2.4 定位系統(tǒng)

智能駕駛汽車需要通過定位技術(shù)準(zhǔn)確感知本車在全局環(huán)境中的相對位置，以及所需要行駛的速度、方向、路徑等信息。定位技術(shù)主要有衛(wèi)星導(dǎo)航定位、車載導(dǎo)航定位、蜂窩無線定位等，其中衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由于具有覆蓋全球的優(yōu)點(diǎn)，所以非常適用于智能駕駛領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GALILEO）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。

2.4.1 GPS和北斗

GPS是由美國國防部研制建立的具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度特點(diǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息，是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范。

GPS的定位原理是根據(jù)三角測量定位來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)利用相關(guān)技術(shù)獲取觀測值。在相關(guān)接收中，衛(wèi)星時(shí)鐘用于控制衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機(jī)信號，本地時(shí)鐘用于控制用戶接收機(jī)的偽隨機(jī)信號，兩者之間有較大的時(shí)差。GPS用戶終端可以同時(shí)跟蹤4顆GPS衛(wèi)星并捕獲其信號，那么，將兩個(gè)時(shí)鐘之間的時(shí)差作為未知量，使其和觀測點(diǎn)坐標(biāo)共同組成一個(gè)四元方程組，方程組的解就是觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和時(shí)差，通過這種方法進(jìn)行定位可以得到較高的定位精度。這個(gè)觀測值通常被稱為偽距觀測量，其原因是：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(shí)鐘誤差的影響，測量結(jié)果與實(shí)際的距離之間存在偏差。

GPS的主要特點(diǎn)包括：① 能夠?qū)崿F(xiàn)全球、全天候的導(dǎo)航定位服務(wù)，因?yàn)镚PS衛(wèi)星的數(shù)目較多且分布均勻，所以保證了在地球上的任何地方、任何時(shí)間都至少可以同時(shí)觀測到4顆GPS衛(wèi)星；② 覆蓋范圍廣，能夠覆蓋全球98%的范圍，可滿足位于全球各地或近地空間的軍事用戶連續(xù)、精確地確定三維位置、三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和時(shí)間的需要；③ 定位精度高，GPS的相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)6～10m，在100～500km之間可達(dá)7～10m，在1000km可達(dá)9～10m；④ 觀測時(shí)間短，20km以內(nèi)的相對靜態(tài)定位僅需15～20分鐘；在采取快速靜態(tài)相對定位模式測量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距15km以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測時(shí)間僅需1～2分鐘；采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式測量時(shí)，每站觀測僅需幾秒鐘；⑤ 可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)，可同時(shí)精確測定測站平面位置和大地高程；⑥ 測站之間無須通視，只要求測站上空開闊，這既可大大減少測量工作所需的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，也使得選點(diǎn)工作更靈活，可省去經(jīng)典測量中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)等測量工作。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力，具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，定位精度為10m，測速精度為0.2m/s，授時(shí)精度為10ns。

北斗一代和北斗二代定位系統(tǒng)都采用偽距法進(jìn)行導(dǎo)航定位。由于北斗一代系統(tǒng)觀測量較小且工作方式為有源定位，所以北斗一代與北斗二代在定位原理和精度上有所不同。北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理是基于三球交匯原理，以兩顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為球心，球心至用戶的距離為半徑，可畫出兩個(gè)球面，用戶終端必然位于這兩個(gè)球面交線的圓弧上。第三個(gè)球面以地心為球心，畫出以用戶所在位置點(diǎn)至地心的距離為半徑的球面，三個(gè)球面的交匯點(diǎn)即為用戶位置。而北斗二代是典型的RNSS系統(tǒng)，它的定位原理與GPS類似，至少需要4顆衛(wèi)星。

全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)比較如表2-3所示。相比于GPS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢主要是在城市高遮擋區(qū)域的信號可用度更高，且首次定位時(shí)間更快。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可以直接授時(shí)，同時(shí)具備短報(bào)文通信功能。目前，大部分智能駕駛汽車的衛(wèi)星定位接收機(jī)都支持北斗/GPS雙模制式，可以充分利用兩套衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的優(yōu)勢和衛(wèi)星資源，精度和可靠性更高，同時(shí)兩套系統(tǒng)的定位結(jié)果也可以進(jìn)行互相驗(yàn)證。在汽車應(yīng)用市場，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步完善和終端價(jià)格的逐步降低，北斗/GPS雙模制式的汽車定位導(dǎo)航產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。

2.4.2 差分定位技術(shù)

為了進(jìn)一步提高GPS定位精度，可以采用差分定位技術(shù)進(jìn)行智能駕駛汽車的定位。差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Position System，DGPS）在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)，使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的定位精度。

GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測值來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還必須知道用戶時(shí)鐘差。因此，要獲得地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對4顆衛(wèi)星進(jìn)行測量。在此定位過程中，可能產(chǎn)生三類誤差：第一類是用戶接收機(jī)所共有的誤差，如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二類是不能由用戶測量或由校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差；第三類是用戶接收機(jī)所固有的誤差，如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

差分全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖如圖2-6所示，采用一臺基準(zhǔn)站接收機(jī)（基準(zhǔn)站）和一臺移動(dòng)站接收機(jī)（用戶接收機(jī)），利用差分定位技術(shù)，第一類誤差可以被完全消除；第二類誤差可以被消除大部分，消除程度主要取決于基準(zhǔn)站接收機(jī)和用戶接收機(jī)的距離；第三類誤差則無法被消除。

根據(jù)基準(zhǔn)站發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，可將差分定位技術(shù)分為三類，即位置差分定位、偽距差分定位和載波相位差分定位。這三類差分定位技術(shù)的工作原理相同，即由基準(zhǔn)站發(fā)送修正數(shù)據(jù)，由移動(dòng)站接收數(shù)據(jù)并對其測量結(jié)果進(jìn)行修正，以獲得更精確的定位結(jié)果；不同的是，發(fā)送修正數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容不一樣，相應(yīng)的差分定位精度也不同。

（1）位置差分。

位置差分是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)都可被改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在軌道誤差、時(shí)鐘誤差、大氣影響、多徑效應(yīng)和其他誤差，解算出的基準(zhǔn)站觀測坐標(biāo)與基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)是不一樣的。將觀測坐標(biāo)與已知坐標(biāo)之間的差值作為修正值，利用基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將此修正值發(fā)送給移動(dòng)站，并對移動(dòng)站坐標(biāo)進(jìn)行修正。修正后的移動(dòng)站坐標(biāo)已經(jīng)消除了基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的共同誤差，從而提高了定位精度。位置差分方法適用于當(dāng)移動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的距離小于100km時(shí)，即移動(dòng)站和基準(zhǔn)站觀測到的是同一組衛(wèi)星。

（2）偽距差分。

偽距差分是目前應(yīng)用得最廣泛的一種技術(shù)。幾乎所有的商用DGPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。利用基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出基準(zhǔn)站與衛(wèi)星之間的計(jì)算距離，將計(jì)算距離與觀測距離之差作為修正值，發(fā)送給移動(dòng)站，移動(dòng)站利用該修正值來更正測量的偽距。最后，移動(dòng)站利用修正后的偽距計(jì)算出自身位置，就可以消除公共誤差，從而提高定位精度。

與位置差分相似，偽距差分能將基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的公共誤差抵消，但隨著移動(dòng)站到基準(zhǔn)站之間距離的增加，又會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分方法都無法消除。用戶移動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間的距離對定位精度有決定性影響。利用偽距差分方法，定位精度可達(dá)到分米級。

（3）載波相位差分。

載波相位差分技術(shù)又稱RTK（Real Time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）技術(shù)，它建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站的載波相位的基礎(chǔ)上，與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈及時(shí)將其載波觀測值和基準(zhǔn)站的坐標(biāo)信息一同傳送給移動(dòng)站。移動(dòng)站接收衛(wèi)星的載波相位和來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。載波相位差分技術(shù)能實(shí)時(shí)提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，定位精度可達(dá)到厘米級。

實(shí)現(xiàn)載波相位差分的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分原理相同，即基準(zhǔn)站把載波相位修正值發(fā)送給移動(dòng)站，以修正其載波相位，之后求解坐標(biāo)；后者把基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給移動(dòng)站進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者是準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者才是真正的RTK技術(shù)。

RTK技術(shù)屬于廣域定位技術(shù)，對周邊障礙物和天氣狀況不敏感，但必須要求能夠接收到有效的BDS/GPS信號，因此，RTK定位常在隧道、高樓等嚴(yán)重遮擋的環(huán)境下失效。此外，RTK定位還要求車輛與RTK差分基準(zhǔn)站必須能夠?qū)崟r(shí)通信，進(jìn)行位置數(shù)據(jù)解算，這就要求在車輛運(yùn)行環(huán)境中需要提前設(shè)置RTK差分基準(zhǔn)站。通常單個(gè)基準(zhǔn)站覆蓋范圍只有數(shù)十千米，這也限制了RTK技術(shù)的推廣應(yīng)用。對于RTK定位的這些問題也存在一些解決辦法，在有隧道、高樓遮擋的情況下，可采用高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對車輛本身位置進(jìn)行預(yù)測與保持，在車輛速度、方向等不發(fā)生劇烈變化的條件下，定位精度保持時(shí)間可達(dá)數(shù)分鐘。

2.4.3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航依據(jù)牛頓慣性原理，利用慣性測量單元來測量移動(dòng)載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運(yùn)算得到速度和位置信息，從而達(dá)到對移動(dòng)載體導(dǎo)航定位的目的。慣性導(dǎo)航屬于一種推算導(dǎo)航方式，即從一個(gè)已知點(diǎn)的位置出發(fā)，根據(jù)連續(xù)測得的移動(dòng)載體航向角和速度推算出下一個(gè)點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出移動(dòng)載體的當(dāng)前位置。慣性測量單元中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向角和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測量移動(dòng)載體的加速度，經(jīng)過對時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對時(shí)間的一次積分即可得到距離。

慣性測量單元的優(yōu)點(diǎn)包括：不依賴于任何外部信息，不向外部輻射能量，不受外界電磁干擾的影響；可全天候、全時(shí)間段地工作于空中、地球表面乃至水下；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、噪聲低；數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。慣性測量單元也存在一些缺點(diǎn)：由于導(dǎo)航信息是經(jīng)過積分而產(chǎn)生的，定位誤差隨時(shí)間增加而增大，長期精度差；每次使用前需要較長的初始對準(zhǔn)時(shí)間；設(shè)備價(jià)格較昂貴；不能給出時(shí)間信息。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供移動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，是完全自主的導(dǎo)航方式，但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航定位誤差會(huì)隨著時(shí)間增加而越來越大。GPS具有定位精度高和測速精度高的優(yōu)勢，而且基本不受時(shí)間、地區(qū)的限制。但是在衛(wèi)星信號受到屏蔽或遮擋時(shí)，接收機(jī)就無法定位。這兩者的組合不僅可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，而且隨著組合程度的加深，組合導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS/GPS+INS）的定位效果至少不會(huì)比各自獨(dú)立系統(tǒng)的定位效果差。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)按照信息交換或組合程度的不同，可分為松耦合和緊耦合。松耦合以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作時(shí)，衛(wèi)星信號用于導(dǎo)航信息的最優(yōu)估計(jì)，并用最優(yōu)估計(jì)結(jié)果反饋修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，使其保持高精度；當(dāng)衛(wèi)星信號不可用時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)單獨(dú)工作，輸出慣性導(dǎo)航解。這種組合方案目前已經(jīng)在車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，結(jié)果表明：在衛(wèi)星信號工作良好的區(qū)域或短時(shí)間“丟星”或失鎖時(shí)，該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出精度都較高。但是，當(dāng)載體進(jìn)行高動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)或衛(wèi)星接收機(jī)受環(huán)境干擾影響而長時(shí)間不能工作時(shí)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度將隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加而急劇降低，可靠性和抗干擾能力較差。相比松耦合而言，緊耦合為雙向信息傳輸，即一方面衛(wèi)星信號用于修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，另一方面慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信號在衛(wèi)星星歷的輔助下，也可以計(jì)算移動(dòng)載體相對于衛(wèi)星的偽距和偽距率，并用該信息輔助衛(wèi)星信號的接收和碼環(huán)鎖相過程。能夠增強(qiáng)衛(wèi)星信號的快速捕獲能力和抗干擾能力，提高接收機(jī)的精度、動(dòng)態(tài)性和可靠性，在衛(wèi)星信號可觀測數(shù)據(jù)少于4顆星時(shí)，仍然能夠輸出有效信息。

目前，國內(nèi)和國外的智能駕駛研究領(lǐng)域多數(shù)都采用了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航相組合的方式，從而實(shí)現(xiàn)智能駕駛汽車的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航。另外，還可以從慣性導(dǎo)航（慣導(dǎo)）系統(tǒng)中獲取車輛的姿態(tài)數(shù)據(jù)和較為準(zhǔn)確的速度、加速度等數(shù)據(jù)。

2.4.4 姿態(tài)感知

智能駕駛汽車的姿態(tài)感知主要包括車身位姿和車身狀態(tài)感知。車身位姿主要指智能駕駛汽車的側(cè)傾角和俯仰角。通常采用慣導(dǎo)或陀螺儀等來測量這些參量。慣導(dǎo)可以與GPS接收設(shè)備相結(jié)合，GPS定位信息可以對慣導(dǎo)的積分偏離做出實(shí)時(shí)校正，慣導(dǎo)可以對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾分析，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

車身狀態(tài)主要包括車輛的行駛速度、縱向加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、橫向加速度、節(jié)氣門開度、當(dāng)前擋位、制動(dòng)燈狀態(tài)、制動(dòng)主缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水溫等狀態(tài)信息。其中與智能駕駛汽車研究密切相關(guān)的信息有車輛的行駛速度、縱向加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、節(jié)氣門開度、制動(dòng)燈狀態(tài)和制動(dòng)主缸壓力。對車輛進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，就必須獲取這些關(guān)鍵的車輛狀態(tài)信息，其中部分信息可以直接從車輛CAN總線上讀取。