的IEEE802.15.4z的UWB收發(fā)節(jié)點，只要是符合這個標準的收發(fā)節(jié)點，它應該就能夠接收符合4z協(xié)議的UWB信號，不論是來自于手機還是來自于車主的鑰匙，還是來自于停車場的UWB基站，因為UWB是全球統(tǒng)一的國際標準了。車身上的這么多UWB節(jié)點所收到的UWB報文，目前都會在集中在一個處理器上綜合計算，可能是這些車的中央網(wǎng)關，也可能是它們的自動駕駛域控制器，有一個CPU會收集這些節(jié)點收到的UWB報文，一起做計算，像右側(cè)圖中BCM就在做這個計算。

比如這是我們客戶車的布局圖，它采用了前大燈和尾燈放置四個UWB PEPS節(jié)點，全玻璃的車頂?shù)谖鍌€UWB節(jié)點，這個節(jié)點既可以接收車內(nèi)的UWB信號，也能接收車外的UWB信號，我們就在第五個節(jié)點上面做雙功能。好處是什么？首先車身上的UWB收發(fā)器有5個，是誰花的錢？不是自動駕駛部門花的錢，這個量產(chǎn)部件的預算不是自動駕駛部門爭取來的，是PEPS部門的同事爭取來的，因為車總是要有UWB PEPS感應鑰匙功能。我們利用第五節(jié)點的UWB收發(fā)器硬件，接收停車場UWB基站的高精度定位信號，增加了這個車執(zhí)行AVP時的高精度定位能力，但是沒有增加額外的硬件成本。

同時，PEPS和AVP這兩個功能、性能完全不妥協(xié)。怎么做到的？我們看當它工作在PEPS模式下的時候，這個第五節(jié)點所收到的來自手機或者車鑰匙的測距報文和另外四個節(jié)點的報文一起送到中央網(wǎng)關或域控制器，去做鑰匙和手機位置的計算，以及是否可以開門的整套協(xié)議。但是當這輛車進入AVP模式的時候，第五節(jié)點就開始不斷地接收在停車場里鋪設的UWB基站播發(fā)的符合4z協(xié)議的UWB報文。這個報文所包含的信息類似露天狀態(tài)下收到的衛(wèi)星定位信號一樣，這些UWB定位報文被送到定位計算盒子里，計算出車輛在地庫內(nèi)的坐標并發(fā)給自動駕駛控制器。由于我們這個第五節(jié)點本身的射頻性能會比普通的UWB PEPS節(jié)點要好，要應對更復雜的場景，所以當它工作在PEPS模式下的時候也完全滿足PEPS的需求。我們這個支持不低于50米以外的路側(cè)以及場端UWB基站所發(fā)的信號。

大家肯定更進一步想了解我們在場端做了什么，我們?nèi)绾伟?z協(xié)議的標準做到停車場端，最關鍵的就是這些固定站，每個站都在用IEEE802.15.4z這個協(xié)議的報文互相進行通信，每個站之間都在不斷地通信，它們不斷地在匯報自己的高精度時鐘，播發(fā)自己當前的時刻以及觀測到的周圍其他基站的時刻，實現(xiàn)了各個站之間皮秒級（10的負12次方秒）的同步。固定站之間互相同步時鐘的報文，加上每個固定站在停車場里面精確的坐標，這兩種信息加起來就可以被移動站（車載UWB接收機）收到，就可以精確車身坐標了。凡是符合4z協(xié)議的設備，不僅僅是汽車，還有手機，如果手機打開4z的芯片也能收到我們的報文，也能算出自己的坐標。

這張UWB定位網(wǎng)不僅僅可以給車提供服務，也可以給我們的手機提供服務，這張網(wǎng)不僅可以鋪設在地下車庫給AVP車輛提供服務，也可以用在衛(wèi)星信號不好的場景，例如高架橋、隧道、下穿立交。固定站之間不需要實現(xiàn)有線的數(shù)據(jù)連接，分別供電就可以了。這個應用場景比較廣，UWB在物理層的協(xié)議已經(jīng)由IEEE協(xié)會完成了國際標準的統(tǒng)一，在應用層已經(jīng)形成了兩大聯(lián)盟，CCC聯(lián)盟和FiRa聯(lián)盟，并且成員的重疊性非常高，都是車廠和手機廠。UWB技術在這個場景下為車輛提供低成本、高精度的定位，其實就已經(jīng)走到大家的眼前了，這個技術成本挑戰(zhàn)已經(jīng)達成了。

我們更進一步的不僅僅做地下的定位，我們還把衛(wèi)星定位做了融合，做成室內(nèi)外融合定位盒子，這里面有衛(wèi)星定位的RTK模組、室內(nèi)定位UWB模組，一起坐標融合之后直接給到車身，可以直接支持不管是AVP級別的還是車位導航級別的應用。

這是我們做過的一些測試，RTK部分是由ST8100完成的。這輛車在室外用RTK定位，拐了個彎拐下坡道，坡道的時候衛(wèi)星信號丟掉了，由UWB接手繼續(xù)定位，進到地下車庫完全由UWB進行定位計算，根據(jù)客戶車身CAN總線的負載率限制UWB以30Hz刷新率輸出，其實可以輸出到最高200Hz。車輛在地下車庫拐個彎，在車位挪幾次車再開出地庫，回到衛(wèi)星區(qū)域，這是地下車庫從外到內(nèi)、從內(nèi)到外的完整的數(shù)據(jù)。

我們?nèi)绻堰@個站裝到高速路的隧道里怎么樣？沒有衛(wèi)星的區(qū)域我們都可以利用低成本的方式讓車計算自己的位置，我們跑過三個時速的測試，60、80、120公里每小時。三個誤差矢量圖可以看到，車的行進方向向上。圖示是X方向（車身左右）和Y方向（車身前后）的逐次定位誤差分布圖，沿車的行進方向并沒有出現(xiàn)誤差點向車尾方向（Y軸負方向）的偏移，這套系統(tǒng)的實時性很好，120公里的時速對定位性能幾乎沒有影響。如果要是系統(tǒng)實時性不夠好的話，可以想像每次測算得到的坐標都應該向車尾方向偏移，但是從圖中的數(shù)據(jù)看來，93%的點都在真值十厘米以內(nèi)，這是一個非常好的高速下面實時性的驗證。

最后一個環(huán)節(jié)是我們商業(yè)化思考。我們面對的三個挑戰(zhàn)，第一是政策和許可挑戰(zhàn)，保險有沒有政策，商業(yè)停車場允不允許這樣的車跑。第二個是技術成本的挑戰(zhàn)，場端定位的技術成本挑戰(zhàn)，我們用UWB定位解決了技術成本挑戰(zhàn)。第三個我們怎么去推廣覆蓋。一起分析可以看出，面對技術成本挑戰(zhàn)，UWB的車端硬件上車已經(jīng)不用額外付出硬件成本了，可以復用PEPS節(jié)點車載硬件。

當然，要用這個PEPS硬件計算我們場端UWB基站發(fā)出的信號，也是需要鑒權的，當年蘋果的iBeacon室內(nèi)定位可能在座的朋友很多都知道，為什么生態(tài)沒有起來，就是因為協(xié)議上沒設計好，沒辦法鑒權認證，沒有人愿意去鋪iBeacon。我們用4z協(xié)議做成自動駕駛級別的高精度定位的這張網(wǎng)，還要面對主機廠對我們的ASIL B等級的挑戰(zhàn)，這張UWB定位服務網(wǎng)背后的技術非常復雜，就像RTK服務商建設了地面增強站之后收取高精度定位服務費一樣，我們在車身上的UWB解算軟件會有小額的license和NRE費用。

接著看場端的建設成本，可以先看到高亮的綠色文字，低于一家奶茶店的加盟費用，對于一個典型的商超綜合體，大幾百個車位的地庫，并且不光覆蓋了UWB場端基站，還包含基站的供電和數(shù)據(jù)網(wǎng)，以及采集車位動態(tài)信息的攝像頭和處理器都放進去，形成“高精度的車輛定位、車位的動態(tài)更新”關鍵服務的支撐硬件系統(tǒng)，加上施工所需的輔材和人工、第一年的運維費用全部合計，百分之百覆蓋也就是這個數(shù)，低于一個奶茶店的加盟費用。

更何況如果我們跟合作伙伴合作，可能車位信息這部分是不需要的，可能合作伙伴直接可以提供它的常駐施工人員來進行網(wǎng)絡的鋪設和施工架設，最終真正落實到UWB場端基站成本上來講是遠低于這個數(shù)的。如果說我們再進一步做個ROI的投入回報測算，假設如果年度訂閱，按某輛新車銷往C城市，車主買地下車庫的高精度定位和地圖服務，支持AVP功能，我們假設他只訂閱本地車庫的服務包（考慮用車習慣，一般大家的私家車都在本地使用），這個服務包里面包含了3sigma 10cm的高精度UWB定位服務、空車位秒級動態(tài)更新、AVP高精度地圖的實時推送（地圖來源可以多樣化）。

同時這張網(wǎng)絡還支持符合4z UWB協(xié)議的手機，如果用戶手機也是帶UWB的安卓手機，手機也能在地庫里進行定位。假設新車AVP訂閱覆蓋率是5%，次年覆蓋率是50%，根據(jù)ROI測算結果，覆蓋大型城市70%商超地圖的投入兩年內(nèi)就可以收回投資。兩年就能ROI的事聽上去挺誘人的，為什么能做到這個效果，就是采用了標準的UWB無線協(xié)議，低廉的建設成本和高質(zhì)量的定位數(shù)據(jù)，它能夠為我們AVP不論是純場端方案還是車場協(xié)同方案，解決技術成本的挑戰(zhàn)，在定位上解決技術成本的挑戰(zhàn)。有這么好的位置數(shù)據(jù)來源，大家都可以放心大膽的把單車智能的AVP功能往公眾停車場這類復雜的地方跑起來了。

我們的生態(tài)路線可以給大家分享，2017年到2020年，橫軸是生態(tài)發(fā)展的時間軸?？v軸是建設的參與方，運營方、物業(yè)方、主機廠和我們。2017年到2020年，我們在車端跟主機廠上汽做了車型的量產(chǎn)開發(fā)，當時上汽車型配套的停車場都是上汽的自持物業(yè)，他們既是OEM車廠也是物業(yè)方，AVP功能的定位服務是我們提供。從去年開始，合作范圍迅速擴大，在停車場方面，我們跟地方政府的智能駕駛相關物業(yè)方做了合作，這些項目在做的業(yè)內(nèi)人士都知道，比如各種示范區(qū)項目，合作伙伴包括運營方和物業(yè)方。

從今年開始，我們在上海建成了公開的停車場，成都、北京、廣州這些城市我們都會開建公共停車場的覆蓋，大家都能把車開下去測的停車場，我們與合作伙伴一起去溝通物業(yè)，自己來當運營方來做先行先試的停車場。乘用車這邊我們上了多款新車，基本2021年上市的帶有UWB PEPS的車型都可以用停車場的服務了，都能夠在我們覆蓋了的地庫里計算高精度定位坐標。

場端運營這邊我們有一家正在籌備中的合資公司，來去做一些停車場的投資建設，還有某地文旅發(fā)展集團一起來參與，用的都是國際標準的UWB技術方案。從2021年往后，也就是今天想給大家非常重要的信息，我們希望在運營方能有更多的AVP共建伙伴，這些潛在的伙伴包括：停車場服務運營商、地產(chǎn)商和商超業(yè)主、OEM、自動駕駛方案商、地圖商、地方政府基金都可以共建，一起建設能夠支持L4級別的高精度室內(nèi)定位網(wǎng)絡，一起當這張網(wǎng)絡的運營商。全國2500個高價值地庫的持有方或者停車場經(jīng)營方都可以來參與。

這張地庫高精度定位網(wǎng)絡，可以給自動駕駛車輛支持AVP功能，也可以給非自動駕駛的車輛提供精確的車位車庫導航。

全國每個停車場大家都跟我們一起投入，也可以按單個城市某一個合作伙伴，在一個城市里資源非常多，那我們就在這個城市合作共建，也可以按項目合作共建。對于合作伙伴，我們會透明建設成本，我們把每一分錢都給大家呈現(xiàn)出來，這個停車場是怎么建的，大家按比例投入現(xiàn)金。如果伙伴的場地資源非常好，我們來出錢，您那邊用場地資源可以跟我們做等效現(xiàn)金投入，最后收到高精度地位的服務費我們按比例分成。

AVP是最具有商業(yè)化落地的可能的自動駕駛功能，我們已經(jīng)把場端定位的技術成本挑戰(zhàn)突破了，還有一套符合商業(yè)邏輯的停車場建設方案，技術方案、商業(yè)合作方式方案、背后的經(jīng)濟賬全部算清楚的情況下，AVP車場協(xié)同方案的商業(yè)落地已經(jīng)近在眼前了。謝謝大家！

原文標題：中電昆辰丨車載UWB節(jié)點的PEPS和AVP雙功能設計與應用

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