航位推算，實(shí)現(xiàn)高精度車(chē)載導(dǎo)航定位

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）汽車(chē)在使用GPS或者GNSS定位時(shí)，需要同時(shí)接收到多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)才能保證精確定位。因此我們可以看到當(dāng)汽車(chē)行駛到隧道等存在遮蔽的環(huán)境里時(shí)，GPS 或GNSS定位精度會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，甚至是完全丟失。

航位推算DR通常被用來(lái)彌補(bǔ)GPS 或GNSS的定位困難，在衛(wèi)星定位精度降低的時(shí)候，航位推算通過(guò)使用來(lái)自各種傳感器（陀螺儀傳感器，加速度計(jì)，速度脈沖等）的信息來(lái)計(jì)算汽車(chē)當(dāng)前位置，維持汽車(chē)的定位精度。

無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算的精準(zhǔn)定位

航位推算最常見(jiàn)的是使用IMU來(lái)推算車(chē)輛的即時(shí)航向。借助該信息再加上行駛的距離，導(dǎo)航系統(tǒng)可以正確確定車(chē)輛的位置。高端汽車(chē)中的航位推算ADR是將GNSS數(shù)據(jù)與從安裝在車(chē)身和車(chē)輪上的相關(guān)傳感器收集到的位置信息相結(jié)合，然后進(jìn)行定位推算。這種最精準(zhǔn)的定位需要車(chē)輛自身數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成度要足夠高。

那在車(chē)輛自身數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成度不那么高的情況下能否也實(shí)現(xiàn)比單GNSS更準(zhǔn)確的定位呢？那就是無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算UDR。無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算可以實(shí)現(xiàn)比GNSS定位效果更好，且十分接近ADR。無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算這種辦法并不需要與車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，它只將慣性傳感數(shù)據(jù)與GNSS數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)推算得到車(chē)輛位姿信息。

無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算模塊通過(guò)獲取IMU的角度和加速度的精確測(cè)量數(shù)據(jù)在GNSS信號(hào)被干擾或者失真時(shí)提供即時(shí)的定位修正。目前的能夠支持無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算的芯片或模塊，車(chē)輛即使在沒(méi)有地圖匹配的情況下，位置精度也相當(dāng)高，基本等同于車(chē)載導(dǎo)航精度。

特色技術(shù)下的航位推算芯片修正車(chē)輛位置信息

航位推算模塊現(xiàn)在有不少供應(yīng)商在做，而且都開(kāi)始推出無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算功能。基本的原理都是相同的，具體的技術(shù)細(xì)節(jié)會(huì)有些不一樣，比如SkyTraq Technology的S1722DR8，結(jié)合GNSS位置數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)（測(cè)量轉(zhuǎn)角）和里程表數(shù)據(jù)（測(cè)量行駛距離）。-148dBm冷啟動(dòng)靈敏使它能夠在極弱的信號(hào)環(huán)境中自動(dòng)獲取、跟蹤和定位位置。SkyTraq Technology通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法將GNSS和傳感器數(shù)據(jù)與依賴(lài)于GNSS信號(hào)質(zhì)量的加權(quán)函數(shù)相結(jié)合，降低誤差效果顯著。SkyTraq Technology去年推出的PX1120D則是集成6軸IMU和四核GNSS，前裝應(yīng)用提供wheel-tick融合航位推算，后裝應(yīng)用則是滿(mǎn)足傳感器融合級(jí)別的無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算，提供100%位置覆蓋。

u-blox的NEO-M9V模塊航位推算模塊同樣是IMU結(jié)合四核GNSS，提供無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算，運(yùn)用的dead reckoning（死區(qū)計(jì)算）技術(shù)，相較于單個(gè)GNSS模塊能夠提升三倍精度，在常見(jiàn)的環(huán)境中能做到分米級(jí)別的精度。NEO-M9V也使用了耦合的卡爾曼濾波器將追蹤精度的信息反饋到GNSS組件中，衡量所有GNSS和傳感器信號(hào)。NEO-M9V還有一個(gè)特點(diǎn)，高刷新頻率，提供實(shí)時(shí)的HNR。另外，模塊集成的SAW/LNA緩解了一部分射頻干擾。無(wú)聯(lián)機(jī)航位推算模塊里結(jié)合實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)（RTK）技術(shù)和校正服務(wù)的高精度算法在多頻段中可實(shí)現(xiàn)高精度位置的快速收斂和重新收斂。
ST的Teseo III，Teseo-VIC3DA模塊同樣結(jié)合了6軸IMU與GNSS IC，內(nèi)置航位推算，不僅功耗更低，還加入了更高精度的載波相位跟蹤。-163dBm靈敏度跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)1.5m CEP的精度定位。Teseo-VIC3DA 的航位推算定位速率高達(dá)30Hz，延遲很低，可以大幅減少UART通道抖動(dòng)。ST硬件設(shè)計(jì)上的領(lǐng)先性在該模塊里也得以體現(xiàn)，Teseo-VIC3DA在16.0 mm x 12.2 mm 的小尺寸內(nèi)，由于板載提供了卓越的準(zhǔn)確性溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）和縮短的首次定位時(shí)間（TTFF）。

雖然各個(gè)不同廠(chǎng)商的航位推算模塊使用的特色硬件、軟件技術(shù)不一樣，但是原理相同，都是通過(guò)收集傳感器內(nèi)部的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前位置相對(duì)于上一次衛(wèi)星定位的距離。當(dāng)然，想實(shí)現(xiàn)高精度的航位推算對(duì)傳感器的要求也很高，除了必要的精度之外，器件功耗必須要低，這樣才能始終保持開(kāi)啟模式，并為航位推算提供數(shù)據(jù)。

如何進(jìn)一步提高航位推算精度

從上面這些航位推算模塊我們可以看到，IMU是相當(dāng)重要的。IMU測(cè)量車(chē)輛的旋轉(zhuǎn)速率，代表車(chē)輛即時(shí)航向的角度通過(guò)計(jì)算旋轉(zhuǎn)速率的時(shí)間積分而求得，再結(jié)合航向和行駛距離即可以確定車(chē)輛的位置。在航位推算導(dǎo)航中使用IMU的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是，衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)丟失較長(zhǎng)時(shí)間，結(jié)果使累積角度誤差過(guò)大而無(wú)法精確定位車(chē)輛。

從計(jì)算的角度來(lái)說(shuō)，隨著所需積分時(shí)間變長(zhǎng)，累積誤差會(huì)隨之變大，這也是為什么在航位推算應(yīng)用中，較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間會(huì)導(dǎo)致精度出現(xiàn)偏差。想要提升推算精度，提升傳感器整體性能當(dāng)然是一個(gè)方法，減少I(mǎi)MU的速率誤差是很傳統(tǒng)的降低角度誤差的辦法。不過(guò)從現(xiàn)在的MEMS系統(tǒng)來(lái)看，車(chē)規(guī)級(jí)IMU已經(jīng)做到很精密了，在這一性能上改善的空間有限。

那另一個(gè)角度，就是通過(guò)縮短積分時(shí)間來(lái)降低誤差。一般使用低通濾波器來(lái)縮短這個(gè)時(shí)間，用低通濾波器過(guò)濾掉數(shù)字域中的噪聲，減少無(wú)效的積分時(shí)間。在IMU中，設(shè)定一個(gè)閾值，小于該閾值的速率樣本做歸零處理，在航位推算時(shí)只取剩下的有效速率。受IMU本身性能（主要是噪聲）的影響，這些無(wú)效積分時(shí)間有時(shí)候會(huì)很多，甚至超過(guò)有效積分時(shí)間。在過(guò)濾之后，積分時(shí)間大大縮短，累積的角度誤差也可以明顯降低。

在傳感器性能能提升的空間相對(duì)有限的情況下，通過(guò)低通濾波器縮短積分時(shí)間是一種簡(jiǎn)單且有效地提升航位推算精度的方法。

小結(jié)

在GPS 或GNSS無(wú)法獨(dú)立工作的場(chǎng)景里，如何精準(zhǔn)定位車(chē)輛需要依賴(lài)航位推算。目前航位推算模塊也表現(xiàn)出完全匹配車(chē)載導(dǎo)航水平的高定位精度，大大降低了車(chē)載導(dǎo)航的局限性。