智能汽车高精度定位的应用

顾颖虹

（中移（上海）信息通信科技有限公司 上海市 201206）

1 引言

近年来，我国工业化、城镇化进程不断加快，汽车保有量也不断增加，伴随而来的城市交通拥堵加剧、道路交通事故频发和环境污染等一系列问题日益凸显，不仅给人们日常出行和城市可持续发展带来严峻挑战，也严重阻碍了我国汽车工业的低碳化健康发展。智能汽车作为从安全、高效、节能多角度解决这一矛盾的创新途径，已成为全球汽车产业发展的战略方向[1]。智能汽车是指搭载先进车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、云等）智能信息交互与共享的新一代汽车[2]。它既是传统技术的继承与发展，又是许多新兴科学技术应用的结晶。在推进汽车智能化和网联化的诸多技术中，高精度定位技术是智能汽车具备复杂环境感知、规划决策和控制执行的关键基础，是车辆安全行驶的重要保障。根据2021 年8 月20 日最新发布的推荐性国家标准《汽车驾驶自动化分级》（GB/T 40429-2021）中定义[3]：自L3 级起，智能汽车逐渐由系统执行全部动态驾驶任务以及最小风险策略，因此智能汽车对高精度定位需求日益增长，迫切要求定位技术进行技术革新，如何确保定位系统在智能驾驶所需的场景下持续输出高可用定位信息是一种全新的挑战。

目前智能汽车常用的定位传感器主要包括全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、毫米波雷达、激光雷达、摄像头和惯性导航系统等[4]。其定位方面的特点如表1 所示，普通的卫星定位精度一般在米级，更新频率较低，并且定位信号受隧道、建筑物遮挡而影响；毫米波雷达探测距离远，但存在探测角度小的问题，需要安装多个毫米波雷达才能实现对车辆周边整体环境的探测，相应成本也随之提高；激光雷达的波长接近雾霾颗粒尺寸，因而雨雪、大雾、积水等恶劣条件下，检测精度将大幅下降，同时部件易磨损，相应维护成本也投入较大；摄像头对于光线比较敏感，在强光或黑夜条件下无法有效识别文字、颜色和图案信息，成本低但精度一般；惯性导航系统可在一定时间内高频输出较高精度的定位信息，成本低但其定位误差会随惯性导航系统运行时间累积和剧增。

表1：智能汽车常用传感器定位特点

由于不同传感器均存在性能边界，因此L3 级及以上智能汽车需采用多传感器数据融合的方案来提升定位精度和可靠性[4]。其中卫星定位起着基础性作用，一方面，相较基于毫米波雷达、摄像头的特征匹配定位技术，基于卫星的定位技术成本低且不受天气、光线等影响；另一方面，基于卫星的定位技术属绝对定位技术，可输出基于统一坐标体系下的位置信息，无论智能汽车采用何种多源融合定位技术方案，初始的高精度绝对位置信息是最基本、且必不可少的参数。

综上所述，开展可用于智能汽车的卫星定位技术显得尤为重要。本文首先结合智能汽车高可用且连续的精准定位需求，系统梳理适用于智能汽车的卫星定位及增强技术原理及特性；并进一步提出基于卫星定位的智能汽车高精度定位解决方案，同时对该方案的应用优势、关键技术服务过程展开讨论；最后总结并展望智能汽车在北斗高精度定位服务技术与新一代通信技术能力融合背景下的发展前景。

2 智能汽车卫星定位及增强技术

智能汽车要实现精确的位置感知，GNSS 在其中扮演着不可或缺的重要支撑作用，能够24 小时为用户提供三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统[5]。目前全球GNSS 主要包括美国的全球定位系统（GPS，Global Position System）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS，Global Navigation Satellite System）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo，Galileo Navigation Satellite System）以及中国的北斗卫星导航系统（BDS，BeiDou Navigation Satellite System），整体形成“1+3”的市场格局[6]。其中，我国的北斗系统已具备向全球提供无源服务的能力，在亚太地区具备了与GPS 相当的定位能力[7][8]。智能汽车与固定区域封闭场景的车辆不同，其运行区域不受地域限制，传统卫星定位难以满足智能汽车的定位需求，需以各类增强技术以提升。现阶段可用于智能汽车中卫星定位增强技术主要可分为三类，即差分定位技术、伪卫星定位技术以及辅助GNSS 技术。

2.1 差分定位技术

差分定位技术是一种用以提高定位精度的相对定位技术，主要原理是在一定地域范围内利用两台接收机（基准站接收机与流动站接收机）同时观测卫星信号，通过误差的空间相关性进行差分计算以消除或削弱两站接收机间的公共误差（钟差、星历误差、电离层误差和对流层误差）部分，从而提高了接收机定位精度[9]。一般情况下，基准站与流动站的距离直接影响差分结果，距离越近，测量误差相关性就越强。目前差分定位技术已经历三个阶段的技术演进，逐渐步入第四阶段，即第一阶段以伪距差分（RTD, Real Time Differential）为代表，也称为码差分，可达亚米级的定位精度；第二阶段以载波相位实时差分（RTK, Real Time Kinematic）为代表，可达厘米级的定位精度，但需额外架设基站，作业方式不灵活；第三阶段以网络RTK（NRTK, Network Real Time Kinematic）为代表，基于组建的连续运行参考站网系统（CORS, Continuously Operating Reference Stations），进行站间星间的差分解算，建立区域的局部大气误差模型，实现流动站实时动态高精度相对定位，可达厘米级的定位精度。相对于常规RTK，网络RTK 无需另架设基站，作业方式更为灵活、覆盖范围更广且运维成本低。第四阶段以PPPRTK（Precise Point Positioning-Real Time Kinematic）技术为代表，综合了PPP 和RTK 的技术优势，可实现广域范围、无源和实时的高精度定位，是未来高精度卫星定位的一种发展趋势[10]。一般网络RTK 基准站点间距离为30-60km 左右，PPP-RTK 技术所需基准站点间距离约为100-200km[11][12]。

目前，国内主流高精度定位服务商中国移动、千寻位置、六分科技均已在全国建立基准站，能够支持NRTK，提供观测域改正服务（OSR, Observation Space Representation）和状态空间域改正服务（SSR, State Space Representation）。

2.2 伪卫星技术

伪卫星技术又称陆基卫星技术，其功能原理与导航在轨卫星类似，主要包括接收机、发射机和天线[13]。卫星定位精度与可靠性取决于跟踪的可见卫星数据量及几何构型，无论差分技术如何进行演进，也很难克服诸如峡谷、隧道和室内等比较苛刻观测环境下可视卫星数量少和几何布局欠佳所带来的定位条件缺陷。伪卫星因其灵活性，因此恰好是解决上述问题的有效技术之一。通过布设伪卫星，可在不利观测条件下，改善卫星几何构型，减少卫星失锁情况发生，从而提升卫星定位精度和可靠性。另外，在无卫星信号覆盖的区域，也可独立使用伪卫星技术实现定位[14]。

由于伪卫星具备发出与导航在轨卫星相同格式电文的能力，车载定位终端或者模组无需改造或适配即可支持伪卫星定位。但如果要实现伪卫星定位，需要提前部署伪卫星系统。

2.3 辅助GNSS技术

辅助GNSS 技术（A-GNSS, Assisted GNSS）又称卫星定位辅助服务或加速定位服务。其工作原理是利用GNSS 以外的无线电通信系统提供辅助信息，提升卫星导航信号的搜索跟踪性能与速度，在半开阔区域或受到一定遮挡的情况下实现卫星导航定位，从而使用户获得更好的定位服务体验[15][16]。该技术所提供的辅助信息包括参考时间、参考位置、卫星星历、卫星钟校正模型及大气传播时延校正模型和差分校正信息等。终端基于提供的辅助信息可预先知道捕获频率范围、卫星星历等，一旦捕获目标卫星信号后，立即进行伪距测量和位置计算。由于避免了芯片从导航卫星获取导航电文的冗长时间，可以明显缩短首次定位时间——从分钟级缩短至秒级[17]。虽然GNSS 接收机仍然需要获取卫星信号进行定位，但是与没有辅助信息的情况相比，接收信号的速度更快，而且可以接收处理更加微弱的信号。

3 智能汽车高精度定位解决方案

本章针对智能汽车的高精度定位提出了一种新的解决方案，将卫星定位及增强技术应用于智能汽车，由定位服务商提供云端高精度定位服务以及可集成至整车终端硬件的高精度定位服务引擎构成，实现云端一体的高精度定位服务。如图1 所示，该方案的高精度卫星定位以遍布全国的超高密度的地基增强站为基础，以辅助GNSS 技术，解决卫星信号微弱环境下的定位问题，提高定位灵敏度，缩短终端首次的定位时间，用以改善智能汽车驶出地库长时间不定位的导航体验；基于伪卫星定位技术改善苛刻观测条件下的可视卫星数和几何构型，提升在行驶过程中隧道、地库等的定位可用性；利用云端播发平台提供的观测域改正服务和状态域改正服务校准初始位置，实现开阔条件下动态厘米级定位。高可用的绝对位置信息可显著提高智能汽车融合高精度系统的冗余度和容错性，在雨雪天气或道路环境发生巨大变化时依然能够输出高精度且可靠的定位信息，从而保证决策的快速性和正确性。

图1：基于卫星定位及增强技术的智能汽车云端一体高精度定位方案

辅助GNSS 服务的主要过程包括：集成在高精度定位服务引擎的A-GNSS 算法向高精度定位播发平台发起通信，申请加速定位服务，并从4G/5G 蜂窝通讯模块获取当前与之通讯的基站小区码Cell ID, 地区区域码LAC（Location Area Code），上传到差分定位网络服务器；播发平台接受请求后，差分定位网络服务器根据基站小区码选择终端相对应的星历、时间、位置等辅助定位信息并下发；A-GNSS 算法将接收到的辅助定位信息转换成芯片通信格式，通过总线注入卫星定位芯片，以缩短终端首次定位所需时间。

差分定位服务的主要过程包括：高精度定位服务引擎的差分网络服务接入模块使用定位服务商提供的账号信息连接改正数播发服务器，改正数播发服务器向鉴权服务器发出请求，鉴权完成后与播发平台建立长连接并基于Ntrip 协议（Ntrip，Networked Transport of RTCM via Internet Protocol）进行数据传输[18]。卫星定位芯片上传初始概略位置数据至高精度定位服务引擎的差分网络服务接入模块，差分网络服务接入模块通过4G/5G 蜂窝网络将概略位置数据传输至高精度定位服务播发平台，高精度定位服务播发平台基于自建的CORS 系统计算车载终端所处位置的预期观测误差，并播发该概略位置数据对应的观测域改正数至差分网络服务接入模块并注入卫星定位芯片，卫星定位芯片接收改正数后，使用自带的差分解算算法计算出高精度的绝对定位信息。此外，若在近海或者偏远地区，基准站网覆盖稀疏或未连续覆盖时，高精度定位服务引擎直接通过4G/5G 网络或者通信卫星L波段获得高精度定位服务播发平台广播的精密轨道、精密钟差、相位小数、大气模型等误差改正数，基于PPP 算法计算出高精度的绝对定位信息，并进一步输入至后续的惯导融合模块。

此外，由于高精度定位服务引擎直接集成至自动驾驶域，整体涉及智能汽车功能安全，需符合ISO26262、预期功能安全（SOTIF，Safety Of The Intended Functionality）、汽车软件过程改进及能力评定（ASPICE，Automotive Software Process Improvement and Capacity Determination）等一系列车规级标准[19]，因此智能汽车的高精度定位服务除开从提升定位的精度及可用性方面满足，需进一步探索提供可信定位服务。该服务主要针卫星定位信号极易被干扰的问题，对于智能汽车系统而言，如何确定获得的定位信息未被攻击或干扰并且可信任输出的定位结果极为关键。定位服务商可基于全国范围内的大批量测试结果，获得不同时间的位置数据、定位精度、定位时间，并进一步进行空间聚合及加权平均后形成不同时间段的车道级定位态势。按照目前L3 级及以上自动驾驶车辆的定位精度要求，当车辆平面精度小于10cm且高程精度小于20cm 时，卫星定位可靠性高，可信任卫星定位方式，所以主要筛选解状态为固定解时的位置数据作为主要数据来源。具体业务应用时，结合高精度地图，作为可信因子分发给自动驾驶域控制器。当智能车辆定位精度在阈值内时，判断可以使用卫星定位方式；当智能车辆定位精度不在阈值范围内时，初步判断当前卫星定位因受干扰或欺骗而不可信，需切换至其他定位模式。同时平台端将当前路段卫星定位不可用的预警信息发送给当前位置周边的所有车辆。可信定位服务一方面有效支持智能汽车在不同场景下定位模式的自适应切换，同时也可避免启用所有定位方式从而降低车辆计算单元的运算负荷。

4 总结与展望

汽车的电动化、智能化、网联化、共享化正在加速下一代汽车产业变革的到来，智能汽车已经进入技术快速演进、产业加速布局的新阶段。目前，我国自主建设、独立运行的北斗系统已全面建成并向全球提供服务，各行各业均在大力推广北斗系统的应用，智能汽车即是北斗系统大众化应用的重要领域之一。常规卫星定位技术所提供的米级定位能力足以支持智能汽车车载娱乐系统的导航功能，但L3 级及以上智能汽车从人决策更迭至由机器决策车辆的动态驾驶任务，整体涉及汽车功能安全，对高精度定位带来全天候、全场景且高精度高可靠的定位需求，该车规级的高精度定位技术尚未得到广泛应用，并存在多种技术路线之争[20][21]。文章围绕卫星定位及增强技术，提出的云端一体的智能汽车高精度定位服务方案，通过云端平台的解算服务提升定位服务性能，重点考虑了智能汽车在冷启动时及卫星失锁后的首次定位时间，开阔环境下的定位精度提升，通过面向第四代的星地一体化GNSS 增强技术，解决当多个CORS 站网间存在覆盖盲区时，网络RTK 难以实现连续服务的问题，基本实现了“可用PNT 信息”的弹性集成[22]，可提供更为弹性的高精度定位服务，即有密集基准站与网络RTK 相当、无密集基准站与PPP 相当，并在无网络场景下，支持RTK 模式平滑切换到PPP 模式，可以满足智能汽车高精度、高可用且连续、快速收敛等复杂场景的定位需要。然而，智能汽车在中国的落地必须满足和适应我国的交通基础设施和信息通信基础设施使用和管理要求，包括交通法规、信息通信标准、信息安全与数据管理等[19]，因此高精度定位技术的研究内容远不止于此，例如定位服务的可信度方面还需进一步明确指标，智能车主的个人位置数据的安全保护也极有必要从技术层面进行深度探索。

随着5G 大规模商用，5G 网络提供的超大带宽、超低时延和海量连接通信能力正与北斗能力多维融合，旨在建设更加泛在、更加智能、更加安全的时空感知网络[23]。面向2030 年及未来，下一代移动通信技术6G 的研究探索已开启，将以空天地一体化网络中的新型组网技术，进一步扩展网络覆盖的广度和深度，实现从万物互联，到万物智联，支撑智能体高效联接的跃迁，满足经济社会高质量发展需求。借此新浪潮契机，智能汽车技术将不断向前发展并突破当前面临的诸多关键技术瓶颈，最终实现“安全、高效、舒适、节能”的美好出行愿景。