直播回放 | 组合导航与智能驾驶
1、高精度定位逐渐成为智能驾驶标配
随着5G、物联网、人工智能和汽车制造的飞速发展，智能驾驶话题日趋火热，那么，什么是智能驾驶呢？所谓智能驾驶，指的是机器帮助人进行驾驶，以及在特殊情况下完全取代人驾驶。按照机器自动化程度，国际汽车工程师协会制定了一套智能驾驶分类标准，即Sae智能驾驶分类标准。Sae包括六个等级的智能驾驶，即L0至L5。数值越高，机器的自动化程度越高，人的参与度越低。其中，L0级是没有自动化的；L1正在推动支持；L2是部分自动化的；L3是条件自动化；L4高度自动化；L5级是全自动的。需要注意的是，L1到L3监控和响应路况的任务基本都是由驾驶员和系统共同完成，驾驶员需要接管动态驾驶任务。L4和L5级别完全可以把司机变成乘客。
从技术上来讲，智能驾驶的实现要分为三层。第一层是感知层，即确定汽车的状态，此状态包括车况、位置、速度、姿态等信息。在感知自身状态的基础上，结合地图信息，做出下一步的行驶规划，这就是第二层，决策层。最后，把决策传输到各器件，实现交互，就是最后的执行层。从上述对智能驾驶的技术分层中我们可以发现，感知自身位置是智能驾驶的前提条件，没有这一步，就无法正确的进行决策与执行。那么具体智能驾驶对导航定位有哪些要求呢？可以分为几个指标：一、高精度，定位精度需要达到厘米级，定位精度达到厘米级才可以在汽车行驶过程中判断所处车道；二、高适用性，随着智能驾驶技术日益成熟，智能驾驶最终是要从室内试验场景走入实际生活场景，对于今天的城市环境而言，立交桥、城市峡谷与隧道环境屡见不鲜，所以，如何实现在广泛复杂场景的定位对于智能驾驶来说，至关重要；三、成本适中，虽然智能驾驶已经很火热了，但人们长期以来的消费习惯还没有改变，有一些消费者是不愿意为智能驾驶额外付账的，这也使得智能驾驶的成本要由厂家来承担，所以，成本要适中。从以上几点出发，我们可以考虑采用什么样的导航定位技术。对于当前的智能驾驶而言，高精度组合导航目前已经成为了解决汽车高精度定位问题的最优解，GNSS在室外环境卫星信号良好时可提供厘米级定位，但在隧道等卫星信号较弱的场景下，其定位精度会相应下降。IMU可在复杂工作环境中进行准确定位，但其存在误差累计问题。GNSS+IMU，二者互补，可满足定位精度和稳定性的要求，这在某种程度上或许已成为汽车前装应用的标配，对于未来的智能汽车以及智能驾驶发展来说尤为重要。
2、导航定位技术简介
目前来讲，所有的导航定位技术都可以分为两类：直接定位与航位推算。直接定位，顾名思义，就是采用可识别的外部信息直接确定位置，信息可以是信号也可以是环境特征，目前该方法涉及到的主要导航手段有无线电导航和激光导航等，这一类技术的要点是将所在地可以接收到的信号（如无线电信号、超声波信号等）和/或者可观测到的特征（如点云特征点、线等）与数据库匹配，可以直接推测出位置；航位推算能够测量经过的路程与方向，因而，如果初始位置已知，即可确定当前的位置。当下的主要导航传感器均可按这两种方法进行分类，具体情况如图1所示。
图1导航与定位技术的分类
3、组合导航的意义及惯性导航
随着无人驾驶技术不断进步、逐步实现商业化发展，为保证行驶安全性，高精度组合导航不可或缺。组合导航技术，即用两种或两种以上的非相似导航系统对同一导航信息作测量并解算以形成量测量，从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。在过去的数十年里，世界公认的最佳的组合导航方案就是GNSS/惯导组合导航。
IMU作为唯一一个不依赖外界任何信号可以实现自主定位的器件，其定位精度的好坏直接决定了智能驾驶定位安全的底线。理想情况下的IMU可以准确的测量运动的角速度和比力，然而，由于现代工艺制造水平的有限，所以当下的IMU都存在着各种量测误差，图2列出了惯性导航中常出现的若干种误差，图来自加拿大卡尔加里大学Naser El-Sheimy教授课件。此外，惯性器件还存在着交轴耦合误差，是由于惯性传感器的敏感轴与载体坐标系的正交轴之间不对准造成的。
图2?惯性器件误差
针对上述的各种误差，可以建立IMU的观测模型，以方便对惯性器件误差进行处理和分析。公式2和3即惯性导航观测方程。
（2）
（3）
上述的传感器误差在进行航位推算的过程中会一直存在，而惯性导航航位推算是一个数学积分过程，因此，误差会随时间快速累积，无法提供长时间的高精度导航信息，特别是对于低成本的微机械（Micro Electro Mechanical Sensor，MEMS）惯性单元，这种发散表现得更加明显。
为了提高惯性导航的定位精度，需要对上述的误差进行处理。像常值零偏、比例因子误差等系统误差，我们可以通过转台，给定准确输入，建立误差方程，标定出来。而对于惯性器件的随机误差，像零偏重复性误差、观测误差等，我们无法通过标定将其标定出来，因为他们在每一次的测量过程中都是不一样的。对此，将惯导和GNSS结合起来成为了一种极佳的选择。GNSS定位范围大、精度高，但信号受限于外界环境，而惯导短时精度高、无源的特性使得其不受外界环境的干扰，但长时间易发散，将两者结合起来，利用GNSS高精度的位置给惯导提供参考，校正每次量测中出现的随机误差，而惯导在误差项处理好后，也可以在GNSS失锁时继续提供导航信息。
在未来大规模的智能驾驶商业化落地之后，安全永远是排在第一位的，组合导航在这里承担着极其重要的角色。
4、组合导航的三种模式
长期研究发现GNSS/INS组合导航按照组合模式可以分为：松组合、紧组合和深组合。松组合是直接使用GNSS和IMU导航系统各自解算出的速度与位置作为组合导航的观测量的组合模式，这种模式如图3所示，分别由GNSS设备和IMU提供了两套位置与速度，两者做差作为观测量进入卡尔曼滤波器，其优点在于组合结构简单，容易实现，而且，由于两套系统各自独立工作，所以当一套系统不工作时，另一套系统依旧可以提供位置和速度，提高了组合导航系统的稳定性与连续性。但这种组合方式要GNSS可以先行解算出位置、速度，这就对环境和卫星数目都有要求，另外，该组合对于GNSS的原始观测信息利用有所不足。
图3?松组合流程图
紧组合是使用GNSS的原始观测信息和INS预测的GNSS观测信息的差值作为组合导航观测量，其具体流程如图4所示。GNSS接收机可以直接获得一组原始观测数据，IMU经过力学编排可以得到位置和速度等状态参数，该状态参数结合GNSS收到的卫星星历，可以计算出IMU对应的原始观测，两者做差作为观测量进入卡尔曼滤波器进行融合。由于紧组合是基于GNSS的原始观测做的，所以其对GNSS的原始观测的信息使用的比较充分，可靠性得到了提高，而且对卫星数目的需求也降低了，即使只有一颗卫星也可以进行组合。
图4?GNSS/INS紧组合流程图
深组合是利用 INS辅助GNSS跟踪环路，减小信号跟踪带宽，提高捕获信号的速度和质量，属于硬件方面的精度提升。
目前，三种组合方式各有优势和不足。其中松组合存在着结构简单、易于操作、成本低且能够分别输出惯导和GNSS导航信息的优点，成为了现阶段市场的主流选择。
5、K8系列模块组合导航效果展示
司南导航K8系列模块基于自研Quantum Ⅲ SoC芯片和AGC1443A多模多频射频芯片，具有完全自主的知识产权，其中Quantum Ⅲ SoC芯片集GNSS基带、快速捕获、CPU、存储、接口电路于一体，支持全系统全频点信号跟踪，采用多系统联合定位/定向技术、惯性导航技术、地基/星基增强技术、SBAS技术、完好性技术等技术，可应用于多种复杂的高精度定位场景中。
K8系列模块采用三频定位，性能优于传统的单频和双频；拥有快速恢复能力，过天桥2秒即可恢复高精度固定解；同时模块板载IMU，融合高精度组合导航算法，不惧卫星信号中断，支持三维姿态输出，可完美满足智能驾驶对于高精度定位的需求。
为了进一步了解组合导航在智能驾驶中的性能，我们进行了两组道路实测。
图5?地下停车场环境
图5是一组地下停车场车载导航实验数据，测试地点在上海市某一地下停车场，安装K8系列模块的车在楼群中穿梭三遍，然后统计结果。红色点为纯GNSS解算的坐标，蓝色点为GNSS/INS组合导航解算后输出的坐标。很显然，进入地下车库后，GNSS信号失锁，RTK无法输出固定解，而INS在此时发挥出它的定位功能，持续不断地输出定位结果，且轨迹较为平滑，基本符合其在地下车库的运行轨迹。
图6?地下隧道
图6是在北京市鸟巢附近做的车载组合导航测试。测试路段为隧道环境。图中红色为GNSS/INS组合导航定位数据轨迹，黄色为纯GNSS定位数据轨迹。在复杂的城市环境下，GNSS/INS组合定位优势明显，没有大面积漂移现象出现，特别是经过隧道等完全失去GNSS卫星信号路段，仍然能够输出正确的轨迹。
智能汽车涉及产业众多，如电子信息制造、大数据、人工智能、云计算、半导体、信息通讯等高端制造领域，已经成为世界主流国家的“兵家必争之地”。经过多年的发展，政策已经逐步从原来的设定目标、制定规范方面，向引导落地实施、搭建基础设施以及网络与数据安全等方面转移。
2021年10月，中央中共、国务院印发《国家标准化发展纲要》，提出加强关键技术领域标准研究，研究制定智能网联汽车和机器人等领域关键技术标准，推动着产业的变革。国家部委持续推进自动驾驶监管体系建设，多源传感信息融合感知和高精度时空基准服务成为要突破的关键基础技术。
参考文献：
[1] El-Sheimy N , Youssef A . Inertial sensors technologies for navigation applications: state of the art and future trends[J]. Satellite Navigation, 2020, 1(1):2.
[2] 严恭敏. 惯性仪器测试与数据分析[M]. 国防工业出版社, 2012[30]
[3] GROVES, D Paul. Principles of GNSS, inertial, and multisensor integrated navigation systems[J]. Industrial Robot, 2013, 67(3):191-192.
关于上海司南卫星导航技术股份有限公司进入企业商铺
??上海司南卫星导航技术股份有限公司是一家集研发、生产、销售、服务为一体的高新技术企业，致力为全球用户提供自主知识产权的北斗高精度GNSS板卡、接收机和全方位、多领域的行业应用解决方案。自成立以来公司获得20多项荣誉证书，两次承研北斗二代重大专项“多模多频高精度OEM板”，参与国家863项目“基于相位的实时分米级北斗定位数据处理系统技术”，主导的“基于北斗高精度导航定位的阅兵车辆训练考核系统”在2015年国家九三大阅兵中大放异彩。
??司南导航秉承“知行合一、止于至善”的企业理念，集中国高精度GNSS技术之大成，拥有一支多年专业从事高精度GNSS核心技术的本土研发团队，主要技术骨干40余人次获得省部级及以上科技进步奖。在行业领军人物王永泉博士的带领下，公司打破了国外多项技术壁垒，突破了高精度GNSS核心算法、芯片、板卡、接收机、应用及产业化等关键技术瓶颈，拥有专利和软件著作权30余项，数次填补了国内外GNSS在高精度领域的空白。2014年司南导航正式发布第一代高精度GNSS基带芯片，为中国北斗高精度GNSS板卡及接收机形成自主品牌和北斗产业化应用奠定核心基础。
??司南导航紧跟全球四大卫星导航系统兼容互用趋势，灵活满足不同行业的差异化需求，全面布局高精度GNSS生态圈，产品应用涵盖测绘地理信息、地基增强、智能交通、精准农业、机械控制、安全工程、工业测量等多个高精度领域，销售网络覆盖了亚太、欧洲、拉美、北美等全球六十多个国家与地区，在第29次南极科考、国家级北斗地基增强主框架网、中挝两国政府合作项目之东盟首座北斗CORS站、国家“西电东送”骨干工程溪洛渡水电站等重大工程建设中均发挥了重大作用。
??2015年司南导航正式入驻建筑总面积26000平方米的司南北斗产业园，作为我国主要的北斗高精度GNSS板卡研发、生产和应用中心，将成为带动上海、辐射全国、影响世界的北斗产业化基地。
