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高GNSS精度的实现之路 为全自动驾驶规划蓝图

作者:时间:2018-02-06来源:电子产品世界

作者/Thomas Nigg u-blox产品战略、产品中心定位高级总监 

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201802/375437.htm

       为了让全成为现实,几项技术需要发展完善并一起推出。其中一项便是价格亲民、可扩展的可靠性高精度定位技术。

  过去几十年来,全球导航卫星系统()技术的性能得到大幅改善。2000年初,获取首个准确位置的时间从几分钟缩短至30秒。2005-2010年,接收器的灵敏度显著提高——从130 dBm提高到167 dBm。到2015年,功能性定位卫星星座的数量已经从2000年的一个全球星座(即美国的GPS)增至四个(GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗和欧盟的伽利略)。除此以外,还包括两大区域系统(印度的NAVIC和日本的QZSS)。这为多星座接收器打开了大门。卫星信号也已经实现了现代化,到2018年,多频段的价格将变得实惠。这些进展为GNSS的下一重大主题奠定了基础:实现分米级或厘米级的精度。

  GNSS接收器通过计算自己与至少四颗卫星的距离来确定其位置。因为接收器根据卫星信号到达的时长计算该距离,即使存在最小的误差(少至几十亿分之一秒),也会对精度产生负面影响。卫星轨道位置的误差会导致精度出现约2.5米的精度损失。卫星时钟的错误也会产生1.5米的精度损失。此外,对流层和电离层的扰动会分别增加1米和5米的精度损失,如果卫星接近地平线或处于太阳活动强烈的时期,则精度损失会更大。到目前为止,最大的误差是由多径效应引起的,卫星信号利用多径效应通过多个或间接轨道到达接收器,例如在城市峡谷中的建筑物墙壁上反射。在开阔的天空条件下,标准精度的GNSS接收器能精确至两米左右。

  利用GNSS校正数据消除GNSS误差,高精度GNSS系统大幅提高了精度。获得这种数据的一种方法是监测从已知位置的基站发出的GNSS信号。观测与基站位置的偏移情况,然后将其发送至配有GNSS接收器的有人或无人车辆,以此获得更为准确的位置信息。在有利的情况下,如果基站和车辆之间的距离不是太远,则可以使用这种方法达到厘米级的精度。

  不过,并非所有GNSS误差都能通过这种方法来消除。因为到达基站的卫星信号同到达车辆的许多误差相似,所以可以使用校正数据来消除卫星位置、时钟误差和大气误差。然而,车辆的附近环境(如附近的高楼)造成的多径误差,则必须通过接收器本身来解决。

  高精度GNSS并不是什么新鲜事儿。勘测者和其他专业人士已经接触这项技术数十年了。但高昂的器件成本以及对高价校正服务的依赖阻碍了这项技术从利基市场向外扩张。最新的情况是,我们现在拥有的技术可以使高精度GNSS对大众市场产生吸引力,从而能够实现诸如车道精确导航、增强现实、空中无人机精准飞行和降落、无人割草机和拖拉机以及车联网(V2X)通讯,即联网车辆同其他车辆和基础设施进行无线通信从而避免发生碰撞。毫无疑问,随着技术的发展,将会出现更多的应用。

  1为大众市场带来高精度的定位

  校正服务提供商可以通过两种方式将GNSS误差数据传输给车辆;但目前只有一种能扩展至满足大众市场的需求。在这两种方式中,第一种是基于观测空间表示(OSR),在这种方法中,校正服务提供商计算每个车辆所处位置的预期观测误差,然后将这些信息无线传输给车辆。基于状态空间表示(SSR)的方法则与之相反,观测到的GNSS信号误差被用于状态空间模型的物理建模,模拟整个地区的误差。描述任何给定时间的状态空间模型的参数然后被发送到建模区域上的车辆。

  2高精度GNSS定位的校正服务

  高精度定位服务必须扩展至能支持全球大众市场应用。对于GNSS校正数据仍然采用观测空间表示(OSR)的传统提供商来说,他们的服务难以扩大。这也是它们会被现代服务所取代的原因所在,现代服务基于状态空间表示(SSR),可以向全球数百万用户发送GNSS校正数据。

  图1 观测空间表示(OSR)与状态空间表示(SSR)

  目前,实时动态技术(RTK)和网络RTK卫星导航用于厘米级,甚至毫米级定位精度要求的设置中,而这两者都运用OSR。基站同车辆的距离在30公里范围以内时,这两种方法较为准确。基于OSR的方法需要车辆同校正服务提供商之间进行双向通信。如果使用人数众多,移动通信网络几乎很难保持稳定的通信水平,因此其难以适应大众市场的应用。基于SSR的方法通过向整个服务区域的全部车辆发送单一的校正数据流解决了这一问题。这种通信方式不仅简单,而且可以在参考站密度相对较低的情况下(150-250公里)提供稳健的服务,因此成为大众市场应用(如高度辅助驾驶)的唯一可行方法。

  性能得到提高的另一点原因在于,接收器采用了也源于先进硬件,可以从卫星接收更多的信息。尽管第一代GNSS卫星只能在一个频段传输其信号,但当今的现代导航卫星系统可以在多达三个独立频段发送其信号。例如,美国的GPS系统,分别在L1、L2和L5频段上发送信号,中心频率分别为1575 MHz、1227 Mhz和1176 MHz。俄罗斯的GLONASS只在L1和L2频段上传输信号,中国的北斗也是如此。高精度的GNSS接收器可以利用单一星座的多个频段来大幅缩短其实现高精度的时间。这样一来,定位性能显然更加强大,并最终为用户提供更可靠的服务。

  图2 单频段GNSS和双频段GNSS之间的性能比较(使用SSR校正数据)

  未来的高精度GNSS系统将由多种元素构成,其中目前在轨的GNSS星座将起主导作用。在地面上,GNSS参考站将实时监控GNSS信号误差。校正服务将采用SSR方法通过互联网和地球同步卫星发送误差部分。除了安装双频GNSS接收器外,车辆还将安装通过互联网接收校正数据流的移动调制解调器,以及用于接收卫星校正数据流的L频段接收器。

  3的高精度定位

  虽然今天的车仍然全部由其驾驶员驾驶,但是越来越多的车辆至少开始提供一些辅助驾驶功能。向全转变将需要逐步提高特殊使用情况下的自动化水平,如高速公路或停车。虽然现在驾驶员可能从辅助驾驶(下图中的1级)中受益,但他们仍需要进行车道保持和车道变换操作。今天,道路上的有些车辆已经处于2级自动化驾驶水平,它们配备的部分自动化系统可以在特殊应用情况下自动执行这些操作。而在高度自动化驾驶(3级)水平,驾驶员将能在特殊应用情况下不掌控方向盘,但在必要的情况下,将需要准备接管车辆。全自动驾驶(4级)将不再需要驾驶员,即使在特殊应用情况下。只有达到前面4种级别后,我们才能够扩展无人驾驶车辆的适用性到所有应用情况(5级)。

  图3 自动驾驶蓝图

  满足自动驾驶的安全要求需要结合采用各种技术。目前,结合使用摄像机图像、激光雷达、雷达数据和高清地图可以让车辆在地图上实现高精度(大约10厘米)的自定位,以及在许多应用情况下进行障碍物探测。也就是说,这些系统本身的安全性还不足以淘汰驾驶员。在向全自动驾驶转变的过程中,车辆的准确位置将决定是否可以开启自动驾驶模式。恶劣的环境条件或缺乏明显地标可能导致光学系统无法正确确定应用情况——对于驾驶员在某些情况下可以完全放手车辆控制的4级系统来说,这无疑是一大难题!

  在这种情况下,将高精度GNSS和汽车惯性导航结合起来——结合卫星导航数据、各车轮转速、陀螺仪和加速度计信息,在无GNSS的情况下提供精确定位——可以作为完全独立的位置来源。它提供的精确定位不仅有助于识别高清地图和地理围栏重要区域(如减速)的正确部分,而且可以用于校准车辆的传感器。只有配备这样的系统,才能满足ISO 26262中规定的自动驾驶车辆的安全要求。其中包括功能性安全、车辆安全响应误差的能力(无论是固件或硬件),以及保证乘客的安全。

  功能性安全是安全自动驾驶车辆的先决条件。但是,仅这一项还远远不够。功能性安全以车辆为中心,它仅处理车辆可能发生的故障。对于定位来说,主要的错误源头包括卫星时钟和位置、多径效应或校正数据流的潜在小故障,它们是车辆的外部因素。因此,功能性安全的车辆无疑会接受有缺陷的数据。鉴于具有此类外部错误,我们需要一个更完备的方法,可以称为“整体性”。与功能性安全相反,整体性将从完备视角处理全部技术,包括各种传感器、V2X基础设施和各级别的安全系统。它要求包括GNSS在内的所有技术能让用户有一定的信心,以警示何时应使用其他技术。

  要实现提高道路安全的先进驾驶辅助系统(ADAS)和全自动驾驶,实现高GNSS精度的途径是关键。作为独立的定位信息来源,高精度GNSS(使用多频段接收器和SSR校正数据来实现)在各种情况下将能可靠地提供车辆的正确位置信息。最终,它在畅通的高速公路上将需要精确到分米级,在更为复杂的城市高速公路上需要精确到亚米级,才能确保报告的位置不仅精确,而且基本确凿无疑。此外,要市场覆盖面广的话,它还必须具备质量可靠和价格实惠的特点。

  2016年,u-blox推出了NEO-M8P,该模块是目前市场上体积最小、功耗最低的RTK接收器,u-blox由此踏上了高精度GNSS之路。2017年,u-blox、博世、三菱电机和 Geo++联合组建合资公司Sapcorda,提供价格公道、与大众市场应用相容的全球GNSS校正服务。放眼未来,u-blox致力于填补阻碍高度全自动系统(特别是自动驾驶)的一系列空白。



关键词: GNSS 自动驾驶

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