8 月 25 日，由蓋世汽車主辦、中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟自動駕駛地圖與定位工作組協(xié)辦的“2020 第二屆自動駕駛地圖與定位大會”隆重召開。本次會議主要聚焦高精地圖、高精度定位等自動駕駛關(guān)鍵技術(shù)，共探產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展之路。下面是u-blox中國區(qū)資深市場經(jīng)理梅景浩在本次論壇上的發(fā)言。

首先我介紹一下u-blox，u-blox是一家總部在瑞士的公司，已經(jīng)成立20多年了，在全球有1千多名員工，它是以GPS的產(chǎn)品起家，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了三條產(chǎn)品線，一個是定位產(chǎn)品線，一個是移動通信產(chǎn)品線，還有一個是短距離產(chǎn)品線，這三條產(chǎn)品線都在汽車上有廣泛的應(yīng)用，其中應(yīng)有最多的是我們的定位產(chǎn)品，到2019年我們的定位接收機總計銷售了5億片。

我們今天來討論一下GNSS的精度主要來自于哪里。這里有一個比較簡單的關(guān)于定位原理的描述，左邊和右邊分別有一個信號發(fā)射塔，發(fā)射出來信號就是圖上藍色的箭頭，右邊的發(fā)射塔發(fā)射出來一個橘黃色的信號，這兩個信號都會被接收機接收到，當(dāng)這兩個塔同時發(fā)射信號的時候， 接收機接收到信號會出現(xiàn)時間差，這就表征了接收距離上的差值。根據(jù)這個差值， 并且當(dāng)我們已知這兩個發(fā)射塔位置的時候，就可以根據(jù)右下角的公式算出來接收機的位置。 當(dāng)然這里是一維的結(jié)果。 這就是定位最基本的原理。 現(xiàn)在我們GPS的定位是這樣算的，包括手機無線定位也是這樣的原理，現(xiàn)在各種室內(nèi)定位方案也是根據(jù)信號傳輸時間來做的。

再進一步解釋一下GNSS定位系統(tǒng)，因為它要在一個3D空間里面去找到它的經(jīng)度緯度以及它的海拔高度，同時因為GPS接收機并不知道自己準確的時間，所以說還有一個時間的差值，總共有4個未知數(shù)，那至少需要有4顆衛(wèi)星來列帶有4個未知數(shù)的方程，獲得一個準確的定位解。 但是在實際的應(yīng)用中， 因為天上的衛(wèi)星距地球的高度是非常高的，衛(wèi)星的高度在2萬公里以上，那意味著什么呢？它們的高度是地球的赤道周長的一半還要多，所以衛(wèi)星信號到達地面的時候，它的功率是非常低的。低到什么程度呢？低到現(xiàn)在手機信號的萬分之一甚至更低，這樣的話就對GPS的信號接收造成了比較大的挑戰(zhàn)。如果要達到一個比較高的定位精度的話，單靠4顆衛(wèi)星是很難的，通常需要更多的衛(wèi)星才能達到比較高的精度。

這里我們說一下GNSS是如何在這么弱的信號下面來獲取位置的。 首先是發(fā)射端的信號，它經(jīng)過了擴頻，變成了1.023Mbps的碼流，然后在1.5G上面進行調(diào)制。 接收端是一個逆向的過程，BPSK信號經(jīng)過解調(diào)， 恢復(fù)出基帶信號， 1.023Mbps，利用這個碼元， 在碼相位上面進行追蹤，這樣的話就可以得到比較準確的時間信息，利用時間信息和時間信息的差值，我們可以算出來接收機的位置。

這里有一個問題就是在GPS的信號結(jié)構(gòu)中，一個碼源的長度對應(yīng)的時間是比較短的，但是因為光速很高， 碼元換算出來距離的話就變得非常長，293米。 我們利用相位跟蹤技術(shù)，可以做到GPS的精度是3米左右，這也是傳統(tǒng)的手機以及車載導(dǎo)航里面的定位精度，這是GPS本身設(shè)計的精度。 但是這個精度對于自動駕駛是不夠的，我們用一個3米左右的尺子去量我們的道路，這樣顯然不夠，必須要做到分米級的定位精度。

這個時候我們必須要在其他的地方想辦法，我們的GNSS專家們想出來的辦法就是載波技術(shù)，一個1.5G載波的波長大概是19厘米，在載波上做相位追蹤可以做到更高的精度，就是我們常說的厘米級精度。但是剛才我們有提到過， 之所以要用擴頻技術(shù)是因為我們的信號接收功率是非常低的，如果不做擴頻的話很難達到好的效果。如果我們在載波這一級進行計算， 就沒有擴頻的優(yōu)勢了，擴頻的增益就全都沒有了。所以通過載波雖然解決了定位精度的問題，也必然引入另外一個問題， 就是信號強度，要在信號比較好的時候才能把載波恢復(fù)出來。

剛才我們討論的是GPS怎么樣才能達到一個更好的解析度，除此以外GPS本身在整個傳輸過程當(dāng)中并不是很理想，存在各種各樣的傳輸誤差，我們把誤差做了一個總結(jié)，大概分為兩部分，第一部分是共性的誤差，就是和衛(wèi)星發(fā)射相關(guān)的誤差，這是肯定會遇到的。 其中一個是衛(wèi)星軌道的誤差，衛(wèi)星軌道會有漂移，這個誤差大概在2.5米左右，同時衛(wèi)星上發(fā)射信號的時鐘也會有一些誤差，這個誤差大概在1.5米。

衛(wèi)星發(fā)射之后會經(jīng)過地球大氣層，大氣層中會有兩個方面的誤差，一個是由于電離層造成的誤差，電離層就是地球的外層大氣受到太陽風(fēng)的影響，被太陽風(fēng)電離形成了一個電離層，它很高，并且是在不斷變化的，因為太陽風(fēng)在不斷變化，各個區(qū)域是不均勻的，當(dāng)前位置的電離層可能和幾十公里外的電離層不一樣，它的誤差大概在5米左右。另外就是對流層，這個層也會帶來一些誤差，主要是因為天氣現(xiàn)象帶來的折射和延遲造成的，它在1米左右，這些誤差在一定的范圍之內(nèi)是均勻的，我們可以說是在幾十平方公里的一個范圍內(nèi)是比較均勻的。

還有一部分是跟微觀環(huán)境相關(guān)的誤差，一個是由于地形地貌導(dǎo)致的多徑誤差，這個是導(dǎo)航和自動駕駛中主要考慮的因素，因為它的誤差比較大，而且在城市環(huán)境中這個誤差很難避免，誤差范圍可能在2到20米，有的情況下甚至可以到達上百米。 另外一個是接收機的噪聲，一個好的接收機噪聲可能在0.5米左右，這是我們現(xiàn)在對系統(tǒng)中誤差的分析。

總結(jié)一下，首先要能達到比較高精度要用載波技術(shù)。同時為了獲得更高精度我們必須盡量減少這里所列出的誤差。

我們來看看如何解決第一部分這些通用誤差，通用誤差的解決方法一般分為兩大類，一類是OSR， 也就是觀測域的校正服務(wù)，現(xiàn)在大家比較熟悉的RTK服務(wù)就是屬于這一類。 這一類的它的做法是什么呢？首先在地面上建很多個觀測站，這些觀測站的位置是已知的，根據(jù)這些已知的觀測站接收下來信號，就知道衛(wèi)星信號傳輸?shù)臅r候它應(yīng)該的傳輸時間和實際觀測到的傳輸時間，這兩個傳輸時間的差值就是修正信息，這就是常見RTK方法。這個做法是比較簡單粗暴一點的，直接就把所有的誤差放在一起，不區(qū)分誤差是由衛(wèi)星引起的還是其他引起的，就放在一起形成一個修正數(shù)據(jù)，針對每個衛(wèi)星的修正數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到移動端，移動端不管是車還是其他的設(shè)備， 把誤差進行修正，就可以得到一個比較高精度的定位。

這個辦法是比較簡單有效的，但是有一個要注意的問題，因為它是區(qū)域性， 只給出當(dāng)前位置對流層、電離層的狀態(tài)修正值是怎么樣的，它無法給出針對比較大區(qū)域的修正值。 也就意味著，當(dāng)一個車開幾百公里的時候必須要經(jīng)過多個不同的參考站進行修正，這個時候車必須要把自己的位置上報給RTK服務(wù)，RTK服務(wù)給出來針對當(dāng)前位置定制化的修正數(shù)據(jù)， 所以負荷比較大。 比如說上海這樣的大型城市里面有那么多車在走，可能對于通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器定制化的數(shù)據(jù)發(fā)送都會造成比較大的壓力。另外一個遇到的問題是覆蓋度。 在人員密集的地方應(yīng)該沒問題，基本上都會覆蓋到。但是在人員不是那么密集的地方，第一個是RTK本身基站的覆蓋可能不是很完整的，移動新網(wǎng)絡(luò)的覆蓋也不一定完整，這兩者都會造成缺失RTK的修正數(shù)據(jù)。

除了OSR的方式以外還有另外一種方式，我們叫它SSR，是針對狀態(tài)空間域的修正。 它對于整個區(qū)域范圍、整體狀態(tài)做一個描述。 它同樣要建一些基站，比RTK要少不少，SSR服務(wù)商會根據(jù)這些基站來綜合建立一個比較寬泛的范圍中，比如說整個中國的修正模型，把這個模型的參數(shù)提取出來，通過IP網(wǎng)絡(luò)或者通過衛(wèi)星進行廣播撥發(fā)。 它不再是定制化的數(shù)據(jù)，而是普適的，對于整個區(qū)域都是有效的數(shù)據(jù)。在接收機端通過L-band衛(wèi)星接收機把所有的參數(shù)接收后， 代入模型去恢復(fù)出來當(dāng)前接收機位置所需要的數(shù)據(jù)進行修正，可以得到一個比較準確的位置。

SSR的好處是覆蓋比較好，進行衛(wèi)星信號廣播就可以覆蓋廣大的區(qū)域。其次它也可以做到比較準確的精度，不需要雙向通信，對于隱私起到了保護的作用。 現(xiàn)在，它有一個還不是很好的地方，就是每一家SSR服務(wù)商提供的模型和算法都是自有的，不像RTK一樣有一個通用的接口格式。

根據(jù)SSR服務(wù)播發(fā)的數(shù)據(jù)，它可以分為PPP、PPP-AR和PPP-RTK，PPP-AR是全球的覆蓋方案，它的定位時間大概在30分鐘左右，可以達到的精度是20厘米。 PPP-RTK比較適合我們現(xiàn)在自動駕駛應(yīng)用，實現(xiàn)大陸級的覆蓋，能夠在10秒鐘左右做到5到20厘米的定位精度，這個我們認為在汽車上面是足夠的。

所以說我們認為PPP-RTK是比較適合車載的SSR服務(wù)。針對這一技術(shù)我們推出了我們的NEO-D9S的接收機，它能夠接收到L-band衛(wèi)星信號，根據(jù)不同的參數(shù)配置可以接收不同頻段的信號， 配置起來很靈活。 同時它的尺寸比較小，功耗也比較低，比較適合大規(guī)模的市場應(yīng)用。

接下來看一下在自動駕駛的場景下面，整個接收機的框架大概是什么樣子的。這里首先是一個SSR的校正服務(wù)，校正服務(wù)可以通過Internet或者衛(wèi)星廣播出去，D9S接收機將衛(wèi)星廣播的信號進行接收，送到應(yīng)用處理器里面去做模型恢復(fù)和算法計算，然后把得到的修正數(shù)據(jù)傳送給GNSS接收機。 GNSS接收機可以利用這個數(shù)據(jù)獲得高精度定位。這是在衛(wèi)星信號比較好但是通信網(wǎng)絡(luò)信號不是很好的情況下使用。 如果在一個城市環(huán)境中， 遮擋比較厲害，這時可能移動通信網(wǎng)絡(luò)的效果更好，我們可以用移動網(wǎng)絡(luò)將信號接收下來，做相同的解碼和定位操作。 這樣比較適合自動駕駛系統(tǒng)，因為校正數(shù)據(jù)有比較好的的覆蓋， 不同傳輸方式互為備份。

我們剛才討論了通用的誤差修正，而在一個城市環(huán)境里面，在一些比較有挑戰(zhàn)的環(huán)境下面，如何解決多徑誤差呢？ 前面提到過， 對于RTK或者SSR算法來說要達到高精度必須要用到載波相位，必須用非常好的信號。 第一個它的信號強度要高，第二它不應(yīng)該是一個經(jīng)過反射的信號，經(jīng)過反射以后信號就不準了，信號的傳輸距離變了。另外一個要求是雙頻信號，這樣對它的定位精度和收斂時間都是有比較大的幫助。

現(xiàn)在市面上有兩種方案，一種是L1+L2的雙頻方案，一種是L1+L5的雙頻方案，我們推薦的是跨越了L2和L5的option A方案。 在L2上面它接收了GPS和GLONASS的衛(wèi)星， 這里有兩點提到的，在GLONASS的信號里面只有L2信號，而沒有L5信號的，對于GPS來說L2的信號是比較成熟的，L5的信號還在建設(shè)中，所以L2的信號更多一些。在L5上面 我們支Galileo的E5b和北斗的B2I以及我們未來會支持的B2b信號。通過這樣的一個option A，其實我們可以達到4個系統(tǒng)里面每個系統(tǒng)都是雙頻信號進行接收的，這樣接收的衛(wèi)星數(shù)量可以達到最多。

在典型的城市環(huán)境下，RTK要做到直射的信號達到9個甚至更多，這樣才能達到比較良好的接收效果。我們計算了一下在歐洲的城市環(huán)境下面，不是很高的樓那種環(huán)境，我們能夠看到天上的衛(wèi)星數(shù)量：

曲線上面的這一條淺紅色是我們現(xiàn)在的option A能夠接收到的衛(wèi)星數(shù)量，這個里面還不包括今年北斗會正式運營的B2b信號，等到北斗B2b信號出來了以后整體的衛(wèi)星數(shù)量還要比現(xiàn)在的這一條線更高一些。下面的紅線是option B，它是L1+L5的方案，這里面缺乏了一部分的GPS雙頻信號全部GLONASS的雙頻信號，這樣對于高精度的RTK不是非常友好。

這里面很多人會問兩個問題。第一個問題就是為什么大家都在問L5的信號？我覺得L5的信號大家知道比較多是從手機先開始的，因為手機是在碼相位那一級進行處理，L5上面的確會有一些幫助，但是對于RTK來說，是否L5并不重要。 它必須要用直射信號，它對于碼相位并不是很關(guān)心，它要用載波相位，這個時候我們覺得第一重要的還是衛(wèi)星的數(shù)量，尤其是城市環(huán)境下面，受遮擋環(huán)境下面的雙頻衛(wèi)星數(shù)量，因為城市環(huán)境下衛(wèi)星數(shù)量是不足的。

同時還有另外一個問題，是不是衛(wèi)星數(shù)量越多越好呢？可以說衛(wèi)星數(shù)量的確是越多越好，但是這個里面也有邊際效應(yīng)的考慮。 如果衛(wèi)星數(shù)量超過了一定的數(shù)值，比如說超過20個，我們統(tǒng)計下來衛(wèi)星數(shù)量增加帶來的效益是可以忽略不計的，這個時候我們要去選取那些信號最好的衛(wèi)星以及它的幾何構(gòu)形，就是在天上分布，最優(yōu)的衛(wèi)星，這樣可以提高定位精度。所以通過我們的頻段和星系的選擇可以部分解決城市道路的遮擋問題。

這里我們有一個測試數(shù)據(jù)，這是我們在歐洲做的測試，在一個稍微開闊一點的城市環(huán)境里面做的測試，右圖是我們現(xiàn)在北斗在全球的覆蓋，在中國、歐洲以及美洲絕大部分的地區(qū)達到了6顆或者以上的衛(wèi)星， 可以做到基本的定位了，所以說北斗全球覆蓋其實是蠻好的。 我們在歐洲做測試的時候可以看出來如果GPS+GLONASS和GPS+GLONASS+Galileo+北斗進行對比的話，這個區(qū)別還是很明顯的。不僅定位精度了有了提升， RTK fix rate有了明顯的提升。 所以我們推薦盡量用多系統(tǒng)解決方案， 尤其是北斗和Galileo兩個新系統(tǒng)， 很多人現(xiàn)在覺得這兩個系統(tǒng)還沒有完善， 但實際使用中的效果非常好。

除了多星系多頻段意外， 我們還在系統(tǒng)里增加了慣導(dǎo)方案，通過使用陀螺儀， 加速計， 輪速脈沖和我們專有的汽車動態(tài)模型， 這樣的慣導(dǎo)方案可以在信號比較弱和信號中斷的情況下持續(xù)獲得車道級的定位，這就是我們的ZED-F9K解決方案，外面的展臺有相關(guān)的介紹，大家可以去參考一下。

這里是我們有一個在不同場景下面的測試數(shù)據(jù)，我們的ZED-F9K在開闊環(huán)境下可以達到一個厘米級的定位精度，CEP95是0.13米，這個對于自動駕駛肯定是足夠了的。在城市環(huán)境下是在歐洲的一個小鎮(zhèn)上面，當(dāng)?shù)氐慕ㄖ锎蟾旁谖辶鶎?，但是建筑物之間的距離比較窄，大概就是雙向單車道，再加上旁邊人行道這樣的寬度，所以說天空的可視度并不是很高，這樣的環(huán)境下可以看到CEP 95是在0.54米， 也是可以支持自動駕駛的。

最右邊一張圖是在巴黎的現(xiàn)代化區(qū)域，那邊的GPS信號其實很多時候是受遮擋非常嚴重的，沒有辦法進行定位的，這個時候我們會切換到純慣導(dǎo)的定位，CEP95精度是1.7m，這個時候綜合其他的視覺或者是高精度地圖的輔助融合定位算法， 也可以很好的進行定位。

綜合一下，通過我們的多星多頻GNSS系統(tǒng)和慣導(dǎo)，配合地基或者星基增強服務(wù)，我們u-blox可以提供整體的解決方案，做到一個自動駕駛可用的分米級車道定位。
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