GNSS在車載導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

本文作者 |?Stefania Sesia博士，Phd，u-blox汽車應(yīng)用市場主管

導(dǎo)言

現(xiàn)狀

若讓衛(wèi)星定位在汽車應(yīng)用中發(fā)揮出重要的作用，定位的可信度是前提條件。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)已經(jīng)為我們的生活帶來了很多利好，定位導(dǎo)航只是其中一方面，而隨著我們進(jìn)入自動(dòng)駕駛時(shí)代，這種積極影響還會(huì)表現(xiàn)在更多方面。

事實(shí)

GNSS定位方法自1990年創(chuàng)立以來一直沿用至今。首先接收機(jī)需接收至少四顆GNSS衛(wèi)星信號(hào)，并計(jì)算其信號(hào)以光速從衛(wèi)星軌道傳播至接收機(jī)所需的時(shí)間，然后根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)的精確位置，接收機(jī)可通過信號(hào)傳播時(shí)間轉(zhuǎn)換成的距離來確定自身的坐標(biāo)。

然而，雖然基本方法沒有改變，但GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)以及支持性基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)和算法在過去30年里已有顯著的改進(jìn)。

在上世紀(jì)90年代，GNSS接收機(jī)體積大、速度慢，主要還是供軍方使用。而現(xiàn)在，這類硬件不僅性能越來越穩(wěn)定，而且根據(jù)不同應(yīng)用場景，GNSS接收機(jī)的尺寸甚至可以縮小到毫米級(jí)。

在本文中，我們將回顧GNSS技術(shù)隨著自動(dòng)駕駛時(shí)代的到來而逐漸發(fā)展成熟的過程。我們還將探討這些技術(shù)正如何改變車輛導(dǎo)航解決方案、助力自動(dòng)駕駛汽車普及。最后，我們將討論支持GNSS的自動(dòng)駕駛汽車對(duì)于整個(gè)行業(yè)的影響。

01.GNSS在車載導(dǎo)航中的未來前景

現(xiàn)狀

GNSS技術(shù)最初是以衛(wèi)星導(dǎo)航形式運(yùn)用到車輛中，現(xiàn)在幾乎所有新車都能提供組合導(dǎo)航解決方案。然而，幾乎所有使用這項(xiàng)技術(shù)的用戶都相信導(dǎo)航解決方案盡管已經(jīng)很成熟，但目前仍有改進(jìn)的空間。

其中一個(gè)常見問題是，在車輛點(diǎn)火之后，我們往往需要長時(shí)間等待GNSS接收機(jī)確定其位置，以便導(dǎo)航系統(tǒng)提供前往目的地的最優(yōu)路線。

響應(yīng)能力是其中一個(gè)挑戰(zhàn)，另一個(gè)挑戰(zhàn)則是精度。現(xiàn)在的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)可以有效定位車輛所在的道路，預(yù)計(jì)未來能夠定位其所在車道，這是實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示器(AR-HUD)等新型應(yīng)用的先決條件。

AR-HUD可以在駕駛員視線區(qū)域內(nèi)顯示導(dǎo)航引導(dǎo)、碰撞警告、交通狀態(tài)等相關(guān)信息。

解決方案

這兩個(gè)挑戰(zhàn)正通過技術(shù)解決方案得以解決。

例如，為了提高響應(yīng)能力，GNSS接收機(jī)可以使用A-GNSS（輔助GNSS）通過高帶寬蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)下載定位所需的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從而避免星歷下載速度慢導(dǎo)致的操作延遲（半分鐘或更長時(shí)間）。

此外，通過存儲(chǔ)車輛的最后位置并在系統(tǒng)初始化時(shí)進(jìn)行檢索，可以提高導(dǎo)航性能和改善用戶體驗(yàn)。

同時(shí)，現(xiàn)在大多數(shù)GNSS接收機(jī)能夠同時(shí)追蹤GPS、GLONASS、Galileo和北斗等多個(gè)全球GNSS星座，增加了衛(wèi)星接收的數(shù)量，這使得GNSS接收機(jī)在城市峽谷深處也能實(shí)現(xiàn)高精度定位。

此外，在多個(gè)頻段上追蹤衛(wèi)星信號(hào)也帶來了更多好處，包括減輕帶電對(duì)流層中產(chǎn)生的衛(wèi)星信號(hào)延遲，以及減少GNSS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)途中的建筑物反射影響，這是導(dǎo)致定位誤差的兩個(gè)最重要原因。

但即使是多星座、多頻段GNSS接收機(jī)也無法持續(xù)提供AR-HUD所需的車道級(jí)定位精度。為了穩(wěn)定提供車道級(jí)定位精度，GNSS接收機(jī)需要實(shí)時(shí)GNSS校正數(shù)據(jù)，來校正衛(wèi)星鐘差和軌道誤差以及其他誤差源。

事實(shí)

汽車制造商已經(jīng)開始嘗試精密單點(diǎn)定位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(PPP-RTK)校正服務(wù)和GNSS接收機(jī)所用的相關(guān)算法，預(yù)計(jì)不久的將來這類汽車就會(huì)投放到市場上。

在此之后，接收機(jī)還需要能夠處理服務(wù)可用性中斷（例如在通過隧道時(shí)）的問題。慣性導(dǎo)航解決方案將慣性傳感器（加速計(jì)和陀螺儀）和車輛傳感器的數(shù)據(jù)提供給GNSS接收機(jī)，以便在衛(wèi)星信號(hào)中斷時(shí)持續(xù)定位。

最后，導(dǎo)航解決方案需要一種方法來衡量從GNSS接收機(jī)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量。有些最新研發(fā)的接收機(jī)提供保護(hù)等級(jí)（這個(gè)概念源于航空工業(yè)）的附加輸出，可以提供對(duì)定位誤差上限的估計(jì)。

這樣一來，如果GNSS信號(hào)質(zhì)量暫時(shí)較弱導(dǎo)致定位偏差過大，AR-HUD和車載導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)收到通知。

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02.GNSS在自動(dòng)駕駛中的未來前景

現(xiàn)狀

如果說在度假途中不用擔(dān)心迷路是件好事，那么不必親自駕車就更是一件美事了。

盡管全自動(dòng)駕駛汽車真正投入市場還需要數(shù)年時(shí)間，但高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)如今在大多數(shù)主要汽車制造商的生產(chǎn)線上已經(jīng)很常見，這類系統(tǒng)提供越來越多的功能來支持駕駛員，但同時(shí)仍需要駕駛員自主控制車輛。

事實(shí)證明，從高級(jí)ADAS功能轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲挥醚劬绰?、不用雙手扶方向盤的自動(dòng)駕駛，這個(gè)過程比預(yù)想的要困難。

事實(shí)

越來越多車廠已經(jīng)意識(shí)到GNSS技術(shù)對(duì)于ADAS至自動(dòng)駕駛這一轉(zhuǎn)變過程的重要作用。在全自動(dòng)駕駛功能完全普及之前，這類車輛很可能會(huì)在道路網(wǎng)絡(luò)的專用路段和嚴(yán)格運(yùn)行條件下投入使用。

例如高速智能駕駛（Highway Chauffeur）能在精確配置地理圍欄的高速路段上實(shí)現(xiàn)車輛自主駕駛。

確定是否已滿足啟用自動(dòng)駕駛功能的條件至關(guān)重要，因?yàn)榧僭O(shè)您并沒有在高速公路上，而是在旁邊的鄉(xiāng)村公路上行駛，那么您不會(huì)希望使用高速駕駛功能駕駛汽車。

錯(cuò)誤識(shí)別自動(dòng)駕駛功能的所謂運(yùn)行設(shè)計(jì)域會(huì)導(dǎo)致難以估量的嚴(yán)重后果，所以相比上文所說的車道級(jí)導(dǎo)航應(yīng)用，這對(duì)GNSS接收機(jī)的要求要苛刻得多。

接下來GNSS技術(shù)的發(fā)展趨勢很可能涉及安全定位解決方案的開發(fā)。這些解決方案必須符合功能安全的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保用戶能夠詳細(xì)了解車輛軟硬件可能發(fā)生的各種故障，并且可以檢測和減輕這些故障。

此外，用戶還需要充分了解這些技術(shù)本身固有的弱點(diǎn)，例如反射、弱信號(hào)或錯(cuò)誤操作的影響。最后，這些解決方案必須能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊。

隨著自動(dòng)駕駛汽車在復(fù)雜環(huán)境中安全通行能力的提高，車輛提供的每項(xiàng)功能的運(yùn)行設(shè)計(jì)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，直到最終覆蓋所有環(huán)境下的整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)。到那時(shí)，全自動(dòng)駕駛將隨時(shí)隨地全程與您相伴。

假設(shè)這種場景會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，那么需要多久才能成為現(xiàn)實(shí)，誰也說不準(zhǔn)。盡管如此在其成為現(xiàn)實(shí)之前，自動(dòng)駕駛?cè)詫⒂绊懫髽I(yè)的運(yùn)營方式。事實(shí)上，這種影響已經(jīng)開始顯現(xiàn)。

自動(dòng)駕駛汽車帶給企業(yè)的好處顯而易見，即減少人員成本和運(yùn)營成本，提高安全性，并且優(yōu)化了整體效率。

例如，車隊(duì)所有者將受益良多，他們可以最大限度延長車輛投入運(yùn)行的時(shí)間，同時(shí)可以節(jié)省保險(xiǎn)費(fèi)和駕駛員薪資，也可能通過遠(yuǎn)程管理而代替駕駛員完全不用駕駛員，以抵消自動(dòng)駕駛汽車最初的高額成本投入。

落地案例

遠(yuǎn)程監(jiān)督的機(jī)器人出租車已經(jīng)在世界各地的多個(gè)城市聲名鵲起，這就是一個(gè)很好的例證。

卡車運(yùn)輸業(yè)可能成為最先采用這項(xiàng)技術(shù)的行業(yè)，業(yè)內(nèi)許多知名企業(yè)都在積極開發(fā)其自動(dòng)駕駛卡車。雖然自動(dòng)駕駛長途卡車可能還需數(shù)年才能成為現(xiàn)實(shí)，但多項(xiàng)試驗(yàn)已經(jīng)證明自動(dòng)駕駛技術(shù)在港口、高速公路和其他公共道路應(yīng)用的可行性。

此外，編隊(duì)駕駛（車隊(duì)中幾輛卡車自動(dòng)相互跟隨）已經(jīng)在減少阻力、節(jié)省燃料和減少二氧化碳(CO2)排放方面表現(xiàn)出潛力。

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03.

隨著自動(dòng)化程度的提高，GNSS的作用日益重要

現(xiàn)狀

僅僅三十年時(shí)間里，GNSS技術(shù)已經(jīng)有了一段傳奇的歷史。雖然這項(xiàng)技術(shù)初衷是軍事應(yīng)用，但很快就被汽車和運(yùn)輸行業(yè)以及測量和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等行業(yè)所采用，后來又運(yùn)用到智能手機(jī)、智能手表以及大量消費(fèi)電子設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。

GNSS最初幫助我們在駕車時(shí)找到前往目的地的最快路線，我們相信最終它能幫助我們實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

隨著汽車越來越多的功能依賴于高精度安全定位，GNSS接收機(jī)和所有相關(guān)的定位服務(wù)只會(huì)變得更加重要。
編輯：黃飛

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