現有的定位技術可分為室外定位技術和室內定位技術。室外定位技術包括傳統的衛星定位、雷達定位、慣導定位(IMU)、蜂窩移動網絡定位等。室內定位技術則包括WLAN定位、Zigbee定位、藍牙定位、UWB定位、紅外定位、計算機視覺定位、超聲波定位等。
要實現車輛的自動駕駛,要解決在哪里(初始位置)和要去哪里(目標位置)的問題,因此自動駕駛離不開定位,要實現高級別自動駕駛還需要達到厘米級精度的定位。高精度定位技術對于L3以上自動駕駛的實現至關重要。
自動駕駛高精度定位從定位方式上可分為三類:
第一類,基于信號的定位,代表性技術有GNSS、UWB、5G等;
第二類,航跡推算,依靠IMU等,根據上一時刻的位置和方位推斷現在的位置和方位;
第三類是環境特征匹配,基于Lidar、視覺等傳感器的定位,用觀測到的特征和數據庫里存儲的特征進行匹配,得到現在車輛的位置和姿態。
來源:百度Apollo公開課
基于信號的定位技術中,GNSS和4G/5G一般用于戶外定位, UWB一般用于室內定位。
來源:5GPPP
綜合對比各種自動駕駛定位技術,人口稠密地區的L4/L5自動駕駛的最佳定位技術方案有兩種,一種是5G定位方案,另一種是汽車傳感器融合定位方案(radar+camera+lidar+map)。
在人口稀少地區,不適合大規模鋪設5G基站,將主要依靠衛星定位技術。
GNSS的定位精度在米級,離自動駕駛的要求甚遠。衛星定位要做到厘米級,就需要做GNSS校正,糾正電離層導致的定位錯誤,通常采用RTK(Real Time Kinematic 載波相位差分)的方式。隨著技術的不斷發展,RTK技術已由傳統的1+1或1+2發展到了廣域差分系統,有些城市建立起CORS(Continuous Operational Reference System)系統,這就大大提高了RTK的測量范圍。
通過在地面大量建立固定的參考站(CORS站)來校正衛星定位測量時的誤差,叫做“地基增強”。基于北斗的千尋位置系統,已在全國建設了超過2400個地基增強站,總用戶量已突破1.9億。
地基增強的精度雖然很高,但覆蓋范圍卻有一定限制。定位目標必須處在通信信號覆蓋的范圍之內,但在通信信號難以覆蓋的高空、海上、沙漠和山區,則形成了大范圍的定位盲區。為了解決更大范圍的高精定位需求,人們把從參考站獲取到的校正參數上傳至衛星,再通過衛星向全球播發。這樣,用戶終端不必再受到通信能力的限制。這種校正方式叫星基增強。
地基增強系統(CORS)有很多技術缺陷,除了通訊受限,還有框架不統一,并發壓力大,維護成本高等問題。所以,從地基增強走向星基增強是必然。
未來想要實現所有場景所有地區的無人駕駛,汽車除了要安裝激光雷達等傳感器外,還必須要具備任何地區的厘米級絕對定位能力。星基增強系統將會是L5級無人駕駛的不二選擇。因為只有星基增強系統才能快速實現極低成本的全球覆蓋,且能夠同時支持幾十億用戶。(參見佐思公眾號文章《為何L5自動駕駛必須是星基增強系統定位?》)
星基與地基增強技術的一體化、通信與導航功能的一體化已成為衛星導航和定位系統建設方向。
眾多企業都開始建設星基增強系統。
來源:泰伯網,佐思產研
由于參與企業較多,就使得用戶不得不綁定接收器硬件或某家星基增強系統,不利于高精度定位技術面向大眾市場的推廣,Sapcorda由此成立。
Sapcorda
2017年8月8日,博世、Geo++、三菱電機和u-blox宣布將聯合組建合資公司Sapcorda Services GmbH,為大眾市場應用提供高精度的GNSS定位服務。他們認為現有的GNNS定位服務解決方案無法滿足新興的高精度GNSS大眾市場的需求。因此決定攜手合作,為系統集成商、原始設備制造商和接收器制造商打造全球可用的高性價比解決方案。
Sapcorda將通過互聯網和衛星廣播提供全球適用的GNSS定位服務,使GNSS定位精確度達到厘米級。服務主要面向自動駕駛汽車、工業和消費者市場。實時校正數據服務將以公共、開放的方式傳遞數據,不綁定接收器硬件或系統。
Sapcorda希望開創新一代洲際GNSS校正數據服務,覆蓋范圍包括歐洲和美國。Sapcorda將主要利用蜂窩網絡在整個歐洲大陸廣播, 而不是依靠衛星鏈接。用戶不會與特定的GNSS制造商捆綁在一起。數據將以開放的格式分發, 以便設備制造商能夠準確地創建用戶想要的解決方案。
Sapcorda自成立之后,就沒有再發布任何信息。可能是遇到了多方合作上的困難,也可能是在憋大招。
Sapcorda股東中的博世、三菱電機和u-blox,都是定位技術圈的大腕,協調難度可想而知。
U-blox主要開發和銷售 GNSS的芯片和模塊,在全球超過66個國家擁有5900多個客戶。2007至2017年U-blox單位出貨量從450萬增加到了9000萬。奔馳、寶馬、法拉利、保時捷、奧迪等品牌的GPS前裝市場,大多都采用u-blox芯片。U-blox最新的 F9定位技術平臺,支持和提供主流的GNSS校正服務(包括千尋位置),同時也提供開放接口,接收傳統GNSS校正服務商提供的服務。
博世在自動駕駛產業鏈的絕大多數環節都有布局,當然也包括至關重要的高精度定位。首先,博世本身就提供慣導傳感器,2016年對外發布了六軸慣性運動傳感器SMI130。一般認為,InvenSens是慣導傳感器的行業領袖之一,長期獨家為蘋果iPhone提供運動傳感器組件。2017年5月,Bosch開始為蘋果公司下一代iPhone提供部分運動傳感器組件,打破了InvenSens的獨家壟斷。
同時,博世在汽車攝像頭、毫米波雷達、激光雷達都有深厚的技術積累,攝像頭和毫米波雷達的裝車量業界領先。博世在高精度定位領域有三套解決方案,在高速路、城市道路、在沒有GNSS的長隧道里,都能解決高精位定位問題:
基于汽車攝像頭和毫米波雷達的定位技術
博世道路特征+高精度地圖定位
三菱電機開發了一種名為“厘米級增強服務”(CLAS)的定位手段,它基于日本準天頂衛星系統(QZSS)實現,而三菱電機是這個國家級項目QZSS的主要政府承包商。CLAS從衛星獲取數據,基于地面傳感器識別車輛位置,然后再利用“位置增強”算法進行一些誤差糾正。通常衛星精度在10米左右,而CLAS的算法能夠將這個數字進一步優化到厘米級。CLAS水平精度12cm,垂直精度24cm。
三菱電機將其自動駕駛技術取名為“Diamond Safety”,該技術結合了:寬視角前向毫米波雷達、前向攝像頭、后向側置毫米波雷達、高精度3D地圖及厘米級定位增強(CLAS)技術。
除了這三巨頭耕耘定位技術,還有布局更加宏大的馬斯克星鏈計劃。
馬斯克的星鏈計劃
馬斯克旗下最知名的兩家公司,一家是生產電動車并不斷改進自動駕駛技術的特斯拉,一家是發射衛星的SpaceX。
SpaceX的Starlink(星鏈)項目,計劃投資100億美元,發射4400多顆衛星,旨在從近地軌道提供穩定的全球互聯網覆蓋。每顆衛星尺寸為4×1.8×1.2米,重約390公斤。它們的軌道位于地球表面上方1,150到1,325公里之間。
SpaceX將于2019年正式啟動發射工作,并于2020年提供有限的服務,預計到2025年,SpaceX將吸引4000多萬名用戶,收入將超過300億美元。
2018年11月, SpaceX調整了技術方案,接下來會在距離地球表面550公里的軌道中部署1584顆衛星,大約是公司原計劃發射衛星總數(4400+)的三分之一。時延也將從25毫秒降低到15毫秒。
2019年2月,SpaceX向美國聯邦通信委員會提交一份申請,請求獲得建造和運營100萬個地面站的許可。地面站的作用是向衛星發射信號,同時接收由終端用戶或其他地面站轉發來的信號,以供終端用戶聯入“星鏈”。
根據中國工程院院士劉經南分析,Starlink具備高精度、高可用、高可靠優勢,不僅能提供寬帶互聯網服務,可進行通信,也能用作厘米級定位增強、導航服務。因此可用于高精度定位,服務于自動駕駛等行業。
中國也有類似Starlink的項目——航天科技集團的“鴻雁”系統,有54顆核心骨干衛星組成,同時有270個小衛星進行補網,合計形成300以上規模的衛星網絡。鴻雁系統也具備衛星定位增強功能,可以為北斗導航系統進一步提高定位精度。鴻雁系統在2020年前發射6顆星,實現局域網鏈路驗證,到2023年完成發射54顆骨干衛星。
從2018年起,自動駕駛放慢了發展步伐,L2-L3成為當前發展重點。L4以上自動駕駛的大規模應用,需要等通訊網絡從C-V2X到5G-V2X的落地,衛星定位從大規模地基增強(千尋位置等)到大規模星基增強(星鏈、鴻雁等)的落地。
自動駕駛產業在循序漸進中發展,2023年后的未來值得期待。
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原文標題:2018-2019自動駕駛高精度定位產業研究
文章出處:【微信號:zuosiqiche,微信公眾號:佐思汽車研究】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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