CONTENTS目錄項目引入01項目描述02項目目標(biāo)03知識鏈接04項目實施05項目小結(jié)0601項目引入項目引入

智能汽車滲透率快速提升,定位系統(tǒng)上車成標(biāo)配。國內(nèi)首條3級自動駕駛法規(guī)表決通過,自動駕駛等級由2級/2+級向3級/4級發(fā)展。高等級自動駕駛對定位精度的要求極高,單獨的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)米級定位精度已無法滿足要求,各典型場景均要求定位精度至少達(dá)到分米級,技術(shù)要求的提高推動高精度組合定位技術(shù)持續(xù)發(fā)展。高精度定位與高精度地圖緊密聯(lián)系,高精度定位通過衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合使汽車擁有自我感知的能力,高精度地圖匹配激光雷達(dá)等傳感器獲得相對環(huán)境位置,二者互為安全冗余,加強系統(tǒng)整體魯棒性。本項目將學(xué)習(xí)高精度地圖、高精度定位及其關(guān)鍵技術(shù)。02項目描述項目描述高精度地圖和高精度定位是智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)技術(shù),尤其是3級及以上級別的自動駕駛必備的支撐技術(shù),是智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)體系的重要組成部分。客戶在購買智能網(wǎng)聯(lián)汽車時,非常關(guān)注車輛的高精度地圖與定位技術(shù),請你針對某一款智能網(wǎng)聯(lián)汽車,向客戶介紹高精度地圖與定位技術(shù),并在學(xué)習(xí)小組或班上進行成果匯報。03項目目標(biāo)項目目標(biāo)知識目標(biāo)1.掌握高精度地圖的定義

、分類

、數(shù)據(jù)內(nèi)容

、特點

、作用

、生產(chǎn)制作及應(yīng)用

;2.

掌握高精度定位技術(shù)的分類

、定義

、原理;3.理解高精度定位的關(guān)鍵技術(shù)

;4.

理解組合導(dǎo)航技術(shù)。能力目標(biāo)1.能區(qū)分高精度定位和普通定位;2.能區(qū)分高精度地圖和普通地圖;3.能識別汽車的導(dǎo)航定位系統(tǒng);4.會結(jié)合華為智駕,舉例說明高精度地圖和高精度定位技術(shù)的應(yīng)用。項目目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)

1.北斗系統(tǒng)體現(xiàn)了中國人的“自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代精神—北斗精神,以此培養(yǎng)學(xué)生自力更生、勇于創(chuàng)新的精神。

2.通過對各種導(dǎo)航技術(shù)的對比分析,引導(dǎo)學(xué)生理解組合導(dǎo)航的優(yōu)點,使學(xué)生認(rèn)識到世界上不存在完美的事物,要善于利用各組成要素的優(yōu)缺點進行正確組合,從而培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神。

3.通過對華為“問界”智能駕駛技術(shù)的收集整理,鍛煉學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)和自媒體等資源進行自主學(xué)習(xí)以及對資料進行分析和處理的能力。04知識鏈接知識鏈接單元一高精度地圖概述一、高精度地圖定義高精度地圖又稱自動駕駛地圖或智能汽車基礎(chǔ)地圖,英文為HDMap(HighDefinitionMap),是指絕對精度和相對精度均在厘米級(10~20cm)的高分辨率、高豐度要素的導(dǎo)航地圖。高精度地圖提供了自動駕駛車輛所處的環(huán)境模型,包含了最底層的靜態(tài)高精度地圖以及其他動態(tài)信息。靜態(tài)高精度地圖中包含了車道模型、道路部件、道路屬性和其他的定位圖層。高精度地圖就是精度更高、數(shù)據(jù)維度更多的電子地圖。精度更高體現(xiàn)在精確到厘米級別,數(shù)據(jù)維度更多體現(xiàn)在其包括了除道路信息之外的與交通相關(guān)的周圍靜態(tài)信息。相較于為人工駕駛員服務(wù)的傳統(tǒng)車載導(dǎo)航電子地圖,高精度地圖是為自動駕駛系統(tǒng)服務(wù)的專屬地圖,其蘊含更為豐富細(xì)致的路面、路側(cè)及路上的靜態(tài)信息,如圖3-1所示,還需要輔以實時動態(tài)交通信息,因此制作難度和復(fù)雜度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)地圖。圖3-1高精度地圖示意圖知識鏈接高精度地圖將大量的行車輔助信息存儲為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),這些信息可以分為兩類。第一類是道路數(shù)據(jù),如車道線的位置、類型、寬度、坡度和曲率等車道信息。第二類是車道周邊的固定對象信息,如交通標(biāo)志、交通信號燈、車道限高、下水道口、障礙物及其他道路細(xì)節(jié),還包括高架物體、防護欄、樹木、道路邊緣類型、路邊地標(biāo)等基礎(chǔ)設(shè)施信息,如圖3-2所示。這些信息都有地理編碼,導(dǎo)航系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位地形、物體和道路輪廓,從而引導(dǎo)車輛行駛。其中最重要的是對路網(wǎng)精確的三維表征(厘米級精度),如路面的幾何結(jié)構(gòu)、道路標(biāo)示線的位置、周邊道路環(huán)境的點云模型等。有了這些高精度的三維表征,自動駕駛系統(tǒng)可以通過比對車載的GPS、慣性測量組件(IMU)、激光雷達(dá)或攝像頭的數(shù)據(jù)精確確認(rèn)自己當(dāng)前的位置。另外,高精度地圖中包含有豐富的語義信息,如交通信號燈的位置和類型、道路標(biāo)示線的類型以及哪些路面可以行駛等。圖3-2

道路標(biāo)志標(biāo)線知識鏈接二、高精度地圖分類高精度地圖一般分為兩類:狹義高精度地圖和廣義高精度地圖。（1）狹義高精度地圖是由傳統(tǒng)圖形商定義的精度更高、內(nèi)容更詳細(xì)的地圖。例如,定義車道和交通標(biāo)志的地圖。（2）廣義高精度地圖是直接構(gòu)建一個真實的三維世界。除了絕對位置的形狀信息和拓?fù)潢P(guān)系外,還包括點云、語義和特征等屬性。知識鏈接

高精度地圖由多層數(shù)據(jù)組合而成,其數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確反映道路環(huán)境,能實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的多尺度標(biāo)定和高效存儲,且支持定位、路徑規(guī)劃和決策控制,并能滿足導(dǎo)航中基于空間索引的需求。1.高精度地圖數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的分層

根據(jù)高精度地圖數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的分層特點將其劃分為4層。1)靜態(tài)地圖層靜態(tài)地圖層用于精準(zhǔn)刻畫靜態(tài)駕駛環(huán)境,提供豐富的道路語義信息,約束與控制車輛行為,主要包含道路網(wǎng)、車道網(wǎng)、交通設(shè)施網(wǎng)與定位圖層。2)實時數(shù)據(jù)層實時數(shù)據(jù)層用于動態(tài)路徑規(guī)劃和車輛控制,主要包含交通限制信息、交通流量信息、服務(wù)區(qū)信息等更新頻率較高的實時路況信息。三、高精度地圖的數(shù)據(jù)內(nèi)容知識鏈接

3)動態(tài)數(shù)據(jù)層

動態(tài)數(shù)據(jù)層用于彌補在能見度低的交叉盲點上的車載傳感器的視野盲區(qū),以保證行駛安全,主要包含車輛、行人、交通信號燈等高度動態(tài)信息。

4)用戶模型層用戶模型層提供行車經(jīng)驗信息,用以輔助車輛實現(xiàn)特定約束條件下的最優(yōu)行駛策略，主要包含駕駛記錄數(shù)據(jù)集和駕駛經(jīng)驗數(shù)據(jù)集。知識鏈接2.高精度地圖的數(shù)據(jù)類型完整的高精度地圖通常通過三類數(shù)據(jù)來完整表達(dá)真實道路信息。第一類是道路和車道信息,主要記錄道路信息及引導(dǎo)拓?fù)湫畔?第二類是道路周邊設(shè)施信息,用于定位和記錄障礙物等輔助信息;第三類是定位圖層,用于自動駕駛車輛現(xiàn)場匹配。1)道路(車道)模型數(shù)據(jù)道路(車道)模型定義的核心內(nèi)容是道路相關(guān)的數(shù)據(jù)表達(dá),用于滿足道路級別的路徑規(guī)劃,以及在高級輔助駕駛系統(tǒng)應(yīng)用場景下對油門、剎車、方向的預(yù)先控制和規(guī)劃。如圖3-3所示,車道模型記錄了車道的行駛參考線、車道的邊線(標(biāo)線)及停止線、車道與道路拓?fù)涞年P(guān)系等,可以滿足車道級別的路徑規(guī)劃需求,同時通過車道標(biāo)線信息提供車道間橫向連通關(guān)系。圖3-3

車道模型知識鏈接

2)道路周邊設(shè)施數(shù)據(jù)道路周邊設(shè)施數(shù)據(jù)用于記錄道路和車道行車空間范圍邊界區(qū)域內(nèi)的要素,其幾何表達(dá)分點、線、面三種類型,例如,兩側(cè)的護欄、路牙等通過線來表達(dá),墻、標(biāo)牌、區(qū)域、文字、箭頭、符號等通過面來表達(dá),電話亭則通過點來表達(dá)。周邊設(shè)施數(shù)據(jù)通常用于輔助環(huán)境感知,以及通過抽取定位圖層用于輔助定位。3)道路定位圖層數(shù)據(jù)道路定位圖層數(shù)據(jù)信息分為兩類:第一類是道路采集時的原始點云信息,一般為壓縮抽稀后的點云數(shù)據(jù);第二類是從矢量化之后的道路周邊設(shè)施數(shù)據(jù)中抽取部分特征要素作為定位圖層。OpenDrive中定義的高精度地圖圖層,基于Features圖層提取出來的要素或原始數(shù)據(jù)層,用作定位圖層。知識鏈接

四、高精度地圖的特點隨著自動駕駛汽車逐步走向量產(chǎn),未來的車載地圖將邁入以高精度、高現(xiàn)勢性(活地圖或動態(tài)地圖)為特性的高精度動態(tài)地圖時代。與傳統(tǒng)的導(dǎo)航電子地圖相比,高精度地圖在各方面的要求更高,并且能夠配合傳感器和算法,為決策層提供支持。作為一種全新的電子地圖類型,其獨有的特點有以下幾方面。1.服務(wù)自動駕駛車輛駕車時用來導(dǎo)航的傳統(tǒng)電子地圖是顯示給行人和人工駕駛員的,而高精度地圖只為自動駕駛系統(tǒng)提供服務(wù)。為了滿足自動駕駛汽車的需求,高精度地圖除了包含傳統(tǒng)地圖的內(nèi)容,還會描述精細(xì)的車道標(biāo)線信息,以及道路參考線和車道參考線信息,也包含了復(fù)雜的車道交換引導(dǎo)參考線及周邊設(shè)施信息等。2.地圖精度更高普通導(dǎo)航電子地圖的絕對精度通常在10m左右,高精度地圖的絕對精度普遍認(rèn)為需達(dá)到50cm,相對精度在100m的行駛距離內(nèi),不能超過20cm的誤差,即基本與一個車道標(biāo)線的寬度相同。知識鏈接

3.表達(dá)內(nèi)容更具體導(dǎo)航電子地圖會將道路抽象為一條直線或曲線,高精度地圖需要盡量還原道路真實的現(xiàn)場狀況,建立精度極高的車道模型和在道路通行空間范圍邊界區(qū)域內(nèi)的精細(xì)化對象模型,如圖3-4所示。圖3-4

精度極高的車道模型和精細(xì)化對象模型4.地圖鮮度更高許多駕駛員不喜歡車載導(dǎo)航的重要原因是車輛自帶的導(dǎo)航軟件沒有及時更新,或者需要支付不菲的年費;而手機導(dǎo)航地圖則可以隨時更新道路信息,而且是免費的。然而,自動駕駛車輛是無法使用這些免費的傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖的。由于高度智能化的智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要實時掌握車輛周邊的設(shè)施變化情況和交通狀態(tài),并以此作為自動駕駛決策的依據(jù),因此,高精度地圖需要提供日更新的高現(xiàn)勢性地圖和以分、秒為更新頻率的動態(tài)交通信息。知識鏈接

五、高精度地圖的作用隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的普及,高級輔助駕駛技術(shù)不斷發(fā)展,高精度地圖受到了越來越多的關(guān)注。在1級、2級的輔助駕駛階段,高精度地圖并非剛性需求,但其對于4級、5級的自動駕駛是必選項,對于3級的自動駕駛是可選項。因此,自動駕駛汽車的自動化和智能化程度越高,對高精度地圖的依賴性就越強。高精度地圖具體作用如下。1.輔助高精度定位通過基于高精度地圖的輔助感知,自動駕駛車輛能準(zhǔn)確獲取周邊物體(對象)的高精度位置坐標(biāo),同時通過傳感器得到車輛與周邊物體的相對距離。自動駕駛車輛可基于探測到的物體(對象)的高精度坐標(biāo)和相對距離反算出車輛的高精度位置坐標(biāo),從而實現(xiàn)對自身位置的持續(xù)修正。知識鏈接

2.先驗感知識別高精度地圖能夠輔助汽車超視距感知,當(dāng)車輛道路環(huán)境被其他物體遮擋,或者超出了汽車電子設(shè)備感知范圍時,高精度地圖能夠幫助車輛對行進方向環(huán)境進行感知,如圖3-5所示。高精度地圖能夠輔助車輛快速識別道路環(huán)境周邊固定物體及車道標(biāo)線,能夠提高自動駕駛車輛數(shù)據(jù)處理效率。自動駕駛車輛在感知、重構(gòu)周圍三維場景時,可以利用高精度地圖作為先驗知識減少數(shù)據(jù)處理時的搜索范圍。高精度地圖還能為車輛提供各種危險區(qū)域的預(yù)警,以使車輛可以提前作出應(yīng)急方案。3.支持駕駛決策高精度地圖提供道路曲率,當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時可以根據(jù)曲率進行提前減速、控制傳感器甚至大燈轉(zhuǎn)向輔助。高精度地圖提供隧道等遮蔽信息,車輛在進入前可以提前開啟大燈或調(diào)整傳感器感光參數(shù)。高精度地圖提供坡度,能夠輔助車輛控制油門,節(jié)省能源。高精度地圖的限速信息精確到車道和車型,可以協(xié)助智能網(wǎng)聯(lián)汽車精準(zhǔn)控制執(zhí)行器和相應(yīng)車型合規(guī)運行。圖3-5

高精度地圖輔助汽車超視距感知知識鏈接

圖3-6

車道級路徑規(guī)劃4.車道級路徑規(guī)劃基于高精度地圖的車道級動態(tài)路徑規(guī)劃及輔助感知成果都將作為參考信息提供給決策單元,決策單元在已知固定環(huán)境、已知線路和動態(tài)目標(biāo)的基礎(chǔ)上通過算法生成車道級控制指令,如圖3-6所示。知識鏈接六、高精度地圖的生產(chǎn)制作人們?nèi)粘?dǎo)航用的普通地圖是地圖提供商同測繪部門通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng))和衛(wèi)星圖片制作的,比較簡單。但高精度地圖對精度及鮮度要求極高,因此采集和制作方式也有很大的不同。為了保證地圖鮮度,整個生產(chǎn)過程會不斷將AI技術(shù)應(yīng)用其中。高精度地圖生產(chǎn)流程主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、安全處理、地圖審查、地圖發(fā)布等組成,如圖3-7所示其中數(shù)據(jù)采集是高精度地圖生產(chǎn)流程中最重要的環(huán)節(jié),也是成本占比最高的部分。需要特別指出的是,由于涉及國家安全,高精度地圖的數(shù)據(jù)采集、編輯加工和生產(chǎn)制作必須由具有甲級導(dǎo)航電子地圖制作測繪資質(zhì)的國內(nèi)單位承擔(dān),因此具有較高的政策準(zhǔn)入壁壘。圖3-7

高精度地圖生產(chǎn)流程知識鏈接

1.數(shù)據(jù)采集高精度地圖的數(shù)據(jù)采集是個多傳感器融合的過程。實地采集是制作高精度地圖的第一步,主要指專業(yè)采集車進行外業(yè)采集以及用戶生成內(nèi)容(UserGeneratedContent,UGC)設(shè)備采集。采集的核心設(shè)備是激光雷達(dá)和高精度差分-慣導(dǎo)-衛(wèi)星定位系統(tǒng),通過激光反射形成點云,完成對環(huán)境中各種物體的采集,并通過高精度定位系統(tǒng)記錄行駛軌跡和環(huán)境中物體的高精度位置信息。另外,高精度地圖為了保持周期性數(shù)據(jù)更新,需要大范圍內(nèi)足量且實時有效的道路數(shù)據(jù)作為支撐。高精度地圖數(shù)據(jù)的海量性與精準(zhǔn)性要求僅依靠傳統(tǒng)專業(yè)測繪難以實現(xiàn),所以針對傳統(tǒng)專業(yè)測繪采集模式下的不足,衍生出專包采集和眾包采集兩種方式。知識鏈接1)專業(yè)測繪專業(yè)測繪的作業(yè)內(nèi)容主要包含移動測繪車生產(chǎn)、無人機航測和大比例尺地形圖測繪,如圖3-8所示。移動測繪車生產(chǎn)是最常用的生產(chǎn)方式,需要搭載激光雷達(dá)、GNSS/IMU位姿傳感器、全景相機、車輪測距器設(shè)備,移動測繪車采集的數(shù)據(jù)以三維點云數(shù)據(jù)為主,主要解決點云地圖構(gòu)建和目標(biāo)檢測問題。（1)專業(yè)測繪優(yōu)勢如下。精度高:專業(yè)的測繪手段與成熟的制圖工藝流程相配合,可以達(dá)到厘米級精度,能夠滿足不同等級自動駕駛技術(shù)對高精度地圖的精度要求。適應(yīng)性強:不同場景、不同等級的自動駕駛技術(shù)方案各有不同,礦山、園區(qū)等場景在地圖測繪時也可能會采用不同的方案(采集車搭配不同的傳感器),以滿足定制化的需求。在為客戶提供產(chǎn)品之前是全方位多角度的產(chǎn)品設(shè)計,基本上可實現(xiàn)與算法軟件無縫對接。技術(shù)成熟:專業(yè)采集技術(shù)經(jīng)過多年的技術(shù)積累,形成了相對成熟的流程,在質(zhì)量控制方面也具有相對成熟的經(jīng)驗,可以很好地滿足需求。圖3-8

專業(yè)測繪知識鏈接數(shù)據(jù)量大:由于采集的地圖要素多而且精細(xì),在存儲和傳輸過程中,需要的存儲容量和帶寬要求也非常驚人,這也是目前高精度地圖的數(shù)據(jù)采集、制作基本上以項目/區(qū)域為主,還并未形成一張全國高精度地圖的原因。需要專業(yè)人員:外業(yè)采集人員需要具備專業(yè)的知識且經(jīng)過多年培訓(xùn),才能完成任務(wù)。而且后續(xù)在制圖過程中也需要大量業(yè)內(nèi)人員參與到繪圖、切片等制作流程中。鮮度維持難度大:專業(yè)采集受制于采集車的使用頻率與地圖的制作工藝,在日新月異的國內(nèi)建設(shè)速度下,數(shù)據(jù)鮮度的維持越發(fā)重要且困難。為了降低成本,地圖生產(chǎn)商采用了專包采集方法。圖3-9

高德高精度地圖專業(yè)采集設(shè)備(2)專業(yè)測繪雖然優(yōu)勢眾多,但仍然有以下劣勢。成本高:測繪車由于搭載了激光雷達(dá)等昂貴的設(shè)備,一臺測繪車的成本往往高達(dá)幾十萬甚至幾百萬。圖3-9所示為高德高精度地圖專業(yè)采集設(shè)備,一套成本高達(dá)800萬元,配備2個高頻單線激光雷達(dá)、6個工業(yè)級攝像頭、1個GNSS天線以及IMU等設(shè)備,是目前國內(nèi)精度最高的高精度地圖采集設(shè)備,相對精度在10cm之內(nèi)。知識鏈接2)專包采集專包采集是指地圖生產(chǎn)商通過與車輛運營商(如出租車公司、客運公司或貨運公司)合作,將測繪工具(激光雷達(dá)、全景相機等)搭載在車身上,進行道路數(shù)據(jù)測繪采集,定期進行測繪工具維護和測繪數(shù)據(jù)回收。它的優(yōu)點是成本相對較低,缺點是精度不夠、鮮度維護困難。為了實現(xiàn)地圖的快速更新和降低成本,地圖生產(chǎn)商采用了眾包采集方法。3)眾包采集對于地圖領(lǐng)域初創(chuàng)公司,眾包采集成為創(chuàng)業(yè)方向和標(biāo)準(zhǔn)解決方案,如圖3-10所示。這種方式是指把地圖更新的任務(wù)交給道路上行駛的大量非專業(yè)智能網(wǎng)聯(lián)汽車,利用成本相對低廉的車載傳感器,收集路況與道路特征,實時監(jiān)測環(huán)境變化,然后通過深度學(xué)習(xí)和圖像識別算法將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),生成高精度地圖眾包信息。此方式中,將信息與高精度地圖進行比對后,發(fā)現(xiàn)道路發(fā)生變化時,就將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進行數(shù)據(jù)融合,然后再下發(fā)給其他車輛,從而實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的快速更新。

圖3-10

眾包采集示意圖知識鏈接(1)眾包采集的技術(shù)流程。眾包采集的數(shù)據(jù)包括軌跡數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)。各自處理方式如下。①軌跡數(shù)據(jù)的處理。先把不同的軌跡分到不同的高度層內(nèi),然后開始形狀構(gòu)建,完成初步的拓?fù)錁?gòu)建,再進行二次形狀構(gòu)建。最后,根據(jù)拓?fù)浜托螤钔瓿绍嚨罉?gòu)建,形成整個車道級拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。②視覺數(shù)據(jù)的處理。通過人工智能技術(shù)識別地物,包括車輛、行人、地面車道線、限高標(biāo)志、交通指示燈、交通護欄、車道線距離、前方行車、后方超車、側(cè)方會車等。③三維場景重構(gòu)。利用三維場景重構(gòu)補充車道級拓?fù)渚?再用地物與車道掛接,最后得到高精度地圖,目的是重構(gòu)精確的高度、坡度、曲率、航向和回旋曲線。(2)眾包采集的優(yōu)勢如下。①相對成本較低。②數(shù)據(jù)來源非常豐富,制作效率高。③實時性好。知識鏈接眾包采集的劣勢如下。①

傳感器數(shù)據(jù)來源和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。由于各家眾包采集方案使用的傳感器不一樣,導(dǎo)致數(shù)據(jù)來源、精度、格式標(biāo)準(zhǔn)都不統(tǒng)一,采集的數(shù)據(jù)在融合時會出現(xiàn)一定難度。②精度不夠。眾包采集方案產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大多是視頻數(shù)據(jù),精度較低。圖像包含的信息量非常大且大部分為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)要處理成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),需要通過標(biāo)定和AI算法把圖像數(shù)據(jù)變成矢量化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)精度低會導(dǎo)致后續(xù)處理更加復(fù)雜。為了達(dá)到高精度地圖的要求,需要海量的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)聚合,這也造成了很難通過眾包采集方式做成第一張高精度地圖,所以這種方式適用于數(shù)據(jù)更新。③政策門檻高。眾包采集目前缺乏行政許可,根據(jù)我國測繪法對測繪行為的定義,企業(yè)性質(zhì)的大范圍帶GPS或不帶GPS的地理數(shù)據(jù)搜集行為屬于測繪行為,這些數(shù)據(jù)需要由有甲級導(dǎo)航電子地圖資質(zhì)圖商收集處理。④

技術(shù)門檻高。知識鏈接

2.數(shù)據(jù)處理

所有采集到的地圖數(shù)據(jù)稱為原始數(shù)據(jù),分為點云和圖像兩類。在采集過程中信號可能不穩(wěn)定,優(yōu)化之后對點云信息做拼接得到完整的點云信息。點云信息被壓扁得到定位地圖圖像和反射地圖圖像?？紤]到高精度地圖要求以點云為主,故其通常利用激光雷達(dá)掃描獲取激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù),重建三維道路環(huán)境,并進行道路要素特征的提取與識別,得到高精度點云地圖。處理后的激光點云數(shù)據(jù)能夠與圖像數(shù)據(jù)進行映射或融合處理,得到信息更加豐富的彩色激光點云地圖。隨后經(jīng)過整理、分類與清洗等專業(yè)處理過程,獲得沒有任何語義信息或注釋的初始地圖模板。1)元素識別

元素識別又稱對象檢測,是利用機器學(xué)習(xí)的感知算法(圖像識別)對大部分常見的靜態(tài)對象進行的分類識別,包括車道線、交通標(biāo)志甚至電線桿等,如圖3-11所示。對于少量復(fù)雜的對象,需要利用人工方式標(biāo)注。基于深度學(xué)習(xí)的地圖要素識別有兩個層面:一是能否基于點云分割,從點云里提取特征;二是嘗試從點云中提取車道線、燈桿、紅綠燈等。圖3-11

元素識別場景知識鏈接2)人工驗證人工驗證是指由專業(yè)的技術(shù)團隊進行人工抽樣檢測,并進行最后一步的確認(rèn)和完善,從而發(fā)現(xiàn)自動化處理過程中出現(xiàn)的錯誤,并及時彌補數(shù)據(jù)的缺陷,提高精準(zhǔn)度。這就需要技術(shù)人員精益求精,只有人工驗證無誤的高精度地圖,才能進行發(fā)布。

3)發(fā)布驗證無誤的地圖,需要進行轉(zhuǎn)換編譯,生成矢量母庫,從而完成生產(chǎn)環(huán)節(jié)。但由于高精度地圖體量非常大,超過GB級的存儲量,已經(jīng)不是傳統(tǒng)物理存儲可以承載的。此外,高精度地圖對數(shù)據(jù)更新的實時性要求非常高,這就決定了高精度地圖需要借助云平臺來實現(xiàn)發(fā)布及更新。4)后續(xù)更新道路整改工作會經(jīng)常發(fā)生,加之無法預(yù)料的突發(fā)性路況,使地圖需要不斷更新。更新問題可采取眾包采集方式或與政府實時交通管理部門合作來解決。國內(nèi)圖商—四維圖新目前進行UGC地圖更新時,利用預(yù)先安裝好的消費級的車內(nèi)傳感器,進行自動化數(shù)據(jù)回傳和處理,然后通過高度自動化的融合算法,從而實現(xiàn)基于消費級傳感器數(shù)據(jù)的自動更新,最終保證高精度地圖能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)更新,全面保障自動駕駛的安全性。知識鏈接3.數(shù)據(jù)融合高精度地圖數(shù)據(jù)融合技術(shù)是將傳統(tǒng)的地圖信息、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等位置信息融合到一起,以空間信息為基礎(chǔ),同時參考交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、車輛漂移數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)信息,形成更加準(zhǔn)確可靠的車輛定位結(jié)果,然后將結(jié)果反饋給駕駛員,進而提高駕駛的安全性和舒適度的技術(shù)。主要包括以下幾方面。1)多傳感器數(shù)據(jù)融合高精度融合定位技術(shù)通過同時利用多個傳感器(如GPS、慣性測量單元、地圖數(shù)據(jù)等)的信息,實現(xiàn)對位置和姿態(tài)的精確估計。通過融合多個傳感器的數(shù)據(jù),可以彌補單個傳感器存在的精度限制和局限性,從而提高整體的定位精度。2)濾波算法濾波算法在高精度融合定位技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。常用的濾波算法包括卡爾曼濾波和粒子濾波等。這些算法能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進行優(yōu)化和校正,進而減小噪聲的影響,提高定位的準(zhǔn)確性。3)地圖匹配地圖匹配是高精度融合定位技術(shù)中的一項重要技術(shù)。通過將實時定位數(shù)據(jù)與預(yù)先構(gòu)建的地圖進行匹配,可以實現(xiàn)對車輛或者移動設(shè)備在地理空間中的準(zhǔn)確定位,從而消除定位誤差,提高定位的精度和穩(wěn)定性。知識鏈接4.安全處理高精度地圖在發(fā)布商用之前,必須經(jīng)過國家測繪局的加密處理,目的是保證國家安全。加密處理主要包含一些安全信息,如GPS坐標(biāo)、火星坐標(biāo)、地球地圖等。通常導(dǎo)航設(shè)備需要加入國家的保密插件才允許進行使用和公開。安全處理流程如下。1)測繪聯(lián)編(1)申請書提交。提交申請的資料通常包含申請書、測繪聯(lián)編方案、測試計劃等,提交后等待審核。(2)現(xiàn)場聯(lián)編。國家工作人員將源碼和加密插件進行聯(lián)合編制。針對商用的地圖數(shù)據(jù),可以分批次分區(qū)域地進行加偏驗證,所有的區(qū)域驗證偏轉(zhuǎn)通過后,申請全國的一張圖,隨后就可以進行商用了。2)加密插件加密插件簡單理解就是數(shù)據(jù)加密,一般由自然資源部相關(guān)部門進行處理,人為進行數(shù)據(jù)加偏處理,通過算法將真實的坐標(biāo)加密成虛假的坐標(biāo)。知識鏈接5.地圖審查在地理要素表達(dá)方面,根據(jù)《測繪地理信息管理工作國家秘密范圍的規(guī)定》等要求,公開地圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,不允許表達(dá)道路的最大縱坡、最小曲率半徑、高程,重要橋梁的坡度,重要隧道的高度和寬度等屬性信息。6.地圖發(fā)布因為自動化處理不可能做到100%的準(zhǔn)確,所以需要再進行一輪人工驗證,相當(dāng)于視頻制作的精剪和輸出成片階段。人工驗證需要從云端下載需要驗證的路段數(shù)據(jù),然后把自動處理之后的高精度地圖數(shù)據(jù)和對應(yīng)位置的圖像信息作比對,找出錯誤的地方并進行更正。比如,如果系統(tǒng)把一個限速牌識別錯誤,就需要進行人工修正。這些修正后的數(shù)據(jù)不會保存在本地,而是需要上傳到云端,最終的高精度地圖成品也會通過云平臺進行發(fā)布。知識鏈接七、高精度地圖的應(yīng)用高精度地圖是實現(xiàn)3級以上自動駕駛的必備條件,隨著各行各業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展,地圖數(shù)據(jù)應(yīng)用更加多元化,高精度地圖未來有可能不再只是行車或行人所依賴的地圖參考工具,它將成為未來智能世界的基礎(chǔ)地圖。其典型應(yīng)用方向包括以下幾方面。1.自動駕駛目前,高精度地圖可為自動駕駛系統(tǒng)提供預(yù)判信息,它猶如一個巨大的信息容器,涵蓋的數(shù)據(jù)包括車道信息(坡度、曲率、航向、高度等)、道路上所有的元素(路面標(biāo)識、路燈、護欄、信號燈等),以及動態(tài)的交通數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對3+級以上的自動駕駛汽車感知、決策和判斷起著決定性作用。圖3-12

物聯(lián)網(wǎng)與高精度地圖知識鏈接

2.智慧城市高精度地圖具有強大的空間分析能力和決策支持功能,除應(yīng)用于自動駕駛領(lǐng)域之外,對于具有天然空間位置屬性的交通、出行、物流等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用價值?；谲嚨兰壐呔鹊貓D,結(jié)合高精度定位、云計算和視頻監(jiān)控等技術(shù),搭建智慧交通監(jiān)管平臺,在特殊車輛監(jiān)控、精準(zhǔn)導(dǎo)航、公交優(yōu)先、車道自由流等一些重要的場景中,有利于交通管理單位對車輛的精細(xì)監(jiān)控管理,又有利于規(guī)范司機的駕駛行為。高精度地圖能準(zhǔn)確描繪全息時空大數(shù)據(jù),除了能應(yīng)用于智慧交通,也能廣泛應(yīng)用于公安、旅游、道路管理、緊急事件響應(yīng)、城市空氣污染治理等政務(wù)領(lǐng)域。基于不同的城市政務(wù)管理業(yè)務(wù)需求,各種定制化的高精度地圖解決方案能全面提升城市綜合治理能力,這些均是實現(xiàn)智慧城市的前提。因此,高精度地圖服務(wù)是智慧城市的“底座”。3.物聯(lián)網(wǎng)如今,5G技術(shù)正在加速推動高精度定位發(fā)展,而高精度定位也將影響物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展。如圖3-12所示,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的信息互聯(lián)互通,需要高精度地圖作為支撐,各種精細(xì)化模型地圖可以支撐很多行業(yè)、設(shè)備群管理的可視化發(fā)展。高精度地圖作為物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)展示載體,對于使用者可以更直觀、更美觀。知識鏈接4.其他小而精的垂直應(yīng)用地圖本身不是個大產(chǎn)業(yè),但是它作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與服務(wù)提供方,跟各行各業(yè)都能結(jié)合應(yīng)用,而且隨著各行業(yè)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展,定制化需求會越來越多。1)AntVL7AntVL7是由螞蟻金服AntV數(shù)據(jù)可視化團隊推出的基于WebGL的開源大規(guī)模地理空間數(shù)據(jù)可視分析開發(fā)框架。L7中的L代表Location,7代表世界七大洲,寓意能為全球位置數(shù)據(jù)提供可視分析的能力。2)WeMapWeMap屬于騰訊位置服務(wù)的一部分,是騰訊面向智慧產(chǎn)業(yè)的數(shù)字地圖“底座”,依托長期的游戲技術(shù)積累及游戲渲染引擎,實現(xiàn)了對建筑物、道路、綠地、水系等要素的高逼真美化,并具備對環(huán)境、光照、陰影等的超強還原能力,能夠真實呈現(xiàn)日夜、光照、天氣變化下的城市環(huán)境。知識鏈接3)華為河圖(Cyberverse)華為河圖致力打造地球級的、不斷發(fā)展的、與現(xiàn)實無縫融合的數(shù)字新世界。其功能包括識物百科、識人辨人、識字翻譯、識車安保、3D地圖識別等,其應(yīng)用場景包括景區(qū)景點、博物館、智慧園區(qū)、機場、高鐵站、商業(yè)空間等公共場所,為游客提供導(dǎo)覽服務(wù)。4)百度地圖慧眼百度地圖慧眼是百度地圖推出的一款商業(yè)地理智能數(shù)據(jù)平臺,是城市人口與地理大數(shù)據(jù)服務(wù)專家,百度地圖慧眼基于百度地圖海量位置大數(shù)據(jù)、地理大數(shù)據(jù)及路況大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源,通過人工智能技術(shù),打造城市大數(shù)據(jù)分析平臺。百度地圖慧眼用億萬大數(shù)據(jù)助力城市規(guī)劃、地產(chǎn)研究、零售選址、政府管理等行業(yè)。知識鏈接單元二高精度定位技術(shù)概述一、定義1.定位技術(shù)分類隨著城市車輛數(shù)量的日益增加,城市道路規(guī)劃也趨于復(fù)雜化,定位需求更加精細(xì)化。目前的定位技術(shù)按照定位原理可分為以下兩大類。1)絕對定位絕對定位又稱單點定位,是指在一個待測點上,用一臺接收機獨立跟蹤GPS衛(wèi)星,測定待測點的絕對坐標(biāo)。單點定位一般采用偽距測量,其位置是由已知位置的衛(wèi)星或者基礎(chǔ)設(shè)施地標(biāo)確定的。絕對定位一般用于對導(dǎo)航和精度要求不高的場景。2)相對定位相對定位又稱差分定位,這種定位模式是指采用兩臺以上的接收機,同時對一組相同的衛(wèi)星進行觀測,以確定接收機天線間的相互位置關(guān)系。常用航位推算法,定位結(jié)果由之前已知的位置推導(dǎo)得出。知識鏈接2.高精度定位定義高精度定位是通過高精度的絕對參考系對車輛自身的絕對位置進行精準(zhǔn)判斷,從而確認(rèn)自動駕駛車輛自身確切位置的技術(shù)。其基于普通衛(wèi)星定位,采用信號增強系統(tǒng)將定位精度從米級提高至厘米級。高精度地圖憑借其厘米級的地圖信息,為智能駕駛車輛繪制出了一條“無形的軌道”。高精度定位確保車輛行駛不出軌。在高精度定位的協(xié)助下,車輛可對自身位置進行精準(zhǔn)定位,確保其實際位置與高精度地圖中顯示的位置一致,以更好地實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。知識鏈接二、原理普通衛(wèi)星定位需同時接收至少4顆衛(wèi)星信號,以確定經(jīng)度、緯度、高度和時間差4個變量,從而實現(xiàn)對位置的定位。但衛(wèi)星信號在穿越電離層和對流層時會產(chǎn)生一定波動,從而引起誤差,最終導(dǎo)致定位精度在米級,如圖3-13所示。圖3-13

定位誤差示意圖知識鏈接如圖3-14所示,地面增強基站使用RTK(Real-TimeKinematic)技術(shù)(實時動態(tài)載波相位差分技術(shù),是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法)計算衛(wèi)星定位誤差,并將誤差值發(fā)送至目標(biāo)終端以進行位置修正,從而提高定位精度,可將定位精度從米級增強至動態(tài)厘米級、靜態(tài)毫米級水平。圖3-14

高精度定位信號增強系統(tǒng)知識鏈接三、分類高精度定位技術(shù)是用于精確確定物體或位置坐標(biāo)的技術(shù)。目前主要分為衛(wèi)星定位、慣性定位、地圖匹配定位、視覺定位和多傳感器融合定位等。1.衛(wèi)星定位它是一種利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術(shù),如今,中國自主研發(fā)的全球定位系統(tǒng),實現(xiàn)了在任意時刻、在地球上任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星,以便實現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時等功能。2.慣性定位這是一種通過慣性測量組件測量載體的角速率和加速度信息,利用牛頓運動定律自動推算載體的瞬時速度和位置信息的技術(shù)。慣性定位具有不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干擾和隱蔽性好的特點。慣性導(dǎo)航車輛如圖3-15所示。圖3-15

慣性導(dǎo)航車輛知識鏈接3.地圖匹配定位地圖匹配定位首先利用車輛裝載的GNSS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem,INS)作出初始位置判斷,確定高精度地圖局部搜索范圍。然后,將激光雷達(dá)實時數(shù)據(jù)與預(yù)先制作好的高精度地圖數(shù)據(jù)變換到同一個坐標(biāo)系內(nèi)進行匹配,匹配成功后即可確認(rèn)車輛定位信息。地圖匹配定位原理如圖3-16所示。圖3-16

地圖匹配定位原理知識鏈接4.多傳感器融合定位多傳感器融合系統(tǒng)主要分為松耦合(LooselyCoupled)、緊耦合(TightlyCoupled)以及深耦合(DeepCoupling)等組合結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)多傳感器融合定位的算法有很多種,可概括為隨機類和人工智能類。隨機類主要有綜合估計法、貝葉斯推理、D-S證據(jù)理論、最大似然估計、貝葉斯估計、最優(yōu)估計、卡爾曼濾波及魯棒估計等。人工智能類主要有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器數(shù)據(jù)融合、基于模糊聚類的數(shù)據(jù)融合以及專家系統(tǒng)等。5.室內(nèi)定位室內(nèi)定位技術(shù)用于在建筑物內(nèi)實現(xiàn)高精度定位。這些技術(shù)包括WiFi定位、藍(lán)牙定位、超寬帶(UWB)定位和紅外線定位等。其中WLAN(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)定位技術(shù)是通過接收無線局域網(wǎng)發(fā)射的信號,計算設(shè)備與接入點之間的信號強度差,從而確定設(shè)備的位置。知識鏈接6.視覺定位計算機視覺和圖像處理技術(shù)可用于分析圖像和視頻以確定物體的位置。視覺定位通過圖像處理技術(shù),獲得類似于人類通過雙眼確定物體位置的能力,使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),將圖像所代表的三維矩陣信息反向傳播,轉(zhuǎn)換成想獲得的參數(shù),最終計算出視覺傳感器當(dāng)前的位置信息,如圖3-17所示,其定位精度與高精度地圖精度和視覺算法高度相關(guān),當(dāng)前整體定位精度較低。圖3-17

視覺定位示意圖知識鏈接7.路側(cè)定位

路側(cè)定位主要依賴路側(cè)單元為其提供絕對參考系,通過測量車輛與多個路側(cè)單元之間的距離對車輛位置進行推算。由于路側(cè)單元在開放道路上大范圍建設(shè)成本過高,因此當(dāng)前僅在隧道等少數(shù)場景下采用了路側(cè)定位技術(shù)。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)建設(shè)進度的不斷推進,路側(cè)定位在開放道路中大范圍使用的可能性亦在不斷增強。

綜合來看,各種高精度定位方式均有其各自的優(yōu)勢和局限之處。視覺定位憑借其低成本,有望在中低價位車型中廣泛應(yīng)用,高精度地圖的精度提升將帶動其定位的精度提升。

路側(cè)定位在開放道路中建設(shè)成本過高,發(fā)展進度較慢,但有望成為多車智能階段中重要的定位技術(shù)。習(xí)慣組合導(dǎo)航是當(dāng)下同時具備性能和成本優(yōu)勢的解決方案,有望在智能駕駛向3級及以上升級的過程中成為導(dǎo)航定位的首選。為了全天候、全時段都能獲得較好的定位精度,多定位技術(shù)融合有望成為智能駕駛定位導(dǎo)航功能的發(fā)展趨勢。知識鏈接一、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在各種定位方式中,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是目前最重要的一種。如圖3-18所示,它是一種能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GNSS系統(tǒng)不僅是國家安全和經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施,也是體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標(biāo)志。圖3-18

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)單元三高精度定位關(guān)鍵技術(shù)知識鏈接1.分類常見的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)有中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及歐洲空間局的伽利略(GALILEO)衛(wèi)星定位系統(tǒng)。除了上述四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)外,還包括區(qū)域系統(tǒng)和增強系統(tǒng)2.工作原理GNSS定位主要解決兩個問題:一是觀測瞬間衛(wèi)星的空間位置,二是測量站點與衛(wèi)星之間的距離?？臻g位置,即GNSS衛(wèi)星在某坐標(biāo)系中的坐標(biāo),為此首先要建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系來表征衛(wèi)星的參考位置,而坐標(biāo)往往又與時間聯(lián)系在一起,因此,定位是基于坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)來進行的。1)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運動、處理觀測數(shù)據(jù)和表達(dá)觀測站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)。根據(jù)應(yīng)用場合的不同,選用的坐標(biāo)系也不相同。一般分為地理坐標(biāo)系、慣性坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系。時間系統(tǒng)可分為世界時、力學(xué)時、原子時、儒略日、衛(wèi)星導(dǎo)航時間系統(tǒng)等。知識鏈接2)GNSS定位基本原理GNSS定位系統(tǒng)利用基本三角定位原理,GNSS接收裝置通過測量無線電信號的傳輸時間來測量距離。由每顆衛(wèi)星所在的位置和測量得到的每顆衛(wèi)星與接收裝置的距離,便可以計算出接收器所在位置的三維坐標(biāo)值。在實際使用中,GNSS接收裝置都是利用4個以上的衛(wèi)星信號來確定使用者所在的位置及高度的,分別以3個衛(wèi)星的位置為圓心,3個衛(wèi)星距地面某點距離為半徑作球面,則球面交點即為地面用戶位置,如圖3-19所示。圖3-19

三角定位原理知識鏈接如圖3-20所示,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量,包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差,在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響,在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱。雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差,主要部分定位精度將大大提高。圖3-20

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位原理知識鏈接GNSS定位,按定位方式分為單點定位和相對定位(差分定位),按接收機的運動狀態(tài)分為動態(tài)定位和靜態(tài)定位。單點定位是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式,它只能采用偽距觀測,可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位是確定測站點之間的三維或二維坐標(biāo)差在多個測站上進行同步觀測以測定測站之間相對位置的衛(wèi)星定位。采用載波相位測量可實現(xiàn)高精度的相對定位。(1)靜態(tài)相對定位。①定義:用兩臺接收機分別安置在基線的兩個端點,其位置靜止不動,同步觀測相同的4顆以上衛(wèi)星,確定兩個端點在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置。②定位原理:在一個范圍不大的區(qū)域內(nèi),同步觀測相同的衛(wèi)星,衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等,對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性,利用觀測量的不同線性組合,進行相對定位,就可以有效減弱上述誤差對定位的影響。知識鏈接③定位特點。在觀測過程中,接收機固定不動,這樣可以通過連續(xù)觀測取得足夠多的多余觀測數(shù)據(jù),提高定位精度。一般采用載波相位觀測值作為基本觀測量。載波頻率大、波長短,測量精度遠(yuǎn)高于測碼偽距測量。為提高精度,一般將觀測值進行求差,形成新的觀測值(虛擬觀測值),以此消除衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等的影響。其優(yōu)點是消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響,如衛(wèi)星軌道誤差、鐘差和大氣折射誤差等。缺點是靜態(tài)相對定位的觀測每個點需要30min以上,而且數(shù)據(jù)需要測后處理,因此無法進行導(dǎo)航。（2)動態(tài)相對定位。①定義:用一臺接收機安置在基準(zhǔn)站上固定不動,另一臺接收機安置在運動載體上,兩臺接收機同時觀測相同衛(wèi)星,以確定運動點相對于基準(zhǔn)站的實時位置。②分類:根據(jù)觀測量的不同,分為以測碼偽距為觀測量的動態(tài)相對定位和以測相偽距為觀測量的動態(tài)相對定位。知識鏈接③定位原理:通常采用無源定位方式,即依靠定位接收機接收來自多顆衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號進行定位。相對定位可以消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響,如衛(wèi)星軌道誤差、鐘差和大氣折射誤差等,而絕對定位受衛(wèi)星軌道誤差、鐘同步誤差及信號傳播誤差等因素的影響,精度只能達(dá)到米級。因此相對定位方法是當(dāng)前GPS測量定位中精度最高的一種方法。3)RTK定位原理RTK是高精度相對定位的常用手段之一,一般利用基準(zhǔn)站和流動站的載波相位觀測值組成雙差模型進行定位,可以得到厘米級的實時定位精度,目前已廣泛應(yīng)用于工程測量等領(lǐng)域。RTK能夠在野外實時得到厘米級定位精度,它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法,是GNSS應(yīng)用的重大里程碑。4)PPK定位原理PPK即動態(tài)后處理技術(shù),是對RTK技術(shù)的補充,利用進行同步觀測的一臺基準(zhǔn)站接收機和至少一臺流動接收機對衛(wèi)星的載波相位觀測量,然后在計算機中利用GPS處理軟件進行線性組合,形成虛擬的載波相位觀測量值,確定接收機之間厘米級的相對位置,最后,通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動站在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。知識鏈接3.應(yīng)用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用途廣泛,從應(yīng)用的角度至少可分成以下10類。(1)地理數(shù)據(jù)采集。地理數(shù)據(jù)采集是GNSS最基本的專業(yè)應(yīng)用,用來確認(rèn)航點、航線和航跡。GIS數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品正在成為滿足各行業(yè)對空間地理數(shù)據(jù)需求的常用工具。(2)航空服務(wù)。GNSS具有連續(xù)的全球覆蓋能力,相對于陸基導(dǎo)航系統(tǒng),有無法比擬的優(yōu)越性和安全性。(3)航海。差分GPS廣泛應(yīng)用于沿岸、進港以及內(nèi)河行駛的船只,精度可達(dá)到2~3m。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機與無線通信手段集成后,該系統(tǒng)便成為一個位置報告系統(tǒng)和緊急救援系統(tǒng)。(4)通信。(5)人員跟蹤(6)消費娛樂。(7)測繪。(8)授時。作為時間同步裝置,特別是作為交易處理定時(如在ATM機中)和通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,目前廣泛應(yīng)用在天文臺、通信系統(tǒng)基站和電視臺中。(9)車輛監(jiān)控管理。(10)汽車導(dǎo)航與信息服務(wù)。知識鏈接二、全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)是應(yīng)用最為廣泛、歷史最為悠久的一種全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。該系統(tǒng)由美國從20世紀(jì)70年代開始研制,當(dāng)時的主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù),并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通信等一些軍事目的。GPS是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng),它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。它利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行測時和測距,具有在海、陸、空全方位實時三維導(dǎo)航與定位的能力。它是繼阿波羅登月計劃、航天飛機后的美國第三大航天工程,已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最實用且應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)?，F(xiàn)在,GPS衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)每秒都會傳輸高分辨率、高精度的位置和定時數(shù)據(jù),從而可以在世界各地進行無數(shù)次精確導(dǎo)航、測量、車輛控制和同步操作。知識鏈接1.組成GPS由空間部分(導(dǎo)航衛(wèi)星)、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分三大部分組成,如圖3-21所示。圖3-21

GPS組成知識鏈接1)空間部分(導(dǎo)航衛(wèi)星)如圖3-22所示,空間部分起初由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成,分布在20200km高的6個軌道平面上,24顆衛(wèi)星以55°的軌道傾角繞地球運行,形成6個地球橢圓軌道面,每個軌道面上都有4顆衛(wèi)星。各軌道平面的升交點赤經(jīng)相差60°,一個軌道平面上的衛(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°。如圖3-23所示,GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形,兩側(cè)有太陽能帆板,能自動對日定向。太陽能電池為衛(wèi)星提供工作用電。每顆衛(wèi)星都配備有多臺原子鐘,可為衛(wèi)星提供高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星上帶有燃料和噴管,可在地面控制系統(tǒng)的控制下調(diào)整自己的運行軌道。GPS衛(wèi)星的基本功能為接收并存儲來自地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航電文和在原子鐘的控制下自動生成測距碼和載波。圖3-22

GPS空間部分圖3-23

GPS衛(wèi)星知識鏈接2)地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分是指GPS的地面監(jiān)測和控制系統(tǒng),如圖3-24所示。它包括主控站(MCS)、衛(wèi)星監(jiān)測站(監(jiān)控站)和上行信息注入站(又稱地面天線)以及把它們聯(lián)系起來的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。地面控制段主要收集在軌衛(wèi)星運行數(shù)據(jù)、計算導(dǎo)航信息、診斷系統(tǒng)狀態(tài)、調(diào)度衛(wèi)星。衛(wèi)星上的各種儀器設(shè)備是否正常工作,以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運行,都要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制。它的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn),即GPS時間系統(tǒng),這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的星載原子鐘信息,求出鐘差,然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星,衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。圖3-24

GPS地面監(jiān)測和控制系統(tǒng)知識鏈接(1)主控站。負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個地面控制系統(tǒng)的工作。主要任務(wù)是收集并處理各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù),包括各監(jiān)測站測得的距離、距離差、氣象要素、衛(wèi)星時鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)以及監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等,根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時鐘改正值、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正值,并按一定格式編制成導(dǎo)航電文,傳送到注入站。(2)注入站。地面天線在主控站的控制下,向衛(wèi)星注入導(dǎo)電位用于捕獲衛(wèi)星和接收衛(wèi)星定位信息,即輻射和接收電磁波,將來自衛(wèi)星的無線電信號的電磁波能量轉(zhuǎn)換成接收電子設(shè)備能夠吸收并施加的電流,即能量轉(zhuǎn)換。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入衛(wèi)星,每天對每顆GPS衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的信息注入。(3)衛(wèi)星監(jiān)測站。衛(wèi)星監(jiān)測站是數(shù)據(jù)自動收集中心,監(jiān)控整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常,檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確,監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出。調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星,將偏離軌道的衛(wèi)星“拉回”到正常軌道位置。監(jiān)控站為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù),每個監(jiān)測站均用GPS信號接收機測量每顆可見衛(wèi)星的偽距和距離差,采集氣象要素等數(shù)據(jù),并將它們發(fā)送給主控站。監(jiān)控站安裝有高精度原子鐘、高精度GPS用戶接收機,收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù),同時對接收的衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進行初步處理并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。(4)通信輔助系統(tǒng)。通信輔助系統(tǒng)主要進行數(shù)據(jù)傳輸。知識鏈接3）用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備主要由GPS接收機、衛(wèi)星天線及GPS數(shù)據(jù)處理軟件組成。它的主要功能是根據(jù)一定的衛(wèi)星截止角捕獲被測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行情況。(1)GPS接收機。GPS接收機的主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號,并跟蹤衛(wèi)星運行;對所接收的GPS信號進行變換、放大和處理;測量出信號傳播的時間,解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文;實時計算出測站的三維信息甚至三維速度和時間。圖3-25所示為GPS接收機實物。(2)GPS數(shù)據(jù)處理軟件。GPS數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是對GPS接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,并對處理的結(jié)果進行平差計算、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和分析綜合處理,計算出用戶所在位置的三維坐標(biāo)、速度、方向和精確時刻等。圖3-25

GPS接收機實物知識鏈接2.GPS信號及定位原理1)GPS信號(1)GPS的信號結(jié)構(gòu)如圖3-26所示。每個GPS衛(wèi)星播發(fā)一組信號,每組信號包括兩個不同頻率的載波信號(L1和L2)、兩個不同的測距碼信號(C/A碼調(diào)制在L1載波上,P碼或Y碼同時調(diào)制在L1及L2載波上)以及衛(wèi)星的軌道信息。(2)C/A碼(粗碼、捕捉碼)。頻率為1.023MHz,僅在L1載波上作調(diào)變,每1023位重復(fù)一次,以1MHz的資料作調(diào)度,一般提供給民間使用。但基于國家安全考慮,美國國防部刻意以無線電信號干擾衛(wèi)星上的原子鐘,并宣告一些不準(zhǔn)確的軌道參數(shù)來造成定位誤差。這就是所謂的SA(SelectiveAvailability)效應(yīng)。圖3-26

GPS的信號結(jié)構(gòu)知識鏈接(3)P碼(Y碼、精碼)。頻率為10.23MHz,每7天重復(fù)一次,可同時采用L1及L2載波,主要提供軍事用途。P碼的頻率大約是C/A碼的10倍,不但更為精確,也更不易被干擾。(4)M碼除了IIR衛(wèi)星,2005年發(fā)射了波音IIF衛(wèi)星。IIF批次衛(wèi)星除發(fā)射增強的L1、L2民用信號和M碼外,將在1176.45MHz增加第3個民用信號(L5),位于960~1215MHz。L2載波上增加的第二個民用信號是L2C,能補償大氣傳輸不穩(wěn)定性,提高民用導(dǎo)航精度到3~10m。知識鏈接2)GPS定位原理(1)距離測定原理。測距方式分為C/A碼測距和L1/L2測距。①隨機測距碼。每一衛(wèi)星播發(fā)一個偽隨機測距碼信號,該信號大約每1ms播發(fā)一次;接收儀同時復(fù)制出一個同樣結(jié)構(gòu)的信號并與接收到的衛(wèi)星信號進行比較,如圖3-27所示。由信號延遲時間推算出衛(wèi)星至接收儀的距離,接收儀時鐘應(yīng)與衛(wèi)星鐘校時。②載波相位測距。信號量測精度優(yōu)于波長的1/100,載波波長(L1=19cm,L2=24cm)比C/A碼波長(C/A=293m)短得多,如圖3-28所示。所以,GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)高得多的定位精度。圖3-27偽隨機測距碼信號圖3-28

載波相位測距知識鏈接(2)點位測定原理。GPS定位原理是根據(jù)三角測量定位來實現(xiàn)的,并且同時利用相關(guān)技術(shù)獲取觀測值。衛(wèi)星鐘用來控制衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機信號,本地時鐘用來控制用戶接收機的偽隨機信號,兩者之間有比較大的時差。GPS用戶終端可以同時跟蹤4顆GPS衛(wèi)星,并捕獲其信號,這里將兩時鐘之間的時差作為未知量,使其和觀測點坐標(biāo)共同組成一個四元方程組,所得的解就是觀測點的經(jīng)緯度坐標(biāo)和時差,使用這種方法進行定位可以得到較高的定位精度。衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息,用戶接收到這些信息后,經(jīng)過計算求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。具體計算過程如下。地球表面的任何一個位置,都有它的三維坐標(biāo),也就是經(jīng)度、緯度和高程。GNSS衛(wèi)星也有自己的三維坐標(biāo)。把整個空間看成一個坐標(biāo)系,可以畫一個立方體。立方體的兩個對角,分別是用戶和衛(wèi)星,如圖3-29所示。ΔL地球用戶

(r

,

y

,

Z)y

,Z

)衛(wèi)星圖3-29

偽距示意圖知識鏈接根據(jù)立體幾何知識,衛(wèi)星和用戶之間的距離ΔL通常稱為偽距觀測量(也稱偽距)。此觀測值稱為偽距的原因:第一,它是以地表和衛(wèi)星之間的距離為變量的函數(shù);第二,由于大氣效應(yīng)和時鐘誤差的影響,與實際的距離之間存在偏差。計算方法如下衛(wèi)星的坐標(biāo)是(x′,y′,z′),這是已知的。用戶的坐標(biāo)是(x,y,z),這是未知的。與此同時,衛(wèi)星可以給用戶終端發(fā)信號,信號的傳輸速度幾乎等同于光速c。而衛(wèi)星上面有精度極高的原子鐘,時間是t。假設(shè)用戶終端的時間是t′,衛(wèi)星和用戶之間的距離ΔL又可以通過如下公式算出ΔL=(t-t′)·c兩個公式一合并,就變成了(t-t′)·c=(x-x′)2+(y-y′)2+(z-z′)2一個公式里有4個未知數(shù)(x,y,z,t),再找3個衛(wèi)星的坐標(biāo)值,組成4個四元方程就能得到x,y,z。這就是一個用戶終端要想解算出自己的準(zhǔn)確位置,必須有至少4顆衛(wèi)星的原因。知識鏈接(3)差分GPS。目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度優(yōu)于10m,而為了得到更高的定位精度,通常采用差分GPS技術(shù)。相對定位(差分定位)是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法。如圖3-30所示,將一臺GPS接收機安置在基準(zhǔn)站上進行觀測,根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo),計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù),并由基準(zhǔn)站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時,也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù),并對其定位結(jié)果進行改正,從而提高定位精度。3.GPS的特點(1)覆蓋范圍廣。(2)定位精度高。(3)功能多樣。(4)操作便捷。(5)抗干擾能力強。(6)全天候工作。(7)實時定位。(8)三維定位能力。(9)用戶端的高效性。知識鏈接三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1.建設(shè)原則(1)自主:堅持自主建設(shè)、發(fā)展和運行北斗系統(tǒng),具備向全球用戶獨立提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的能力,體現(xiàn)了中國人自力更生、艱苦奮斗的工作作風(fēng)。(2)開放:免費提供公開的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù),鼓勵開展全方位、多層次、高水平的國際交流與合作。(3)兼容:提倡與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開展兼容與互操作,鼓勵國際交流與合作,致力于為用戶提供更好的服務(wù)。(4)漸進:分步驟推進北斗系統(tǒng)建設(shè),持續(xù)提升北斗系統(tǒng)服務(wù)性能,不斷推動衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。知識鏈接2.發(fā)展歷程北斗系統(tǒng)走過了不同尋常的發(fā)展歷程,如圖3-32所示,也形成了偉大的“北斗精神”,那就是“自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代精神。以國為重是“北斗精神”的社會主義核心價值觀。(1)20世紀(jì)后期,中國開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路,逐步形成了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。(2)建設(shè)北斗二號系統(tǒng)。北斗二號系統(tǒng)在兼容北斗一號系統(tǒng)技術(shù)體制基礎(chǔ)上,增加無源定位體制,為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務(wù)。(3)建設(shè)北斗三號系統(tǒng)。知識鏈接3.特點北斗三號系統(tǒng)繼承北斗有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制,能夠為全球用戶提供基本導(dǎo)航(定位、測速、授時)、全球短報文通信、國際搜救服務(wù),中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報文通信、星基增強、精密單點定位等服務(wù)。作為聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會認(rèn)定的供應(yīng)商之一的北斗系統(tǒng)有以下特殊之處。(1)沒有通信盲區(qū),覆蓋范圍大。北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座,抗遮擋能力強,尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。每小時可以供全球范圍內(nèi)540000用戶使用。(2)定位精度準(zhǔn)確,更新快。水平精度為100m(1σ),設(shè)立標(biāo)校站之后為20m(類似差分狀態(tài)),工作頻率為2491.75MHz。(3)功能更全。北斗系統(tǒng)同時具備定位與通信功能,用戶終端具有雙向報文通信功能。(4)保密性強。(5)精密授時。北斗系統(tǒng)可向用戶提供20~100ns時間同步精度。圖3-32

北斗系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略示意圖知識鏈接4.應(yīng)用強大的功能使北斗系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用,主要體現(xiàn)在大眾應(yīng)用、行業(yè)及區(qū)域應(yīng)用方面。北斗系統(tǒng)在大眾服務(wù)方面發(fā)展前景廣闊。如圖3-33所示,基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)已被電子商務(wù)、移動智能終端制造、位置服務(wù)等廠商采用,廣泛進入中國大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領(lǐng)域,深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。其在交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信系統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,融入國家核心基礎(chǔ)設(shè)施,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。目前,北斗系統(tǒng)可以為全世界各種用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和定時服務(wù),具有短消息通信能力,最初提供了區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓投〞r功能,定位精度為10m,測速精度為0.2m/s,定時精度為10ns。全世界一半以上的國家都開始使用北斗系統(tǒng),這一足以彪炳史冊的偉大成就,離不開“北斗人”的無私奉獻(xiàn),以及他們身上閃耀著的新時代“北斗精神”。圖3-33

北斗系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖知識鏈接5.組成北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成,如圖3-34所示?？臻g段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星等組成。地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站,以及星間鏈路(星間鏈路是航天器與航天器之間具有數(shù)據(jù)傳輸和測距功能的無線鏈路,解決了衛(wèi)星運行到地面站無法觀測的位置時的數(shù)據(jù)接收和處理問題)運行管理設(shè)施。用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品,以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。1)北斗系統(tǒng)的空間段北斗系統(tǒng)空間段由35顆衛(wèi)星組成,其中地球靜止軌道衛(wèi)星5顆,中地軌道衛(wèi)星27顆,傾斜同步軌道衛(wèi)星3顆。5顆地球靜止軌道衛(wèi)星的固定位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地軌道衛(wèi)星運行在3個軌道面上,軌道面均勻分布120°。圖3-34

北斗系統(tǒng)組成知識鏈接2)北斗系統(tǒng)地面段地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站,以及星間鏈路運行管理設(shè)施,用來追蹤及控制北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)。地面段主要任務(wù)是監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài),調(diào)度衛(wèi)星,通過收集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算導(dǎo)航信息,修正與維護每顆衛(wèi)星的各項參數(shù)數(shù)據(jù)等,使空間星座的衛(wèi)星能正常運行。（1）

主控站:用于系統(tǒng)運行管理和控制,接收來自監(jiān)測站的數(shù)據(jù)并對其進行處理,生成衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息,形成衛(wèi)星導(dǎo)航電文,向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文參數(shù),監(jiān)測衛(wèi)星有效載荷等。（2）時間同步/注入站:根據(jù)主控站的統(tǒng)一調(diào)度,完成主要任務(wù),包括衛(wèi)星導(dǎo)航電文參數(shù)注入、與主控站的數(shù)據(jù)交換、時間同步測量等。

(3)監(jiān)測站:連續(xù)跟蹤監(jiān)測導(dǎo)航衛(wèi)星,用于接收衛(wèi)星信號并將其發(fā)送到主控站進行衛(wèi)星監(jiān)測,提供觀測數(shù)據(jù),生成導(dǎo)航電文,以確定衛(wèi)星軌道并為時間同步提供觀測數(shù)據(jù)。知識鏈接3)北斗系統(tǒng)的終端產(chǎn)品(用戶段)用戶段由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。用戶段包括基礎(chǔ)產(chǎn)品、終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。其中,基礎(chǔ)產(chǎn)品包括兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等。用戶終端主要追蹤北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號,通過對接收機所在位置的坐標(biāo)、移動速度及時間的實時計算,服務(wù)于各領(lǐng)域的需求,滿足行業(yè)需要。知識鏈接6.原理北斗系統(tǒng)的定位原理是利用多顆衛(wèi)星分布在不同的軌道上,通過衛(wèi)星和地面接收機之間的信號交互,來計算出接收機的位置信息。在北斗系統(tǒng)中,有兩種類型的衛(wèi)星:一種是地球同步衛(wèi)星(GEO),另一種是地球非同步衛(wèi)星(MEO)。地球同步衛(wèi)星處于地球赤道附近的軌道上,它們的軌道周期恰好與地球自轉(zhuǎn)周期相等,因此它們相對于地面固定不動。地球非同步衛(wèi)星則分布在不同的軌道上,既包括傾斜軌道,也包括近地點和遠(yuǎn)地點離地球赤道較遠(yuǎn)的軌道。北斗系統(tǒng)利用這些衛(wèi)星的分布來提供導(dǎo)航定位服務(wù)。當(dāng)用戶需要定位時,接收機會向所有可見的衛(wèi)星發(fā)送信號請求。衛(wèi)星接收到信號后,會將接收時間和衛(wèi)星位置信息編碼成導(dǎo)航信號,通過衛(wèi)星廣播發(fā)送回地面。接收機接收到多個衛(wèi)星的導(dǎo)航信號后,根據(jù)接收時間和衛(wèi)星位置信息來計算出自身的位置。知識鏈接北斗系統(tǒng)定位的核心原理是基于三邊測量原理和時間測量原理。三邊測量原理是指通過接收到至少3顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號,可以確定接收機與這些衛(wèi)星之間的距離。利用三邊測量原理,可以將接收機所在的位置確定在一個球面上。而時間測量原理是指根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信號和接收機接收這些信號的時間差,計算出信號在空間中的傳播時間,從而得知接收機與衛(wèi)星之間的距離。為了提高定位的準(zhǔn)確性,北斗系統(tǒng)采用了差分定位技術(shù)。差分定位是指將一個已知位置的接收機作為參考站,與待定位的接收機進行無線電信號傳輸和數(shù)據(jù)處理,通過比較兩者之間的差異來糾正待定位接收機的位置偏差。通過差分處理,可以顯著提高定位的精度,特別是在誤差積累較大的情況下。除了定位功能,北斗系統(tǒng)還提供時間同步功能。北斗系統(tǒng)的每一顆衛(wèi)星上都搭載了高精度原子鐘,可以提供高精度的時間信號。用戶可以通過接收衛(wèi)星的導(dǎo)航信號來獲取衛(wèi)星發(fā)射信號的時間信息,并與本地鐘進行同步,從而實現(xiàn)時間的精確同步。知識鏈接四、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.概述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是人類最早發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。早在1942年,德國在V2火箭上就首先應(yīng)用了慣性導(dǎo)航技術(shù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種利用慣性敏感器件、基準(zhǔn)方向及最初的位置信息經(jīng)過積分和運算來確定運載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。1)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理慣性導(dǎo)航涉及力學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)、測試技術(shù)、精密機械技術(shù)等,是一門綜合性很強的應(yīng)用技術(shù)。具體來說,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航系統(tǒng),如圖3-37所示,即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動載體航向角和速度推算出下一點的位置,因而可連續(xù)測出運動體的當(dāng)前位置。圖3-37

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)推算方法知識鏈接慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導(dǎo)航坐標(biāo)系,使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中,可以測量瞬時角速率或角位置信息,提供各軸(及其上加速度計)在各時刻的方向從而給出航向和姿態(tài)角。如圖3-38所示,慣性導(dǎo)航計算載體的空間位置和速度,并且通過IMU提供的三軸角速度數(shù)據(jù)估計車輛姿態(tài),如側(cè)傾、俯仰和航向等。圖3-38慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用知識鏈