u-blox觀點分享：GNSS技術(shù)在自動駕駛領(lǐng)域中所發(fā)揮的重要作用

　　作者：Stefania Sesia博士， u-blox汽車應(yīng)用市場主管

　　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，而隨著我們進入自動駕駛時代，這種積極影響還會表現(xiàn)在更多方面。

　　事實

　　GNSS定位方法自1990年創(chuàng)立以來一直沿用至今。首先接收機需接收至少四顆GNSS衛(wèi)星信號，并計算其信號以光速從衛(wèi)星軌道傳播至接收機所需的時間，然后根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射信號時的精確位置，接收機可通過信號傳播時間轉(zhuǎn)換成的距離來確定自身的坐標。然而，雖然基本方法沒有改變，但GNSS衛(wèi)星、接收機以及支持性基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)和算法在過去30年里已有顯著的改進。

　　在上世紀90年代，GNSS接收機體積大、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接收機的尺寸甚至可以縮小到毫米級。在本文中，我們將回顧GNSS技術(shù)隨著自動駕駛時代的到來而逐漸發(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、助力自動駕駛汽車普及。最后，我們將討論支持GNSS的自動駕駛汽車對于整個行業(yè)的影響。

　　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，但目前仍有改進的空間。其中一個常見問題是，在車輛點火之后，我們往往需要長時間等待GNSS接收機確定其位置，以便導(dǎo)航系統(tǒng)提供前往目的地的最優(yōu)路線。

　　響應(yīng)能力是其中一個挑戰(zhàn)，另一個挑戰(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)計未來能夠定位其所在車道，這是實現(xiàn)更精準導(dǎo)航和增強現(xiàn)實抬頭顯示器(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(半分鐘或更長時間)。此外，通過存儲車輛的最后位置并在系統(tǒng)初始化時進行檢索，可以提高導(dǎo)航性能和改善用戶體驗。

　　同時，現(xiàn)在大多數(shù)GNSS接收機能夠同時追蹤GPS、GLONASS、Galileo和北斗等多個全球GNSS星座，增加了衛(wèi)星接收的數(shù)量，這使得GNSS接收機在城市峽谷深處也能實現(xiàn)高精度定位。此外，在多個頻段上追蹤衛(wèi)星信號也帶來了更多好處，包括減輕帶電對流層中產(chǎn)生的衛(wèi)星信號延遲，以及減少GNSS信號到達接收機途中的建筑物反射影響，這是導(dǎo)致定位誤差的兩個最重要原因。但即使是多星座、多頻段GNSS接收機也無法持續(xù)提供AR-HUD所需的車道級定位精度。為了穩(wěn)定提供車道級定位精度，GNSS接收機需要實時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

　　汽車制造商已經(jīng)開始嘗試精密單點定位實時動態(tài)(PPP-RTK)校正服務(wù)和GNSS接收機所用的相關(guān)算法，預(yù)計不久的將來這類汽車就會投放到市場上。在此之后，接收機還需要能夠處理服務(wù)可用性中斷(例如在通過隧道時)的問題。慣性導(dǎo)航解決方案將慣性傳感器(加速計和陀螺儀)和車輛傳感器的數(shù)據(jù)提供給GNSS接收機，以便在衛(wèi)星信號中斷時持續(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)的接收機提供保護等級(這個概念源于航空工業(yè))的附加輸出，可以提供對定位誤差上限的估計。這樣一來，如果GNSS信號質(zhì)量暫時較弱導(dǎo)致定位偏差過大，AR-HUD和車載導(dǎo)航系統(tǒng)會收到通知。

　　GNSS在自動駕駛中的未來前景

　　現(xiàn)狀

　　如果說在度假途中不用擔心迷路是件好事，那么不必親自駕車就更是一件美事了。盡管全自動駕駛汽車真正投入市場還需要數(shù)年時間，但高級駕駛輔助系統(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，但同時仍需要駕駛員自主控制車輛。事實證明，從高級ADAS功能轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲�不用眼睛看路、不用雙手扶方向盤的自動駕駛，這個過程比預(yù)想的要困難。

　　事實

　　越來越多車廠已經(jīng)意識到GNSS技術(shù)對于ADAS至自動駕駛這一轉(zhuǎn)變過程的重要作用。在全自動駕駛功能完全普及之前，這類車輛很可能會在道路網(wǎng)絡(luò)的專用路段和嚴格運行條件下投入使用。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現(xiàn)車輛自主駕駛。

　　確定是否已滿足啟用自動駕駛功能的條件至關(guān)重要，因為假設(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，那么您不會希望使用高速駕駛功能駕駛汽車。錯誤識別自動駕駛功能的所謂運行設(shè)計域會導(dǎo)致難以估量的嚴重后果，所以相比上文所說的車道級導(dǎo)航應(yīng)用，這對GNSS接收機的要求要苛刻得多。

　　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)標準，確保用戶能夠詳細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，例如反射、弱信號或錯誤操作的影響。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，車輛提供的每項功能的運行設(shè)計域?qū)⒉粩鄶U大，直到最終覆蓋所有環(huán)境下的整個道路網(wǎng)絡(luò)。到那時，全自動駕駛將隨時隨地全程與您相伴。假設(shè)這種場景會成為現(xiàn)實，那么需要多久才能成為現(xiàn)實，誰也說不準。盡管如此在其成為現(xiàn)實之前，自動駕駛?cè)詫⒂绊懫髽I(yè)的運營方式。事實上，這種影響已經(jīng)開始顯現(xiàn)。

　　自動駕駛汽車帶給企業(yè)的好處顯而易見，即減少人員成本和運營成本，提高安全性，并且優(yōu)化了整體效率。例如，車隊所有者將受益良多，他們可以最大限度延長車輛投入運行的時間，同時可以節(jié)省保險費和駕駛員薪資，也可能通過遠程管理而代替駕駛員完全不用駕駛員，以抵消自動駕駛汽車最初的高額成本投入。

　　落地案例

　　遠程監(jiān)督的機器人出租車已經(jīng)在世界各地的多個城市聲名鵲起，這就是一個很好的例證�？ㄜ囘\輸業(yè)可能成為最先采用這項技術(shù)的行業(yè)，業(yè)內(nèi)許多知名企業(yè)都在積極開發(fā)其自動駕駛卡車。雖然自動駕駛長途卡車可能還需數(shù)年才能成為現(xiàn)實，但多項試驗已經(jīng)證明自動駕駛技術(shù)在港口、高速公路和其他公共道路應(yīng)用的可行性。此外，編隊駕駛(車隊中幾輛卡車自動相互跟隨)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。

　　隨著自動化程度的提高，GNSS的作用日益重要

　　僅僅三十年時間里，GNSS技術(shù)已經(jīng)有了一段傳奇的歷史。雖然這項技術(shù)初衷是軍事應(yīng)用，但很快就被汽車和運輸行業(yè)以及測量和精準農(nóng)業(yè)等行業(yè)所采用，后來又運用到智能手機、智能手表以及大量消費電子設(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現(xiàn)自動駕駛。隨著汽車越來越多的功能依賴于高精度安全定位，GNSS接收機和所有相關(guān)的定位服務(wù)只會變得更加重要。