高精度定位技術(shù)

高精度定位技術(shù)任務(wù)引入2022年6月2日，中國(guó)民營(yíng)汽車巨頭浙江吉利控股集團(tuán)宣布成功發(fā)射星座01組9顆衛(wèi)星。此次發(fā)射的“吉利未來(lái)出行星座”01組9顆衛(wèi)星由吉利科技集團(tuán)下屬浙江時(shí)空道宇科技有限公司研制，從中國(guó)西南部四川省的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。“吉利未來(lái)出行星座”首軌九星為自主設(shè)計(jì)和制造，預(yù)計(jì)到2025年還將有63顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道，該星座最終將由240顆衛(wèi)星組成，發(fā)射的衛(wèi)星除用于構(gòu)建連接太空與地面車輛的高精度導(dǎo)航系統(tǒng)外，還將用在自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)和物流領(lǐng)域。那么，吉利發(fā)射衛(wèi)星對(duì)自動(dòng)駕駛有什么重要作用呢？任務(wù)目標(biāo)高精度定位技術(shù)1掌握定位系統(tǒng)的作用3了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車對(duì)定位系統(tǒng)的基本要求4了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車常見(jiàn)的定位方法知識(shí)鏈接2熟悉高精度定位系統(tǒng)的組成0102030405定位系統(tǒng)的作用和要求定位系統(tǒng)用來(lái)提供車輛的位置、姿態(tài)等信息。對(duì)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車而言，定位的重要性不言而喻，它可以幫助車輛了解自己相對(duì)于外界環(huán)境的精準(zhǔn)位置，從而做出正確的決策，同時(shí)輔助感知系統(tǒng)，得到更加準(zhǔn)確的檢測(cè)和跟蹤結(jié)果。無(wú)自動(dòng)化車輛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導(dǎo)航定位系統(tǒng)存在很大的不同。前者定位精度低（道路級(jí)定位）、頻率比較低，結(jié)合地圖，人可自己完成導(dǎo)航引路的應(yīng)用需求，更傾向宏觀的范疇；后者精度高（車道級(jí)定位），頻率高，既要求全局的規(guī)劃，又需要局部和車輛實(shí)時(shí)的高精度位置，以作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車決策控制的重要輸入信息。智能網(wǎng)聯(lián)汽車對(duì)定位系統(tǒng)的基本要求如下：定位系統(tǒng)的作用和要求（1）高精度：達(dá)到厘米級(jí)。（2）高可用性：智能網(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試已經(jīng)從封閉的場(chǎng)景轉(zhuǎn)移到更開(kāi)放的場(chǎng)景，這要求我們定位系統(tǒng)能處理更多更復(fù)雜的情況。（3）高可靠性：定位的輸出是感知、規(guī)劃與控制的輸入，如果定位系統(tǒng)出現(xiàn)偏差將會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。（4）自主完好性檢測(cè)：由于系統(tǒng)的可靠性只能做到非常接近100%，但是難以達(dá)到真正的100%，這要求系統(tǒng)在無(wú)法提供準(zhǔn)確輸出的時(shí)候，能及時(shí)的警告用戶采取措施避免發(fā)生事故，因此，要求定位系統(tǒng)保證較低的虛警率與漏警率。高精度定位在自動(dòng)駕駛中起決定作用，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛或者遠(yuǎn)程駕駛的基本前提，因此對(duì)定位性能的要求也非常嚴(yán)苛，其中L4/L5級(jí)自動(dòng)駕駛對(duì)于定位的需求如表所示。表2-6-1L4/L5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車定位系統(tǒng)指標(biāo)要求高精度定位系統(tǒng)的組成高精度定位系統(tǒng)主要包括終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖2-6-1所示。圖2-6-1車輛高精度定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖其中，終端層實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合（衛(wèi)星、傳感器及蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)）算法，保障不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同業(yè)務(wù)的定位需求；網(wǎng)絡(luò)層包括5G基站、RTK基站和路側(cè)單元（RoadSideUnit,RSU），為定位終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸；平臺(tái)層提供一體化車輛定位平臺(tái)功能，包括差分解算能力、地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、高清動(dòng)態(tài)地圖、定位引擎，并實(shí)現(xiàn)定位能力開(kāi)放；應(yīng)用層基于高精度定位系統(tǒng)能夠?yàn)閼?yīng)用層提供車道級(jí)導(dǎo)航、線路規(guī)劃、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用。高精度定位系統(tǒng)的組成終端層為滿足車輛在不同環(huán)境下的高精度定位需求，需要在終端采用多源數(shù)據(jù)融合的定位方案，包括基于差分?jǐn)?shù)據(jù)的GNSS定位數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、高精度地圖數(shù)據(jù)以及蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)等。高精度定位系統(tǒng)的組成網(wǎng)絡(luò)層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量和信息傳輸，包括5G基站、RTK基站和RSU的部署。5G作為更新一代的通信技術(shù)，可以保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足高精度地圖實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?G基站也可完成與終端的信號(hào)測(cè)量，上報(bào)平臺(tái)，在平臺(tái)側(cè)完成基于5G信號(hào)的定位計(jì)算，為車輛高精度定位提供輔助。基于5G邊緣計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)高精度地圖信息的實(shí)時(shí)更新，提升高精度地圖的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。地基增強(qiáng)站主要完成RTK測(cè)量，地基增強(qiáng)站可以與運(yùn)營(yíng)商基站共建，大大降低網(wǎng)絡(luò)部署以及運(yùn)維成本。同時(shí)可通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)RTK基站測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸，可實(shí)現(xiàn)參考站快速靈活部署。RSU一方面可實(shí)現(xiàn)RTK信息播發(fā)，避免傳統(tǒng)的RTK定位中終端初始位置的上報(bào)，同時(shí)RSU可提供局部道路車道級(jí)地圖、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通信息廣播。高精度定位系統(tǒng)的組成平臺(tái)層平臺(tái)層功能模塊如下圖所示。圖2-6-2車輛高精度定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖①高精度地圖。靜態(tài)高精度地圖信息，如車道線、車道中心線、車道屬性變化等，此外還包含道路的曲率、坡度、航向、橫坡等參數(shù)，能讓車輛準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和爬坡等，還包含交通標(biāo)志牌、路面標(biāo)志等道路部件，標(biāo)注出特殊的點(diǎn)如GNSS消失的區(qū)域、道路施工狀態(tài)等。高精度定位系統(tǒng)的組成平臺(tái)層②交通動(dòng)態(tài)信息。例如道路擁堵情況、施工情況、交通事故、交通管制和天氣情況等動(dòng)態(tài)交通信息。③差分解算。平臺(tái)通過(guò)RTK基站不斷接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)電離層誤差、對(duì)流層誤差、軌道誤差以及多路徑效應(yīng)等誤差在內(nèi)的各種主要系統(tǒng)誤差源進(jìn)行了優(yōu)化分析，建立整網(wǎng)的電離層延遲、對(duì)流層延遲等誤差模型，并將優(yōu)化后的空間誤差發(fā)送給移動(dòng)車輛。④數(shù)據(jù)管理。例如全國(guó)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)、海量動(dòng)態(tài)應(yīng)急救援車輛位置數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)、POI（PointofInterest）數(shù)據(jù)等，這里的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝，進(jìn)行整合編譯后的運(yùn)行數(shù)據(jù)。⑤數(shù)據(jù)計(jì)算。包括路徑規(guī)劃、地圖靜態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等功能。高精度定位系統(tǒng)的組成應(yīng)用層在應(yīng)用層，為用戶提供地圖瀏覽、規(guī)劃路線顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理等功能，以及基于位置的其他車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，例如輔助駕駛、自動(dòng)駕駛等。高精度定位關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)場(chǎng)景以及定位性能的需求不同，車輛定位方案是多種多樣的。常用的定位技術(shù)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）技術(shù)、慣性導(dǎo)航（InertialNavigationSystem,INS）技術(shù)、航跡推算（Dead-Reckoning，DR）技術(shù)、路標(biāo)定位技術(shù)、高精度地圖匹配定位技術(shù)、無(wú)線電（如蜂窩網(wǎng)、局域網(wǎng)等）定位技術(shù)、視覺(jué)定位技術(shù)、同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建（SimultaneousLocalizationandMapping,SLAM）技術(shù)等。由于任何一種單獨(dú)定位技術(shù)都有無(wú)法克服的弱點(diǎn)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車通常需要組合定位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。組合定位技術(shù)融合了兩種或兩種以上的不同類型的定位傳感器信息，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以獲得更高的定位性能。16全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）是一種基于衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施的，具有全球覆蓋范圍的無(wú)線電定位技術(shù)，如圖2-6-3所示。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)分類當(dāng)前，投入運(yùn)作的GNSS主要包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略系統(tǒng)（GALILEO）和我國(guó)的北斗系統(tǒng)（BDS）。①GPS。GPS（GlobalPositioningSystem）是由美國(guó)國(guó)防部研制的全球首個(gè)定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，1990~1999年為系統(tǒng)建成并進(jìn)入完全運(yùn)作能力階段，1993年實(shí)現(xiàn)24顆在軌衛(wèi)星滿星運(yùn)行。其中，24顆導(dǎo)航衛(wèi)星平均分布在6個(gè)軌道面上，保證在地球的任何地方可同時(shí)見(jiàn)到4~12顆衛(wèi)星，使地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均可實(shí)現(xiàn)三維定位、測(cè)速和測(cè)時(shí)，使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)分類圖2-6-3GNNS系統(tǒng)運(yùn)行示意圖②GLONASS。GLONASS的空間星座由27顆工作星和3顆備用星組成，均勻地分布在3個(gè)近圓形的軌道平面上，這3個(gè)軌道平面兩兩相隔120，使用前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90）。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)分類③GALILEO。GALILEO是歐盟于2002年批準(zhǔn)建設(shè)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，計(jì)劃由分布在3個(gè)軌道平面上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星構(gòu)成，每個(gè)軌道平面上有10顆衛(wèi)星，9顆正常工作，1顆運(yùn)行備用，軌道平面傾角56，軌道高度為24126km，其民用精度較高，使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84）。④BDS。BDS（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是由我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位與通訊系統(tǒng)，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，采用我國(guó)獨(dú)立建設(shè)使用的CGCS2000坐標(biāo)系。表2-6-3為四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能對(duì)比數(shù)據(jù)。表2-6-3已部署或者在建的GNSS系統(tǒng)情況和技術(shù)數(shù)據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)組成以GPS為例，介紹GNNS的系統(tǒng)組成。如圖2-6-4所示，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。圖2-6-4GPS系統(tǒng)組成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)組成①空間星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)軌道平面上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道平面相對(duì)于地球赤道面的軌道傾角為55，各軌道平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60，1個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30。這種布局的目的是保證在全球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻至少可以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。而最少只需要其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔，所能連接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。②地面監(jiān)控部分主要由1個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站和3個(gè)注入站組成。主控站負(fù)責(zé)從各個(gè)監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和時(shí)鐘修正參數(shù)等，并通過(guò)注入站注入衛(wèi)星；并向衛(wèi)星發(fā)布指令，控制衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星。監(jiān)測(cè)站在主控站的直接控制下，自動(dòng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)不斷的跟蹤測(cè)量，并將自動(dòng)采集的偽距觀測(cè)量氣象數(shù)據(jù)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行處理，然后存儲(chǔ)并傳送到主控站。注入站則負(fù)責(zé)將主控站計(jì)算的衛(wèi)星星歷、鐘差信息、導(dǎo)航電文、控制指令發(fā)動(dòng)給衛(wèi)星。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)組成③用戶設(shè)備主要是GPS接收器、衛(wèi)星天線及相關(guān)設(shè)備，主要作用是從GPS衛(wèi)星接收信號(hào)并利用傳來(lái)的信息計(jì)算用戶地理位置的緯度、經(jīng)度、高度、速度和時(shí)間等信息。車載、船載GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)置GPS功能的移動(dòng)設(shè)備，GPS測(cè)繪設(shè)備等都屬于GPS用戶設(shè)備。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位原理GNNS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理、接收裝置以測(cè)量無(wú)線電信號(hào)的傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。如下圖所示。三個(gè)衛(wèi)星組成一個(gè)三角形，通過(guò)計(jì)算三個(gè)衛(wèi)星位置幾何數(shù)據(jù)，并融合同步計(jì)算結(jié)果，從而計(jì)算出當(dāng)前接收器的衛(wèi)星坐標(biāo)位置。通常，GPS接收器會(huì)使用第四顆衛(wèi)星的位置對(duì)前三個(gè)衛(wèi)星的位置測(cè)量進(jìn)行確認(rèn)，以達(dá)到更好的效果。圖2-6-5三角定位原理圖全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位原理假設(shè)我們測(cè)量到第一顆衛(wèi)星的距離為18000km，就可以把當(dāng)前可能位置范圍限定在離第一顆衛(wèi)星18000km的地球表面。接下來(lái)，假設(shè)我們測(cè)量到第二顆衛(wèi)星的距離為20000km，那么我們可以進(jìn)一步把當(dāng)前位置范圍限定在距離第一顆衛(wèi)星18000km和距離第二顆衛(wèi)星20000km的交叉區(qū)域。然后我們?cè)賹?duì)第三顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)三顆衛(wèi)星的距離交匯點(diǎn)定位出當(dāng)前的位置。根據(jù)上文介紹，只要得到衛(wèi)星幾何平面的參數(shù)及無(wú)線電傳播時(shí)間，就能計(jì)算得到智能網(wǎng)聯(lián)汽車的位置。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，衛(wèi)星信號(hào)的傳播還受大氣電離層的、云層、樹(shù)木、高樓、城市、峽谷等遮擋、反射折射，以及多路徑干擾，這些都會(huì)影響到GPS信號(hào)傳播，從而影響到測(cè)距信息的準(zhǔn)確度。為了降低天氣、云層對(duì)GPS信號(hào)的影響，出現(xiàn)了其他GPS技術(shù)，如差分GPS（DifferentialGPS,DGPS）。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位原理DGPS技術(shù)通過(guò)在一個(gè)精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝GPS接收器，計(jì)算得到基準(zhǔn)站與GPS衛(wèi)星的距離，然后再根據(jù)誤差修正結(jié)果提高定位精度。如下圖所示。圖2-6-6差分GPS工作示意圖全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位原理差分GPS分為兩大類，即位置差分和距離差分。距離差分又分為兩類，即偽距差分和載波相位差分。目前，很多智能網(wǎng)聯(lián)汽車公司如百度、小馬等，都采用了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)——RTK（Real-TimeKinematic）技術(shù)。RTK技術(shù)是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)基站載波相位觀測(cè)量的差分方法，即將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機(jī)，通過(guò)求差解算坐標(biāo)。RTK可使定位精度達(dá)到厘米級(jí)，這也是很多智能網(wǎng)聯(lián)汽車公司采用RTK技術(shù)定位的原因。但RTK也存在的一定的問(wèn)題：基站鋪設(shè)成本較高；非常依賴衛(wèi)星數(shù)量，比如在一些橋洞和高樓大廈的環(huán)境下，可視的衛(wèi)星數(shù)量會(huì)急劇下降；容易受到電磁環(huán)境干擾。在受到遮擋時(shí)，信號(hào)丟失，沒(méi)有辦法做定位。因此目前采用RTK定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)商用的可行性不高。17慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS），簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)，是一種不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基于陀螺儀和加速度傳感器的信號(hào)組合進(jìn)行自主式導(dǎo)航。下圖為慣導(dǎo)外觀圖，陀螺儀測(cè)量物體三軸的角速率，用于計(jì)算載體姿態(tài)；加速度傳感器測(cè)量物體三軸的線加速度，可用于計(jì)算載體速度和位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖2-6-7慣導(dǎo)外觀圖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，測(cè)量載體在慣性參考系的加速度和角加速度信息，再將這些測(cè)量值對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分，求得運(yùn)動(dòng)載體的速度、角速度，之后進(jìn)行二次積分求得運(yùn)動(dòng)載體的位置信息，然后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息，其工作原理框圖如下圖所示。一般情況下慣導(dǎo)會(huì)結(jié)合GPS使用，并融合經(jīng)緯度信息以提供更精確的位置信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖2-6-7慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲小。（2）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。（3）可全天候地工作于空中、地面乃至水下。（4）隱蔽性好，且不受外界電磁干擾的影響。但是，由于其導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差隨著時(shí)間增大而增大，長(zhǎng)期精度差，容易產(chǎn)生溫漂和零漂等問(wèn)題。差分GNNS是一個(gè)比較精確的定位系統(tǒng)，但是其具有更新頻率過(guò)低的局限性，同時(shí)易受環(huán)境影響（如建筑物遮擋），因此在特定環(huán)境下不足以提供足夠?qū)崟r(shí)的位置更新。與此相比，INS的更新頻率快，并補(bǔ)償了GNNS短時(shí)間信號(hào)缺失（如遮擋）的情況，但是存在累積誤差缺陷。因此通過(guò)整合GNNS與INS的定位方法，可以為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r(shí)的位置更新。18SLAM自主導(dǎo)航系統(tǒng)SLAM系統(tǒng)介紹同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SimultaneousLocalizationAndMapping，簡(jiǎn)稱SLAM)，通常是指在機(jī)器人或者其他載體上，通過(guò)對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算，生成對(duì)其自身位置姿態(tài)的定位和場(chǎng)景地圖信息的系統(tǒng)。SLAM起源于機(jī)器人領(lǐng)域，其問(wèn)題可以描述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中開(kāi)始啟動(dòng)，并嘗試從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)自身位姿估計(jì)和地圖匹配進(jìn)行自身定位，然后在自身定位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中拓展地圖，最終實(shí)現(xiàn)全局機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。SLAM示意圖如下圖所示，黑色邊界即激光雷達(dá)探測(cè)到的障礙物邊界，表示此路不通，白色區(qū)域時(shí)可行駛的自由區(qū)域，放射性狀的線條表示此處有窗戶或門(mén)，激光雷達(dá)部分點(diǎn)散射了出去。通過(guò)掃描整個(gè)環(huán)境，可以形成一幅2D的激光雷達(dá)視覺(jué)地圖。通過(guò)與環(huán)境的匹配對(duì)比，機(jī)器人或車輛判斷自身目前在地圖中所處的位置。黃色線條是規(guī)劃和行駛的路線。SLAM系統(tǒng)介紹logo圖2-6-8SLAM示意圖SLAM分類一般來(lái)講，SLAM系統(tǒng)通常都包含多種傳感器和多種功能模塊。而按照核心的功能模塊來(lái)區(qū)分，目前常見(jiàn)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車SLAM系統(tǒng)一般具有兩種形式：基于激光雷達(dá)的SLAM(激光SLAM)和基于視覺(jué)的SLAM(VisualSLAM或VSLAM)。激光SLAM系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對(duì)汽車自身的定位。激光雷達(dá)距離測(cè)量比較準(zhǔn)確，誤差模型簡(jiǎn)單，在強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)云的處理也比較容易。同時(shí)，點(diǎn)云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使汽車的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對(duì)成熟，落地產(chǎn)品更豐富。以谷歌汽車為例，車輛攜帶有GPS，通過(guò)GPS對(duì)位置進(jìn)行判斷，并以激光雷達(dá)SLAM點(diǎn)云圖像與高精度地圖進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，匹配后確認(rèn)自身位姿。視覺(jué)SLAM可以從環(huán)境中獲取海量的、富于冗余的紋理信息，擁有超強(qiáng)的場(chǎng)景辨識(shí)能力。下圖為視覺(jué)SLAM導(dǎo)航與避障應(yīng)用案例。SLAM分類圖2-6-9視覺(jué)SLAM導(dǎo)航與避障應(yīng)用案例視覺(jué)SLAM的優(yōu)點(diǎn)是它所利用的豐富紋理信息。這在重定位、場(chǎng)景分類上無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。例如兩塊尺寸相同內(nèi)容卻不同的廣告牌，基于點(diǎn)云的激光SLAM算法無(wú)法區(qū)別他們，而視覺(jué)則可以輕易分辨。同時(shí)，視覺(jué)信息可以較為容易的被用來(lái)跟蹤和預(yù)測(cè)場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，如行人、車輛等，對(duì)于在復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的應(yīng)用這是至關(guān)重要的。此外，視覺(jué)的投影模型理論上可以讓無(wú)限遠(yuǎn)處的物體都進(jìn)入視覺(jué)畫(huà)面中，在合理的配置下(如長(zhǎng)基線的雙目相機(jī))可以進(jìn)行很大范圍場(chǎng)景的定位與地圖構(gòu)建。SLAM分類視覺(jué)SLAM根據(jù)所用的攝像頭個(gè)數(shù)又分為單目、雙目SLAM。單目SLAM成本低，但由于無(wú)法測(cè)量深度、尺度等問(wèn)題，導(dǎo)致精度不高。雙目SLAM經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的標(biāo)定后，可以通過(guò)計(jì)算得到深度信息。因此，從魯棒性和可靠性來(lái)說(shuō)，雙目要比單目SLAM要好一些。一般來(lái)說(shuō)，視覺(jué)SLAM都結(jié)合IMU等傳感器使用，以更大程度地提高見(jiàn)圖精度和姿態(tài)估計(jì)精度。SLAM在自動(dòng)駕駛、服務(wù)型機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、AR/VR等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)凡是擁有一定行動(dòng)能力的智能體都擁有某種形式的SLAM系統(tǒng)。在諸如無(wú)人清掃車、園區(qū)無(wú)人擺渡車、園區(qū)無(wú)人快遞車等低速智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。19蜂窩網(wǎng)定位蜂窩網(wǎng)定位基于蜂窩網(wǎng)定位的基本邏輯架構(gòu)如下圖所示。一般來(lái)說(shuō)，定位基本過(guò)程由定位客戶端發(fā)起定位請(qǐng)求給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器通過(guò)配置無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位目標(biāo)的測(cè)量，或者通過(guò)其他手段從定位目標(biāo)處獲得位置相關(guān)信息，最終計(jì)算得出位置信息并和坐標(biāo)匹配。需要指出的是，定位客戶端和定位目標(biāo)可以合并設(shè)立，即定位目標(biāo)本身可以發(fā)起針對(duì)自己的定位請(qǐng)求，也可以是外部發(fā)起針對(duì)某個(gè)定位目標(biāo)的請(qǐng)求；最終定位目標(biāo)位置的計(jì)算可以由定位目標(biāo)自身完成，也可以由定位服務(wù)器計(jì)算得出。蜂窩網(wǎng)定位圖2-6-10基于蜂窩網(wǎng)定位的基本邏輯架構(gòu)基于4G的蜂窩定位，受信號(hào)帶寬、同步以及網(wǎng)絡(luò)部署的影響，定位精度一般在幾十米左右，而隨著5G的到來(lái)，大帶寬、多天線以及高精度同步技術(shù)等的支撐，可以使得5G的定位精度大幅提高，目前在仿真/測(cè)試場(chǎng)景下，室內(nèi)定位可達(dá)2~3m精度，可在室內(nèi)及隧道環(huán)境下彌補(bǔ)衛(wèi)星定位的不足。高精度定位在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用案例根據(jù)前文的介紹可以看出，不同定位方式各有優(yōu)劣，智能網(wǎng)聯(lián)汽車在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用多傳感器融合的定位，既做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也提高了穩(wěn)定性，增強(qiáng)了定位精度。L4無(wú)人車運(yùn)營(yíng)商常用的定位方案中多使用多線束的激光雷達(dá)和高精度的GPS/IMU，雖然這些高精密的傳感器能夠提供豐富的信息，但成本十分高昂，并且也無(wú)法滿足車規(guī)的要求。禾多科技研發(fā)了面向量產(chǎn)的多傳感器融合定位技術(shù)，采用了全車規(guī)級(jí)的低成本傳感器，如GNSS、相機(jī)、低成本車規(guī)級(jí)IMU、輪速計(jì)等，以滿足量產(chǎn)的需求。接下來(lái)，以百度Apollo2.0為例，介紹高精度定位在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用。Apollo2.0的多傳感器融合定位模塊的框架如下圖所示：左邊列出了定位模塊依賴的硬件以及數(shù)據(jù)，包括IMU、車端天線、基站、激光雷達(dá)、以及定位地圖；中間是GNSS定位以及激光點(diǎn)云定位模塊，GNSS定位輸出位置及速度信息，高精度定位在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用案例點(diǎn)云定位輸出位置及航向角信息；右邊是融合框架，融合框架包括兩部分：慣性導(dǎo)航解算、Kalman濾波；融合定位的結(jié)果會(huì)反過(guò)來(lái)用于GNSS定位和點(diǎn)云定位的預(yù)測(cè)；融合定位的輸出是一個(gè)6自由度的位置和姿態(tài)，以及協(xié)方差矩陣。圖2-6-11Apollo2.0的多傳感器融合定位模塊的框架20高精度地圖的概念高精度地圖的概念高精度地圖是指絕對(duì)精度和相對(duì)精度均在亞米級(jí)的高分辨率、高豐度要素的電子地圖，也稱為三維高精度地圖，簡(jiǎn)稱HDMap或HADMap，一般指靜態(tài)的高精度路網(wǎng)信息。動(dòng)態(tài)高精度地圖是指包含了道路網(wǎng)上的動(dòng)態(tài)變化信息要素的高精度地圖，比如路口紅綠燈狀態(tài)、道路動(dòng)態(tài)通行指標(biāo)、路網(wǎng)變化情況等，簡(jiǎn)稱LiveHDMap。高精度地圖與普通電子地圖相比有很大的不同，見(jiàn)表6-3-1。（1）使用主體不同：普通電子地圖的使用者是人，而高精地圖的使用者是車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（2）用途不同：普通電子地圖是用來(lái)為人提供導(dǎo)航、搜索、可視化服務(wù)，高精度地圖則是直接為車提供高精度定位、輔助自動(dòng)駕駛感知、決策和規(guī)劃。高精度地圖的概念（3）所屬系統(tǒng)不同：普通電子地圖屬于帶顯示屏幕的車載信息系統(tǒng)，而高精度地圖屬于車載安全系統(tǒng)，沒(méi)有人機(jī)交互界面，也不需要人員的介入。（4）所包含的要素不同：普通電子地圖僅僅包含道路中心線、信息點(diǎn)、區(qū)域邊界、部分交通標(biāo)識(shí)等道路位置和形態(tài)信息，高精度地圖中則包含完整的道路信息包括所有車道線、道路部件、道路屬性以及道路鏈接設(shè)施等豐富全面的信息。（5）定位精度不同：普通電子地圖一般精度在10m左右，因此其導(dǎo)航水平為道路級(jí)，高精度地圖的精度則需要達(dá)到20cm，其導(dǎo)航水平為車道級(jí)。（6）現(xiàn)勢(shì)性需求不同：由于駕駛?cè)丝梢粤己脩?yīng)對(duì)，因此普通電子地圖現(xiàn)勢(shì)性需求相對(duì)較低；而計(jì)算機(jī)難以良好應(yīng)付，因此高精度地圖現(xiàn)勢(shì)性需求高。同時(shí)，高精度地圖還需要有比傳統(tǒng)地圖更高的實(shí)時(shí)性，由于道路路網(wǎng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，如道路整修、標(biāo)識(shí)線磨損或重漆、交高精度地圖的概念通標(biāo)識(shí)改變等。這些改變都要及時(shí)反映在高精度地圖上，以確保智能網(wǎng)聯(lián)汽車的行車安全。表2-6-4普通電子地圖與高精度地圖的差別21高精度地圖采集與生成過(guò)程高精度地圖采集與生成過(guò)程傳統(tǒng)電子地圖主要依靠衛(wèi)星圖片產(chǎn)生，然后由GPS定位，這種方法可以達(dá)到米級(jí)精度。高精地圖需要達(dá)到厘米級(jí)精度，僅靠衛(wèi)星與GPS是不夠的。為了確保數(shù)據(jù)生產(chǎn)的安全性和準(zhǔn)確性，高精度地圖有嚴(yán)格規(guī)范的生產(chǎn)流程。首先，根據(jù)用戶應(yīng)用的需要對(duì)地圖產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)劃，制定生產(chǎn)規(guī)劃；然后，數(shù)據(jù)信息采集部門(mén)開(kāi)始收集數(shù)據(jù)信息和后處理；接著，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理編輯繪制地圖；最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換編譯，生成矢量母庫(kù)，完成生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)入發(fā)布環(huán)節(jié)。下圖為高精度地圖制作過(guò)程流程圖。高精度地圖采集與生成過(guò)程圖2-6-12高精度地圖制作過(guò)程流程圖外業(yè)采集外業(yè)采集是制作高精度地圖的第一步，目前主流的高精度地圖數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)采集車采集和眾包設(shè)備采集兩種渠道，同時(shí)也收集大量的用戶反饋信息、互聯(lián)網(wǎng)信息、衛(wèi)星影像等信息用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)的情報(bào)。下圖為百度公司的一輛高精度地圖采集車。該采集車搭載了激光雷達(dá)、攝像頭、差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等核心設(shè)備，可以精確識(shí)別交通標(biāo)志、地面標(biāo)志、車道線、橋梁、燈柱和護(hù)欄等。專業(yè)采集車采集的數(shù)據(jù)包括高精度軌跡、圖像、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，軌跡包括了經(jīng)度、緯度、海拔、航向角、傾角、俯仰角及速度信息。外業(yè)采集圖2-6-13高精度地圖采集車在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，高精度地圖采集車會(huì)以60~80km/h的速度在道路上平穩(wěn)行駛，同時(shí)采集員需要實(shí)時(shí)監(jiān)控副駕駛位置的采集系統(tǒng)和設(shè)備的工作狀態(tài)，并且根據(jù)天氣和環(huán)境狀況選擇不同的攝像頭參數(shù)。由于專業(yè)采集設(shè)備較昂貴，每輛采集車需要的設(shè)備成本甚至多達(dá)數(shù)百萬(wàn)元，出于成本考慮，專業(yè)的采集設(shè)備不能無(wú)限制的擴(kuò)張。面對(duì)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求及全區(qū)域覆蓋的要求，以Mobileye為代表的眾包設(shè)備采集模式成為高精度地圖數(shù)據(jù)采集的另一個(gè)采集途徑。眾包設(shè)備采集是指地圖公司與整車廠合作，借助不同品牌大量級(jí)的車輛上攝像頭獲取到的數(shù)據(jù)，作為地圖的數(shù)據(jù)來(lái)源，能夠保證數(shù)據(jù)的更新率；隨著車載傳感設(shè)備的普及，地圖制作的效率也會(huì)逐漸提升。這種收集方式可以改善“由整到零”的專業(yè)采集車采集方式所帶來(lái)的高成本、速度慢的缺點(diǎn)。外業(yè)采集比如，Mobileye與上汽集團(tuán)、四維圖新合作推出的REM（RoadExperienceManagement）計(jì)劃，是通過(guò)車輛攝像頭以眾包的方式上傳道路數(shù)據(jù)，制作高精度地圖。同樣，車輛可以通過(guò)攝像頭捕捉到的道路標(biāo)識(shí)以及地圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度定位。圖6-3-3為眾包采集的道路場(chǎng)景示意圖。圖2-6-14眾包采集的道路場(chǎng)景自動(dòng)化處理采集的數(shù)據(jù)成果進(jìn)入內(nèi)業(yè)處理流程，數(shù)據(jù)處理利用人工智能技術(shù)自動(dòng)提取和擬合，減少人工操作，加快了數(shù)據(jù)生產(chǎn)并節(jié)省了人力成本。在自動(dòng)融合和識(shí)別環(huán)節(jié)，將采集到的每秒10幀左右的圖像數(shù)據(jù)信息自動(dòng)融合，簡(jiǎn)單來(lái)講就是將圖像、點(diǎn)云、GPS等數(shù)據(jù)疊加到一起。然后進(jìn)行車道線、信號(hào)燈、人行橫道、交通標(biāo)識(shí)牌、路桿等道路元素的分類與提?。ㄈ鐖D6-3-4所示），另外，在采集過(guò)程中同一條道路上雙向采集之后采集到的重復(fù)數(shù)據(jù)也會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)自動(dòng)進(jìn)行整合，刪除重復(fù)內(nèi)容。這一步，相當(dāng)于是視頻剪輯中的粗剪，只不過(guò)是自動(dòng)完成的。圖2-6-15高精度地圖的自動(dòng)化處理交互編輯由于自動(dòng)化處理階段無(wú)法達(dá)到100%精準(zhǔn)，所以還需要利用人工智能技術(shù)和專業(yè)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，該過(guò)程主要包括地圖矢量化、編輯、檢查核對(duì)、確認(rèn)生效等工作。這一步，相當(dāng)于視頻制作中的精剪、輸出成片階段。圖6-3-