項目三智能網聯汽車高精度定位與導航系統前言隨著自動駕駛各領域技術的快速發展，自動駕駛的功能正快速走進我們的生活日常，并逐步影響著我們的駕駛習慣。人們在體驗自動駕駛帶來的舒適和便利體驗的同時，對安全問題一直持續關注。自動駕駛功能的不斷升級，高精度定位與導航系統的價值得到了廣泛的認可，作為自動駕駛不可或缺的信息源。認知高精地圖Annualworksummary1導入地圖是地理信息空間的載體，它是將客觀現實世界中的空間特征以一定的數學法則（即模式化）,符號化、抽象化，將空間特征表示為形象符號模型或者稱為圖形數學模型。目錄01教學目標02教學內容03課后練習教學目標0103能闡述高精地圖采集與生成。01能說出高精地圖概念。02能描述高精地圖特點。01通過學習我國高精度圖的發展，引導學生了解我國的基本國情，樹立政治意識和大局意識。02通過學習高精地圖，激發學生的民族自豪感和時代精神，增強國家的核心競爭力，實現可持續發展。知識目標素質目標04能說明其他形式高精地圖。05能描述高精地圖應用前景。教學內容02一、高精地圖概念

高精地圖可以分為狹義高精度地圖和廣義高精度地圖。狹義高精度地圖是由傳統圖形商定義的精度更高、內容更詳細的地圖。例如，定義更詳細信息（如車道和交通標志）的地圖。廣義的高精度地圖直接為我們構建了一個真實的三維世界。除了絕對位置的形狀信息和拓撲關系外，還包括點云、語義和特征等屬性。高精度地圖是指絕對精度和相對精度均在亞米級的高分辨率、高豐度要素的電子地圖，也稱為三維高精度地圖，簡稱HDMap或HADMap，一般指靜態的高精度路網信息。動態高精度地圖是指包含了道路網上的動態變化信息要素的高精度地圖，比如路口紅綠燈狀態、道路動態通行指標、路網變化情況等，簡稱LiveHDMap。高清地圖二、高精地圖特點

1.為了實現車道級導航、路徑規劃功能，需要在原始地圖數據中抽象道路結構，形成由頂點組成的拓撲圖形結構，同時為了優化數據的存儲，需要將道路用連續的曲線段來表示。

2.除道路參考線外，高精度地圖還應描述道路的連通性。比如路口中沒有車道線的部分，需要將所有可能的行駛路徑抽象成道路參考線，在高精度地圖數據庫中體現。

3.除了記錄道路參考線、車道邊緣（標線）和停車線外，高精度地圖數據庫還需要記錄無車道道路的拓撲結構，且除車道的幾何特性外，道路模型還包括車道數、道路坡度、功能屬性等。二、高精地圖特點

4.對象模型記錄道路和車道行駛空間范圍邊界區域的元素，模型屬性包括對象的位置、形狀和屬性值。這些地圖元素包括路牙、護欄、互通式立交橋、隧道、龍門架、交通標志、可變信息標志、輪廓標志、收費站、電線桿、交通燈、墻壁、箭頭、文字、符號、警告區、分流區等。高精度地圖與普通電子地圖的對比如圖普通電子地圖高精度地圖精度一般電子地圖精度在在10米左右，商用GPS精度為5米高精度地圖的精度在厘米級別（Google、Here等高精度地圖精度在10～20厘米級別）數據維度傳統電子地圖數據只記錄道路級別的數據高精度地圖不僅增加了車道屬性相關數據，還能夠明確區分車道線類型、路邊地標等細節作用及功能傳統地圖起的是輔助駕駛的導航功能，本質上與傳統經驗化的紙質地圖是類似的高精度地圖通過“高精度+高動態+多維度”數據，起的是為自動駕駛提供自變量和目標函數的功能。高精地圖相比傳統地圖有更高的重要性使用對象普通的導航電子地圖是面向駕駛員，供駕駛員使用的地圖數據高精度地圖是面向機器的供自動駕駛汽車使用的地圖數據數據的實時性數據的實時性要求較低高精度地圖對數據的實時性要求更高二、高精地圖特點

對于自動駕駛系統，導航系統需要提供更高精度的路徑，引導車輛達到目的地，需要將環境中盡可能豐富的信息提供給自動駕駛系統。作為存儲靜態、準靜態交通信息的數據庫，為了滿足自動駕駛系統的導航、路徑規劃要求，高精度地圖需要提供更精細、精確的交通信息。高精度地圖在自動駕駛中，不僅可以用于導航、路徑規劃，還可以為環境感知和理解提供先驗知識，輔助車載傳感器實現高精度定位。高精度地圖被普遍認為是L3級及以上自動駕駛不可缺少的關鍵技術。

動態交通信息的更新需要實時反映在地圖上，以確保智能網聯汽車駕駛的安全，實現實時高精度地圖在技術存在諸多難點，大量信息安全、信息完整、數據更新、高速傳輸等問題需要解決。但是隨著智能網聯汽車的廣泛應用、車聯網技術的發展，更豐富的動態交通信息分享可以使汽車更智能。三、高精地圖采集與生成

傳統電子地圖主要依靠衛星圖片產生，然后由GPS、北斗衛星等定位，這種方法可以達到米級精度。高精地圖需要達到厘米級精度，僅靠衛星與GPS是不夠的。為了確保數據生產的安全性和準確性，高精度地圖有嚴格規范的生產流程：

高精度地圖與傳統地圖相比，具有不同的采集原理和數據存儲結構。傳統地圖依賴于拓撲結構和傳統的數據庫，將各種元素作為對象堆放在地圖上，將道路存儲為路徑。高精度地圖，為了提高存儲效率和機器可讀性，地圖在存儲時分為矢量層和對象層。高精度地圖與傳統地圖相比，具有不同的采集原理和數據存儲結構，如圖3-1-1所示。三、高精地圖采集與生成三、高精地圖采集與生成

在高精度地圖生產過程中，通過提取車輛上傳感器采集的原始數據，獲取高精度地圖特征值，構成特征地圖；在此基礎上，進一步提取、處理和標注矢量圖形，包括道路網絡信息、道路屬性信息、道路幾何信息和道路上主要標志的抽象信息，如圖3-1-2所示。三、高精地圖采集與生成01高精度地圖模型

⑴道路模型

為了實現和提高路徑規劃功能，需要將現實世界的道路結構進行抽象，形成以頂點與邊組成的拓撲圖形結構，圖中的邊以弧形線段表示，線段中由一系列順序的點表示線的基本形狀走勢。在道路拓撲模型中除了要標示出道路走勢，還要描述道路的連通關系，這種連通關系是通過頂點確定。道路模型除了圖形屬性還包括車道數量、道路等級、功能屬性等。三、高精地圖采集與生成01高精度地圖模型

(2)車道模型車道模型記錄了車道的行駛參考線及車道的邊線（標線）及停止線等。車道模型還記錄了車道與道路拓撲的關系。

(3)對象模型

對象模型是記錄道路和車道行車空間范圍邊界區域內要素的，模型屬性包括對象的位置、形狀及屬性值。這些地圖要素包括路牙、護欄、立交、隧道、龍門架、交通標牌、可變信息標牌、輪廓標、收費站/桿、交通燈、墻面、箭頭、文本、符號、警示區、導流區等。對象模型中的數據通常用于輔助環境感知，并輔助于高精度定位。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

首先，根據用戶應用的需要對地圖產品進行規劃，制定生產規劃；然后，數據信息采集部門開始收集數據信息和后處理；接著，對收集的數據進行處理編輯繪制地圖；最后，對數據進行轉換編譯，生成矢量母庫，完成生產環節，進入發布環節。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

（1）實地采集

實地采集是制作高精度地圖的第一步，主要通過采集車的現場采集來完成。采集的核心設備是激光雷達、高精度差分-慣導-衛星定位系統，它通過激光反射形成點云，完成對環境中各種物體的采集，并通過高精度定位系統記錄行駛軌跡和環境中物體的高精度位置信息，如圖。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

此圖為百度公司的一輛高精度地圖采集車。該采集車搭載了激光雷達、攝像頭、差分衛星定位系統和慣性導航系統等核心設備，可以精確識別交通標志、地面標志、車道線、橋梁、燈柱和護欄等。專業采集車采集的數據包括高精度軌跡、圖像、激光點云數據。其中，軌跡包括了精度、緯度、海拔、航向、傾角、俯仰角及速度信息。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

在數據采集過程中，高精度地圖采集車會以60~80km/h的速度在道路上平穩行駛，同時采集員需要實時監控副駕駛位置的采集系統和設備的工作狀態，并且根據天氣和環境狀況選擇不同的攝像頭參數。由于專業采集設備較昂貴，每輛采集車需要的設備成本甚至多達數百萬元，出于成本考慮，專業的采集設備不能無限制的擴張。面對日益增長的市場需求及全區域覆蓋的要求，現在大多數企業采用相互合作的方式完成。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

（2）信息處理采集的數據成果進入內業處理流程，數據處理利用人工智能技術自動提取和擬合，減少人工操作，加快了數據生產并節省了人力成本。在自動融合和識別環節，將采集到的每秒10幀左右的圖像數據信息自動融合，簡單來講就是將圖像、點云、GPS等數據疊加到一起。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

（2）信息處理

然后進行車道線、信號燈、人行橫道、交通標識牌、路桿等道路元素的分類與提取（如圖3-1-5所示），另外，在采集過程中同一條道路上雙向采集之后采集到的重復數據也會在這個環節自動進行整合，刪除重復內容。這一步，相當于是視頻剪輯中的粗剪，只不過是自動完成的。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

（2）信息處理

信息處理的過程包括人工處理、深度學習的感知算法（圖像識別）等。采集的設備越精密，采集的數據越完整，就可以降低算法所需的不確定性。收集到的數據越不完整，就需要更多的算法來補償數據缺陷，也可能會產生更大的誤差，如圖3-1-6所示。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

（2）信息處理

由于自動化處理階段無法達到100%精準，所以還需要利用人工智能技術和專業人員對數據進一步處理，該過程主要包括地圖矢量化、編輯、檢查核對、確認生效等工作。這一步，相當于視頻制作中的精剪、輸出成片階段。圖3-1-7為高精度地圖的矢量化過程示意圖。三、高精地圖采集與生成02高精度地圖的采集方法

（3）分發平臺完成對數據的交互編輯后，要對數據進行轉換編譯，生成矢量母庫，通過自動化測試后，完成高精度地圖的生產環節，最后，通過不同平臺進行地圖的發布。（4）后續更新因為道路的整改工作會經常發生，包括突發性路況。后續地圖更新也可以采取眾包方式或與政府實時交通處理部門合作來解決。四、其他形式高精地圖01眾包數據構建高精度地圖

使用安裝了成本相對低廉的車載傳感器的智能網聯汽車收集路況與道路特征，然后通過深度學習和圖像識別算法將其轉換為結構化數據，生成高精度地圖眾包信息。

數據來源于用戶，而且服務于用戶，不僅可以向此類車輛提供高精度地圖、還可以提供高精度定位服務。四、其他形式高精地圖01眾包數據構建高精度地圖

國內外的汽車廠商也積極采用眾包采集方式為各自品牌的汽車提供相關服務。Mobileye與上汽集團、四維圖新合作推出的REM（RoadExperienceManagement）計劃，是通過車輛攝像頭以眾包的方式上傳道路數據，制作高精度地圖。四、其他形式高精地圖01眾包數據構建高精度地圖

同樣，車輛可以通過攝像頭捕捉到的道路標識以及地圖數據，實現高精度定位。圖3-1-8為眾包采集的道路場景示意圖。四、其他形式高精地圖02實時定位與地圖構建

實時定位與地圖構建（SLAM）是一種在機器人領域廣泛使用的地圖構建與定位技術。可以使用激光、視覺、紅外等傳感器，在機器人移動過程中獲取傳感器檢測的環境特征，進一步識別行駛過程不同時刻環境特征中類似的部分，將檢測到的環境信息進行拼接，對行駛過的環境進行基于當前傳感器信息的完整描述，即高精度地圖構建。四、其他形式高精地圖02實時定位與地圖構建

在汽車領域，可以用于SLAM構建高精度地圖的傳感器主要有視覺傳感器和激光雷達，這些傳感器的共同特點是能夠獲取足夠豐富的環境信息，尤其是環境中物體的輪廓點云，可以滿足運動過程中兩個連續時刻采集的環境信息中，有足夠豐富的特征去匹配和拼接。五、高精地圖應用前景

高精度地圖數據中提供道路甚至車道的曲率值，當車輛轉彎時可以根據曲率進行提前減速，控制傳感器甚至大燈轉向輔助。高精度地圖也提供隧道等詳細信息，車輛在進入前可以提前開啟大燈或調整傳感器感光參數。高精度地圖提供了坡度，能夠輔助車輛控制油門節省能源。高精度地圖提供了各種交通標志和提示信息標牌的精確位置及形狀能夠輔助車輛進行高精度定位。高精度地圖的限速信息精確到車道，能夠為車輛提供精準的限速信息，智能網聯汽車用以精準控制執行器操作其應用。五、高精地圖應用前景01輔助高精度定位

高精度地圖中包含了豐富的對象數據，車輛通過傳感器對道路周邊進行感知，識別并提取出道路周邊的對象并與地圖中要素對象進行匹配，再通過GPS粗定位信息進行融合可以實現車輛位置信息的精準定位。五、高精地圖應用前景02輔助環境感知

與視覺、雷達等傳統環境感知傳感器相比，在靜態物體檢測方面，高精度地圖不受環境、障礙物等的干擾，當道路環境被其他物體遮擋或者超出了傳感器感知范圍時，高精度地圖能夠輔助車輛對行進方向環境完成超視距感知。此外，智能網聯汽車感知重構周圍三維場景時，可以利用高精度地圖作為先驗知識減少數據處理時的搜索范圍。智能網聯汽車可以根據當前位置在高精度地圖中快速檢索出周邊的車道標線、地面箭頭、文字以及路邊護欄、路牙、標識標牌等信息，同時通過各類傳感器的實際探測比對，最終得到準確的固定環境感知。五、高精地圖應用前景03輔助動態路徑規劃

車輛在擁有高精度定位功能前提下，在無外部環境干擾的情況下可以根據高精地圖的車道參考線規劃出一條靜態路徑，指引車輛前進到達目的地。但由于現實中道路環境存在各種干擾情況，包括其他車輛、行人等，因此車輛需要更復雜的傳感器進行感知決策，以決定行進中是否需要換道，進而觸發重新進行路徑規劃。高精度地圖提供車道中心線，以及車道中心線連通關系，智能網聯汽車可以在這個數據基礎上結合當前位置及前進方向進行有限范圍（如10km范圍內）準實時的車道級路徑規劃，規劃結果用于輔助決策單元生成控制指令。以上過程在車輛行駛過程中反復被觸發調用，其中需要依賴的核心數據就是高精度地圖的車道級幾何和拓撲關系。五、高精地圖應用前景04與V2X協同合作

在V2X環境中，V2X系統與高精度地圖分工合作，通過路側基礎設施（信號燈，標識牌等RSU）與車輛進行通訊，車輛能夠直接獲取道路基礎環境信息及其變化情況，并能夠利用基礎設施進行高精度定位。高精度地圖用于車道規劃和對于能發射信號的基礎設施的感知，如路肩，隔離帶等。高精度地圖云中心可以通過與基礎設施中的道路邊緣計算網格進行通訊，實現信息的收集與分發。六、高精度地圖在國內的發展

目前國內高精地圖行業呈現三足鼎立格局——百度地圖、高德、四維圖新。

六、高精度地圖在國內的發展高德地圖成立于2001年，是一家總部位于中國的導航電子地圖內容和位置服務解決方案提供商，具備國家甲級導航電子地圖測繪和甲級航空攝影的“雙甲”資質，其優質的電子地圖數據庫是公司的核心競爭力。2016年高德地圖開始在高精度地圖上布局。目前該公司已經實現覆蓋中國超過30萬公里的高速及城快公路的高精度數據采集，實現絕對精度50厘米，相對精度10厘米，在采集里程和數據精度方面處于行業領先地位。

高德地圖公布了高德的高精度地圖技術路線圖，三步走加速自動駕駛的商業化進程。高德為自動駕駛提供的高精度地圖解決方案是一個完整體系，包括了地圖及定位系統、云服務、車輛控制系統、車載硬件甚至車載信息娛樂系統之間的多向交互。從技術發展上看，高德的高精度地圖技術發展將經歷三個階段：六、高精度地圖在國內的發展第一階段的關鍵詞是高精數據，其核心是建立能夠滿足商業化需求，實現高精度地圖數據采集和更新的流水線。第二階段的關鍵詞是融合定位，重點是利用高精度地圖數據及環境信息，實現基于差分和高精慣導、航位推算等手段的高精絕對定位能力，以及基于視覺識別、點云匹配等手段的高精相對定位能力。第三階段的關鍵詞是動態信息，重點是在實現了精準定位的基礎上，為自動駕駛提供動態、實時的數據服務，比如動態交通信息、智慧紅綠燈等交通設施信息、施工等臨時或突發信息等。基于這些動態信息，高德的云端交通大腦不僅能實現不同交通參與者的全局最優調度，更能為每個自動駕駛用戶帶來更舒適、安全的乘坐體驗。課后練習03一、填空題1.高精度地圖為了提高存儲效率和機器可讀性，地圖在存儲時分為

和

。2.高精度定位是

的核心關鍵技術。所謂高精度是指定位精度要達到

。3.高精度地圖包含的道路交通信息很豐富，可分為

、

、

和

。4.在自動駕駛過程中，高精度地圖起到了

、

、

等作用。二、選擇題1.不屬于高精度地圖的制作過程的是（）。A.實地采集B.信息處理C.人工處理D.后續更新2.不屬于高精度地圖模型的是（）。A.道路模型B.行人模型C.車道模型D.對象模型3.高精度地圖精度在（）厘米級別。A.10～20厘米B.20～30厘米C.30～40厘米D.40～50厘米二、簡答題1.高精地圖概念。2.高精地圖特點。3.普通電子地圖和高精度地圖有什么區別。謝謝項目三智能網聯汽車高精度定位與導航系統認知高精度定位系統Annualworksummary2導入高精度定位是高精度地圖有效應用的重要前提，也是智能駕駛系統自主導航、自動駕駛的重要前提。在車載傳感器定位受限情況下，可以為智能駕駛系統提供有效的輔助定位信息。目錄01教學目標02教學內容03課后練習教學目標0103能說明高精度定位系統的組成。01能說出高精度定位系統的作用。02能描述高精度定位系統的要求。01通過學習我國北斗衛星導航系統建設發展，引導學生樹立不斷探索的科學精神，提高科學素養。02通過學習高精度定位系統，引導學生關注全球議題，增強國家競爭力。知識目標素質目標04能闡述高精度定位系統的關鍵技術。05能說明我國北斗衛星導航系統建設發展。教學內容02一、高精度定位系統的作用

定位系統用來提供車輛的位置、姿態等信息。對于智能網聯汽車而言，定位的重要性不言而喻，它可以幫助車輛了解自己相對于外界環境的精準位置，從而做出正確的決策，同時輔助感知系統，得到更加準確的檢測和跟蹤結果。二、高精度定位系統的要求

高精度定位在自動駕駛中起決定作用，是實現無人駕駛或者遠程駕駛的基本前提，因此對定位性能的要求也非常嚴苛，智能網聯汽車，尤其是在L4、L5級的體系中，對實時動態高精度定位能力的需要是剛性的、不可或缺的，定位精度一般要求達到厘米級，實時性要求100Hz以上，系統可用性要求達到99.99999%的級別。二、高精度定位系統的要求

1.高精度：達到厘米級。

2.高可用性：智能網聯汽車測試已經從封閉的場景轉移到更開放的場景，這要求我們定位系統能處理更多更復雜的情況。

3.高可靠性：定位的輸出是感知、規劃與控制的輸入，如果定位系統出現偏差將會導致很嚴重的后果。

4.自主完好性檢測：由于系統的可靠性只能做到非常接近100%，但是難以達到真正的100%，這要求系統在無法提供準確輸出的時候，能及時的警告用戶采取措施避免發生事故，因此，要求定位系統保證較低的虛警率與漏警率。

隨著智能網聯汽車等級的提高，汽車行業對于高精度定位的需求將會越來越迫切，高精度定位服務在汽車行業的應用具有非常廣闊的前景。三、高精度定位系統的組成

高精度定位系統主要包括終端層、網絡層、平臺層和應用層，如圖6-1-1所示。其中，終端層實現多源數據融合（衛星、傳感器及蜂窩網數據）算法，保障不同應用場景、不同業務的定位需求；網絡層包括5G基站、RTK基站和路側單元（RoadSideUnit,RSU），為定位終端實現數據可靠傳輸；平臺層提供一體化車輛定位平臺功能，包括差分解算能力、地圖數據庫、高清動態地圖、定位引擎，并實現定位能力開放；應用層基于高精度定位系統能夠為應用層提供車道級導航、線路規劃、自動駕駛等應用，如圖3-2-1所示。三、高精度定位系統的組成三、高精度定位系統的組成

1.終端層為滿足車輛在不同環境下的高精度定位需求，需要在終端采用多源數據融合的定位方案，包括基于差分數據的GNSS定位數據、慣性導航系統數據、傳感器數據、高精度地圖數據以及蜂窩網數據等。

2.網絡層

系統網絡層主要實現信號測量和信息傳輸，包括5G基站、RTK基站和RSU的部署。5G作為更新一代的通信技術，可以保證較高的數據傳輸速率，滿足高精度地圖實時傳輸的需求。5G基站也可完成與終端的信號測量，上報平臺，在平臺側完成基于5G信號的定位計算，為車輛高精度定位提供輔助。基于5G邊緣計算，可實現高精度地圖信息的實時更新，提升高精度地圖的實時性和準確性。地基增強站主要完成RTK測量，地基增強站可以與運營商基站共建，大大降低網絡部署以及運維成本。同時可通過5G網絡實現RTK基站測量數據的傳輸，可實現參考站快速靈活部署。RSU一方面可實現RTK信息播發，避免傳統的RTK定位中終端初始位置的上報，同時RSU可提供局部道路車道級地圖、實時動態交通信息廣播。三、高精度定位系統的組成3.平臺層

⑴高精度地圖:靜態高精度地圖信息，如車道線、車道中心線、車道屬性變化等，此外還包含道路的曲率、坡度、航向、橫坡等參數，能讓車輛準確的轉向、制動和爬坡等，還包含交通標志牌、路面標志等道路部件，標注出特殊的點如GNSS消失的區域、道路施工狀態等。

⑵交通動態信息:交通動態信息包括道路擁堵情況、施工情況、交通事故、交通管制和天氣情況等動態交通信息。

⑶差分解算:平臺通過RTK基站不斷接收衛星數據，對電離層誤差、對流層誤差、軌道誤差以及多路徑效應等誤差在內的各種主要系統誤差源進行了優化分析，建立整網的電離層延遲、對流層延遲等誤差模型，將優化后的空間誤差發送給移動車輛。

⑷數據管理:數據管理包括全國行政區劃數據、矢量地圖數據、基礎交通數據、海量動態應急救援車輛位置數據、導航數據、實時交通數據、POI（PointofInterest）數據等，這里的數據是經過數據生產工藝，進行整合編譯后的運行數據。

⑸數據計算:數據計算包括路徑規劃、地圖靜態數據計算、動態實時數據計算、大數據分析、數據管理等功能。三、高精度定位系統的組成

4.應用層

應用層為用戶提供地圖瀏覽、規劃路線顯示、數據監控和管理等功能，以及基于位置的其他車聯網業務，例如輔助駕駛、自動駕駛等。四、高精度定位系統的定位方法

根據場景以及定位性能的需求不同，車輛定位方案是多種多樣的。常用的定位技術有全球導航衛星（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）技術、慣性導航（InertialNavigationSystem,INS）技術、航跡推算（Dead-Reckoning，DR）技術、路標定位技術、高精度地圖匹配定位技術、無線電（如蜂窩網、局域網等）定位技術、視覺定位技術、同時定位與地圖創建（SimultaneousLocalizationandMapping,SLAM）技術等。由于任何一種單獨定位技術都有無法克服的弱點，智能網聯汽車通常需要組合定位技術來實現精準定位。組合定位技術融合了兩種或兩種以上的不同類型的定位傳感器信息，實現優勢互補，以獲得更高的定位性能。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

全球導航衛星系統（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），又稱全球衛星導航系統，是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3維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。其包括一個或多個衛星星座及其支持特定工作所需的增強系統，如圖3-2-2所示四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

（1）全球導航衛星系統分類

全球衛星導航系統國際委員會公布的全球4大衛星導航系統供應商，包括中國的北斗衛星導航系統（BDS）、美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）和歐盟的伽利略衛星導航系統（GALILEO）。其中GPS是世界上第一個建立并用于導航定位的全球系統，GLONASS經歷快速復蘇后已成為全球第二大衛星導航系統，二者正處現代化的更新進程中；GALILEO是第一個完全民用的衛星導航系統，正在試驗階段；BDS是中國自主建設運行的全球衛星導航系統，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務北斗衛星定位（BDS）是中國自行研制的全球衛星導航系統。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

⑵北斗衛星定位系統北斗導航定位系統服務區廣泛應用于中國及周邊國家。廣泛應用于船舶運輸、公路運輸、鐵路運輸、海上作業、漁業生產、水文預報、森林防火、環境監測等行業，以及軍事、公安、海關等有特殊指揮調度要求的單位。覆蓋范圍為東經70°～140°左右，北緯5°～55°左右。在地球赤道面上配備了兩顆地球同步衛星，赤道角約為60°，如圖3-2-3所示。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

北斗衛星定位系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖3-2-4所示。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

①空間段北斗衛星導航系統空間段由35顆衛星組成，其中地球靜止軌道衛星5顆、中地軌道衛星27顆、傾斜同步軌道衛星3顆。五顆地球靜止軌道衛星的固定位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地軌道衛星運行在三個軌道面上，軌道面均勻分布120°，如圖3-2-5所示。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

②地面段

北斗衛星定位系統地面段由主控站、注入站和監測站組成。主控站用于系統運行管理和控制，接收來自監測站的數據，并對其進行處理，生成衛星導航信息和差分完整性信息，然后將信息傳送到注入站進行發送。注入站用于向衛星發送信號、控制和管理衛星，在接收到主站調度后，向衛星發送衛星導航信息和差分完整性信息。監測站用于接收衛星信號并將其發送到主站進行衛星監測，以確定衛星軌道，并為時間同步提供觀測。衛星定位及慣性導航工作原理四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統

③用戶段用戶段包括北斗用戶終端和與其他衛星導航系統兼容的終端。接收器需要捕捉和跟蹤衛星的信號，并根據數據以一定的方式進行定位計算，最終獲得用戶的緯度、經度、海拔、速度、時間等信息。北斗衛星定位系統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、導航和定時服務，具有短消息通信能力，最初提供了區域導航、定位和定時功能，定位精度為10米，測速精度為0.2m/s，定時精度為10ns。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統北斗系統用戶終端系統最多可容納54萬/小時的用戶，具有雙向消息通信功能，用戶可一次發送40-60個漢字的短消息信息。一次可以傳輸多達120個漢字的信息。北斗系統具有精確的定時功能，為用戶提供20ns-100ns的時間同步精度，標準站的水平精度為100米（1σ），20米（類似于差分狀態），北斗系統工作頻率：2491.75MHz。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統⑵GPS衛星定位系統GPS定位衛星星座有24顆衛星均勻分布在6個軌道面上，軌道傾角為55°，每一軌道面相距60°，即軌道的高度為60°。各軌道平面上衛星間的仰角相隔90°，其中一個軌道平面上的衛星比西部相鄰軌道平面上相應的衛星提前30°。GPS（GlobalPositioningSystem）是由美國國防部研制的全球首個定位導航服務系統，1990~1999年為系統建成并進入完全運作能力階段，1993年實現24顆在軌衛星滿星運行。其中，24顆導航衛星平均分布在6個軌道面上，保證在地球的任何地方可同時見到4~12顆衛星，使地球上任何地點、任何時刻均可實現三維定位、測速和測時，使用世界大地坐標系（WGS-84）。GPS系統組成四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統③GLONASS衛星定位系統GLONASS的空間星座由27顆工作星和3顆備用星組成，均勻地分布在3個近圓形的軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔120°，使用前蘇聯地心坐標系（PZ-90）。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統GALILEO是歐盟于2002年批準建設的衛星定位系統，計劃由分布在3個軌道平面上的30顆中等高度軌道衛星構成，每個軌道平面上有10顆衛星，9顆正常工作，1顆運行備用，軌道平面傾角56°，軌道高度為24126km，其民用精度較高，使用世界大地坐標系（WGS-84）。已部署或者在建的GNSS系統情況和技術數據，如表3-2-1所示四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統（3）全球導航衛星系統定位原理GNNS定位系統是利用衛星基本三角定位原理、接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來測量距離。如圖6-2-3所示。三個衛星組成一個三角形，通過計算三個衛星位置幾何數據，并融合同步計算結果，從而計算出當前接收器的衛星坐標位置。通常，GPS接收器會使用第四顆衛星的位置對前三個衛星的位置測量進行確認，以達到更好的效果。假設我們測量到第一顆衛星的距離為18000km，就可以把當前可能位置范圍限定在離第一顆衛星18000km的地球表面。接下來，假設我們測量到第二顆衛星的距離為20000km，那么我們可以進一步把當前位置范圍限定在距離第一顆衛星18000km和距離第二顆衛星20000km的交叉區域。然后我們再對第三顆衛星進行測量，通過三顆衛星的距離交匯點定位出當前的位置，如圖3-2-10所示。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統只要得到衛星幾何平面的參數及無線電傳播時間，就能計算得到智能網聯汽車的位置。但在實際工程應用中，衛星信號的傳播還受大氣電離層的、云層、樹木、高樓、城市、峽谷等遮擋、反射折射，以及多路徑干擾，這些都會影響到GPS信號傳播，從而影響到測距信息的準確度。為了降低天氣、云層對GPS信號的影響，出現了其他GPS技術，如差分GPS（DifferentialGPS,DGPS）。DGPS技術通過在一個精確的已知位置（基準站）上安裝GPS監測接收機，計算得到基準站與GPS衛星的距離，然后再根據誤差修正結果提高定位精度。四、高精度定位系統的關鍵技術01全球衛星導航系統差分GPS分為兩大類，即位置差分和距離差分。距離差分又分為兩類，即偽距差分和載波相位差分。目前，很多智能網聯汽車公司如百度、小馬等，都采用了實時動態載波相位差分技術——RTK（Real-TimeKinematic）技術。RTK技術是實時處理兩個基站載波相位觀測量的差分方法，即將基準站采集的載波相位發送給用戶接收機，通過求差解算坐標。RTK可使定位精度達到厘米級，這也是很多智能網聯汽車公司采用RTK技術定位的原因。但RTK也存在的一定的問題：基站鋪設成本較高；非常依賴衛星數量，比如在一些橋洞和高樓大廈的環境下，可視的衛星數量會急劇下降；容易受到電磁環境干擾。在受到遮擋時，信號丟失，沒有辦法做定位。因此目前采用RTK定位技術實現大規模量產商用的可行性不高，如圖3-2-11所示。四、高精度定位系統的關鍵技術02慣性導航系統慣性導航系統（INS）是利用慣性測量單元（IMU）的角度和加速度信息來計算載體的相對位置的一種定位技術。IMU利用陀螺儀或加速度傳感器等慣性傳感器的參考方向和初始位置信息來確定載體位置。慣性導航涉及力學、控制理論、計算機技術、測試技術、精密機械技術等，是一門綜合性很強的應用技術。典型的六軸IMU由六個傳感器組成，這些傳感器排列在三個正交軸上，每根軸上都有一個加速度計和一個陀螺儀，如圖3-2-12所示。陀螺儀測量物體三軸的角速率，用于計算載體姿態；加速度計測量物體三軸的線加速度，可用于計算載體速度和位置，其外觀如圖3-2-13所示。衛星定位及慣性導航工作原理四、高精度定位系統的關鍵技術02慣性導航系統⑴慣性導航系統的基本工作原理慣性導航系統的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，測量載體在慣性參考系的加速度和角加速度信息，再將這些測量值對時間進行一次積分，求得運動載體的速度、角速度，之后進行二次積分求得運動載體的位置信息，然后將其變換到導航坐標系，得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息，其工作原理框圖如圖3-2-14所示。一般情況下慣導會結合GPS使用，并融合經緯度信息以提供更精確的位置信息。四、高精度定位系統的關鍵技術02慣性導航系統①加速度計加速度計可以測量載體的瞬時加速度信息，根據計算獲得載體的瞬時速度和位置；陀螺儀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。基于上述過程，空間載體的瞬時運動參數，包括直線運動和角運動參數，可以由IMU測量得到。慣性導航可以利用這些測量值來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據，估計車輛姿態，如側傾、俯仰和航向等。常用的MEMS加速度傳感器，根據加工工藝，可分為塊狀硅微加速度傳感器和表面工藝微加速度傳感器；根據不同的測量原理，可分為壓阻式、壓電式、隧道式、電容式和熱式。MEMS加速度傳感器在車輛穩定性控制系統中早已得到普遍應用，在智能網聯汽車慣性導航領域，也是重要的傳感器之一。四、高精度定位系統的關鍵技術02慣性導航系統②陀螺儀根據陀螺轉子主軸的進動程度可分為二自由度陀螺和單自由度陀螺。根據支撐系統可分為滾珠軸承陀螺、液浮/氣浮和磁懸浮陀螺、撓性陀螺和靜電陀螺。根據物理原理可分為轉子陀螺、半球諧振陀螺、微機械陀螺、環形激光陀螺和光纖陀螺，其結構和安裝如圖3-2-15所示。陀螺儀的工作原理是轉子可以在內部框架內高速旋轉，旋轉軸稱為旋轉軸，旋轉角速度稱為旋轉角速度。內框可以繞內框軸相對于外框自由轉動，外框繞外框軸相對于支架自由轉動，兩個旋轉的角速度稱為牽連角速度。旋轉軸、內框架軸和外框架軸的軸線相交于一點，稱為陀螺支點，整個陀螺可以圍繞支點任意旋轉。四、高精度定位系統的關鍵技術03GNSS和INS的組合應用慣性導航在實現過程中，慣性系統既不向載體外部發送信號，也不接收來自外部的信號，是一種完全自主的導航。慣性導航系統信號還可用于協助接收器天線與定位導航衛星對準，從而減少干擾對系統的影響。對于導航載波相位測量，慣性導航系統能夠很好地解決衛星定位導航周期跳變和信號丟失后全周模糊度參數的重新計算問題。慣性導航系統的主要缺點主。要是定位誤差隨著時間的推移而累積，經過長時間的工作，累積誤差會有不同程度的變化。INS利用安裝在載體上的慣性器件敏感載體的運動，輸出載體的姿態和位置信息。具有很強的自主性、保密性、靈活性。機動性強，具備多功能參數輸出，但是導航精度隨時變化，它不能長時間單獨工作，必須連續校準。四、高精度定位系統的關鍵技術03GNSS和INS的組合應用GNSS由于需要接受足夠數量的衛星才能夠實現定位，受各種物理、電磁信號等遮擋影響比較大。從GNSS和INS的優缺點來看，兩者具有很強的互補性。在短時間內INS的誤差比GNSS小，但長時間使用時，必須通過GNSS離散測量值進行修正，通過抓取系統漂移量，達到快速估計狀態參數與收斂的目的。當衛星定位導航信號受到高強度干擾或衛星系統接收機故障時，慣性導航系統可獨立進行導航定位；另外，慣性導航系統具有定位精度高、數據采樣率高等特點，能在短時間內為衛星定位導航提供輔助信息，利用這些輔助信息，接收機可以保持較低的跟蹤帶寬，從而提高系統獲取衛星信號的能力。當衛星定位導航信號條件顯著改善以允許跟蹤時，慣性導航系統向衛星定位導航接收器提供有關初始位置、速度等信息，以便快速重新獲取導航代碼和載波。GNSS是一種相對準確的定位傳感器，但更新頻率較低，不能滿足實時計算的要求。