利用GNSS和短程通信測(cè)距技術(shù)為自動(dòng)駕駛汽車(chē)打造混合定位系統(tǒng)

　　作者：

　　u-blox 定位產(chǎn)品中心高級(jí)首席工程師 David Bartlett

　　u-blox汽車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)部負(fù)責(zé)人 Stefania Sesia 博士

　　自動(dòng)駕駛汽車(chē)已成為當(dāng)今主流媒體的熱議話題，但若要將無(wú)人駕駛車(chē)輛作為主流大眾出行工具，我們還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要完善。

　　高精度定位就是其中一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。為了成功制造出符合汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)六級(jí)自動(dòng)化量表中處于較高等級(jí)的車(chē)型，高精度定位技術(shù)需要隨時(shí)通過(guò)可靠的方式實(shí)現(xiàn)精確到厘米級(jí)的定位。

　　© SAE International

　　圖 1：汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)六級(jí)自動(dòng)化量表

　　然而，大多數(shù)現(xiàn)代汽車(chē)的定位系統(tǒng)精度仍然達(dá)不到這種水平，現(xiàn)在的汽車(chē)往往使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 接收機(jī)，配合慣性測(cè)量單元 (IMU) 和里程計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。即便 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)保持出色的接收效果，但如果沒(méi)有校正服務(wù)，其水平精度約 2 米到 5 米(CEP)。如果在城市或室內(nèi)等更復(fù)雜的環(huán)境中，精度還會(huì)大幅劣化。

　　通過(guò) UWB 和 V2X 彌補(bǔ) GNSS 的短板

　　目前，業(yè)界正開(kāi)發(fā)各種解決方案來(lái)應(yīng)對(duì) GNSS 的這一短板，但現(xiàn)有的各種技術(shù)都存在局限性，并沒(méi)能提供在所有環(huán)境下都可行的解決方案。因此，未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)必然將依靠多技術(shù)融合的混合解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　迄今為止，對(duì) GNSS 結(jié)合地面無(wú)線電技術(shù)來(lái)提高汽車(chē)定位精度方面的研究仍然相對(duì)匱乏。蜂窩通信 V2X (C-V2X)、IEEE 802.11p V2X、其后繼技術(shù) 802.11bd 和超寬帶 (UWB) 均適合用于短距離測(cè)距。在 EN 302890(智能交通系統(tǒng))中，V2X ITS 通信技術(shù)被列為潛在定位解決方案，而超寬帶 (UWB) 技術(shù)在室內(nèi)應(yīng)用以及車(chē)廠的免鑰匙門(mén)鎖等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛。

　　以上技術(shù)的發(fā)展逐步成熟，可進(jìn)一步探究其作為 GNSS 和 IMU補(bǔ)充方案的潛力，最終支持更高的車(chē)輛自主性水平。u-blox 最近進(jìn)行了一項(xiàng)研究，評(píng)估在采用 GNSS 的混合式汽車(chē)導(dǎo)航解決方案中納入 IEEE 802.11p V2X 和 UWB，以對(duì)比地面無(wú)線信號(hào)測(cè)距的優(yōu)劣勢(shì)。我們本次測(cè)試目標(biāo)主要是研究融合技術(shù)在自動(dòng)駕駛應(yīng)用場(chǎng)景中的可行性，并分析在未來(lái)自動(dòng)駕駛車(chē)輛中真正采用此類(lèi)混合導(dǎo)航解決方案時(shí)可能的研究方向。

　　地面無(wú)線測(cè)距的工作原理

　　地面無(wú)線測(cè)距系統(tǒng)需要建立固定地面站網(wǎng)絡(luò)(在 V2X 系統(tǒng)中通常被稱為路邊單元 (RSU)),其中每個(gè)地面站的位置都是已知的。RSU 會(huì)回復(fù)車(chē)輛發(fā)出的 V2X 或 UWB 信號(hào)，車(chē)輛測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間，并據(jù)此計(jì)算出自身與RSU之間的距離。通過(guò)三個(gè)或更多相對(duì)于車(chē)輛呈現(xiàn)幾何分布的 RSU 執(zhí)行此操作，即可確定車(chē)輛位置。

　　模擬的必要性

　　此類(lèi)解決方案需要大規(guī)模 RSU 部署，而目前尚不具備這種條件。對(duì)于我們的研究而言，在城市公眾用地環(huán)境中安裝合適的地面站網(wǎng)絡(luò)不具備可行性，部分原因在于，有關(guān)此類(lèi)環(huán)境下 UWB 的法規(guī)監(jiān)管仍在不斷發(fā)展完善。因此，我們?cè)诙鄠�(gè)私有地產(chǎn)周邊設(shè)立了錨點(diǎn)，涵蓋的環(huán)境包括空曠區(qū)域到代表城市環(huán)境的區(qū)域(例如商業(yè)園區(qū))。我們對(duì) UWB 和 V2X 信號(hào)在這些環(huán)境中的表現(xiàn)進(jìn)行了廣泛的測(cè)量，從中提取噪聲等性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并據(jù)此創(chuàng)建了一個(gè)針對(duì)測(cè)距性能的行為仿真模型。

　　測(cè)試方法

　　在為不同類(lèi)型的環(huán)境(農(nóng)村、城市和室內(nèi)環(huán)境)建立行為仿真模型后，我們進(jìn)行了數(shù)次真實(shí)世界的路測(cè)，其中涵蓋包括公路的高速路段、高密度城區(qū)、頻繁起停的擁堵交通環(huán)境、帶有大量彎道的環(huán)境，以及 隧道等GNSS 信號(hào)接收受限或沒(méi)有信號(hào)的地方。

　　在駕駛過(guò)程中，我們收集了 GNSS 測(cè)量值和位置真值。在確定 GNSS 測(cè)量值時(shí)，我們使用的是內(nèi)置 IMU 的 u-blox NEO-M8L 模塊。為確認(rèn)地面位置真值，我們使用了一個(gè)高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) (RTK) 接收機(jī)、GNSS 增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)和一個(gè)高規(guī)格 IMU。

　　我們根據(jù)環(huán)境(高密度城區(qū)、隧道、開(kāi)闊鄉(xiāng)村等)對(duì)路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，以便在仿真中應(yīng)用適當(dāng)?shù)脑肼暷Ｐ汀?/p>

　　隨后根據(jù)選擇的密度和分布規(guī)則分配 RSU 位置，并增加 2 米的隨機(jī)高度變化，以避免純平面部署。我們使用不同數(shù)量的 RSU 進(jìn)行了測(cè)試，以便了解需要多少個(gè) RSU 才能達(dá)到必要的定位精度水平。

　　隨后設(shè)置額外的仿真變量，如測(cè)距時(shí)間戳的準(zhǔn)確性。

　　完成所有這些工作后，我們通過(guò)仿真，生成了每個(gè)測(cè)距歷元的 RSU 與真實(shí)位置之間的原始數(shù)據(jù)。之后，我們逐個(gè)樣本添加噪聲，并將由此得到仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)中記錄的 GNSS 測(cè)量值整合。

　　主要結(jié)論

　　通過(guò)仿真，我們得以生成性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而方便地將混用了 GNSS+V2X 和 GNSS+UWB 的解決方案與傳統(tǒng) GNSS+IMU 解決方案(與當(dāng)今主流車(chē)輛中所用的解決方案相似)進(jìn)行對(duì)比。

　　圖 2 展示了三種解決方案的性能：

　　圖 2：三種導(dǎo)航方案的測(cè)試性能結(jié)果

　　總體來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn) GNSS+V2X (IEEE 802.11p) 系統(tǒng)的性能與使用標(biāo)準(zhǔn)定位的傳統(tǒng) GNSS+IMU(DR) 解決方案相似。在接收不到 GNSS 信號(hào)或信號(hào)強(qiáng)度嚴(yán)重下降的情況下，IMU 也會(huì)失去其價(jià)值，因?yàn)?nbsp;IMU 依靠持續(xù)不間斷的 GNSS 信號(hào)接收來(lái)保持校準(zhǔn)。在這里，基于 V2X 的定位解決方案對(duì)于導(dǎo)航是有價(jià)值的。但為了達(dá)到自動(dòng)駕駛所要求的精度和完整性水平，我們還需要開(kāi)展進(jìn)一步工作，包括研究 IMU 在高完整性、高精度定位中的作用。圖 2：三種導(dǎo)航方案的測(cè)試性能結(jié)果

　　GNSS+UWB 混合系統(tǒng)的性能要明顯高于其他方案，接近使用基于 RTK 的 GNSS 增強(qiáng)服務(wù)所能達(dá)到的水平。我們的測(cè)試系統(tǒng)使用 0.67 Hz 的定位更新率，精度可接近 10 厘米，但我們期望未來(lái)生產(chǎn)級(jí)系統(tǒng)能達(dá)到 V2X 中廣泛使用的、更常見(jiàn)的 10 Hz 定位更新率。

　　將 10 Hz 的 UWB 測(cè)距系統(tǒng)與使用校正數(shù)據(jù)的高精度 GNSS 系統(tǒng)結(jié)合使用，應(yīng)可在大多數(shù)情況下達(dá)到 10 厘米級(jí)別的精度。事實(shí)已經(jīng)證明，使用校正數(shù)據(jù)的 GNSS 能在開(kāi)放區(qū)域和高速公路上實(shí)現(xiàn)這種精度水平。通過(guò)在城市環(huán)境中部署 RSU 網(wǎng)絡(luò)，UWB 即可在難以接收衛(wèi)星信號(hào)的情況下作為高精度 GNSS方案的補(bǔ)充。

　　但 UWB 的范圍有限，再考慮到目前與戶外使用相關(guān)的監(jiān)管限制，其目前實(shí)用性有限。有鑒于此，這項(xiàng)技術(shù)可能比較適合室內(nèi)區(qū)域微導(dǎo)航，比如停車(chē)場(chǎng)導(dǎo)航。

　　其他經(jīng)驗(yàn)啟示

　　這項(xiàng)研究帶來(lái)了其他一些重要經(jīng)驗(yàn)啟示。首先，在混合方案中除 GNSS 之外，即使只部署兩個(gè) RSU，也有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　第二，為保證定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)定車(chē)輛所在高度，RSU 的高度變化必不可少，尤其是在使用 V2X 技術(shù)時(shí)。為了確保車(chē)輛在有多個(gè)不同高度層級(jí)的道路上(比如多層立交橋)安全行駛，這尤為重要。

　　第三，我們成功建立了一個(gè)混合濾波器，處理來(lái)自 V2X、UWB 和 GNSS 系統(tǒng)的信號(hào)，并且無(wú)縫處理僅有 GNSS 的區(qū)域(未部署 RSU)和僅有陸地測(cè)距的區(qū)域(如隧道)之間的過(guò)渡。

　　第四，盡管陸地測(cè)距在這一應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出了不錯(cuò)的前景，但很難避開(kāi)環(huán)境和多徑效應(yīng)的影響。即使是 UWB，有時(shí)也會(huì)受到非視距信號(hào)傳播的影響。

　　最后，GNSS 與陸地測(cè)距之間的精確時(shí)間校準(zhǔn)也是一個(gè)關(guān)鍵因素。我們最初預(yù)計(jì)校準(zhǔn)到數(shù)毫秒便足以滿足需求，但在實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)有必要達(dá)到 100 微秒以下。

　　后續(xù)舉措

　　這項(xiàng)研究展示了使用短程通信測(cè)距技術(shù)補(bǔ)充當(dāng)今車(chē)輛部署的定位技術(shù)和服務(wù)的潛力。盡管如此，要通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)真正推動(dòng)未來(lái)自主車(chē)輛發(fā)展，還需要滿足更多前提條件，尤其是在監(jiān)管方面。例如，需要為此應(yīng)用獲得在戶外使用 UWB 的許可，并且需要廣泛部署具有 UWB 功能的 RSU。此外，在部署任何類(lèi)型的 RSU 時(shí)，都需要考慮到 RSU 可能會(huì)用作定位錨點(diǎn)，而不僅僅是通信設(shè)備。還需要為 V2X 分配更多的無(wú)線頻譜和更寬的信道，并且需要將定位基元和信號(hào)納入 V2X 標(biāo)準(zhǔn)。

　　一個(gè)值得進(jìn)一步探究的相關(guān)領(lǐng)域是使用 UWB 測(cè)距來(lái)保護(hù)交通弱勢(shì)群體 (VRU)，如行人和騎行者�，F(xiàn)代智能手機(jī)和汽車(chē)均采用了 UWB 技術(shù)，因此我們有機(jī)會(huì)利用這種條件，讓自主車(chē)輛更好地了解其周邊的 VRU 位置。

　　如果您想進(jìn)一步了解本研究、研究方法或結(jié)論，我們很樂(lè)意與您分享。請(qǐng)發(fā)電子郵件至 David.Bartlett@u-blox.com 聯(lián)系我們。

　　u-blox簡(jiǎn)介

　　瑞士 u-blox 公司 (SIX:UBXN) 是為汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)提供定位和無(wú)線通信技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商。其解決方案能準(zhǔn)確進(jìn)行人員、車(chē)輛和機(jī)器的定位，并通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和短程通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。憑借廣泛及多樣化的芯片、模塊和日益擴(kuò)大的產(chǎn)品支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，u-blox 公司在幫助其客戶針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)快速而成本高效地開(kāi)發(fā)創(chuàng)新解決方案方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。u-blox 公司總部設(shè)在瑞士塔爾維爾，目前在歐洲、亞洲和美國(guó)都設(shè)有辦事處。