為什么自動(dòng)駕駛中全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)如此重要？

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）作為實(shí)現(xiàn)高精度定位的核心技術(shù)之一，已經(jīng)成為自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的重要支撐。隨著高級(jí)輔助駕駛技術(shù)的發(fā)展，定位識(shí)別的重要性不言而喻，高精度衛(wèi)星定位在城市、鄉(xiāng)村、高速等各種場景的駕駛中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。而GNSS憑借其全天候、全球覆蓋、定位精度高的優(yōu)勢，成為自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行位置識(shí)別和路徑跟蹤的重要技術(shù)保障。

GNSS技術(shù)概述與核心功能

GNSS由多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成，全球廣泛應(yīng)用的美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及歐洲的伽利略（Galileo）系統(tǒng)等均屬于GNSS。GNSS的核心功能是通過衛(wèi)星信號(hào)向地面用戶提供精確的位置信息和時(shí)間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于車輛導(dǎo)航、授時(shí)和速度測量。

1.1GNSS的工作原理

GNSS系統(tǒng)和其他衛(wèi)星通信一樣，可以從結(jié)構(gòu)上大概分成三部分：空間段-地面段-用戶段，其中「1」：空間段：在地球上空20,000至37,000公里之間運(yùn)行的GNSS衛(wèi)星；這些衛(wèi)星廣播信號(hào)，識(shí)別正在傳輸?shù)男l(wèi)星及其時(shí)間、軌道和健康狀況。地面段：是一個(gè)由位于世界各地的主控、數(shù)據(jù)上傳和監(jiān)測站組成的控制網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)這些站接收衛(wèi)星信號(hào)，并將衛(wèi)星顯示的位置與軌道模型顯示的位置進(jìn)行比較并進(jìn)行修正。而這里的軌道模型與預(yù)測數(shù)據(jù)就被稱為星歷（ephemeris）用戶段：所有可以接收衛(wèi)星信號(hào)并根據(jù)至少四顆衛(wèi)星的時(shí)間和軌道位置輸出位置的設(shè)備都可以稱之為用戶端，主要包含信號(hào)接收天線，可處理該信號(hào)并輸出位置信息的接收與定位模塊。其中有采用基準(zhǔn)站與流動(dòng)站參照提高定位精度的定位模塊，也就是RTK。目前，隨著自動(dòng)駕駛與智能物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，高精度定位發(fā)展也越發(fā)迅猛，對(duì)定位精度與定位效果測試的需求也越來越多。

1.2高精度GNSS增強(qiáng)技術(shù)

傳統(tǒng)的GNSS系統(tǒng)定位精度在米級(jí)范圍內(nèi)，而自動(dòng)駕駛要求的定位精度需達(dá)到亞米級(jí)甚至厘米級(jí)。在自動(dòng)駕駛中，RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分）和PPP（精密單點(diǎn)定位）是兩種常用的GNSS增強(qiáng)技術(shù)，它們能夠通過差分計(jì)算和誤差校正，將定位精度提升至厘米級(jí)別。RTK通過基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的差分信息計(jì)算誤差，而PPP則通過精密的衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘數(shù)據(jù)校正誤差。

RTK工作原理示意圖

GNSS在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

在自動(dòng)駕駛車輛中，精確的位置信息是實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、車道保持、避障以及自動(dòng)泊車等功能的前提。自動(dòng)駕駛的不同應(yīng)用場景對(duì)于定位精度、信號(hào)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性有不同的要求，而GNSS能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求，并與其他傳感器技術(shù)協(xié)同工作，提升車輛定位的穩(wěn)定性和安全性。

2.1高速公路場景中的應(yīng)用

在高速公路場景下，自動(dòng)駕駛車輛通常以較高速度行駛，GNSS在這種場景中的應(yīng)用尤為重要。車輛需要實(shí)時(shí)獲取精確的位置、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)，以保持車道居中行駛并與其他車輛保持安全距離。通過GNSS與車載傳感器如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)的融合，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)突發(fā)情況，如緊急剎車或超車，確保行駛安全。GNSS的RTK技術(shù)能夠在開闊的高速公路上提供精確的車輛位置，不受建筑物等障礙物的遮擋影響，實(shí)時(shí)調(diào)整車輛的位置和速度。而PPP技術(shù)在大范圍內(nèi)提供高精度定位服務(wù)，彌補(bǔ)RTK在基站覆蓋不足區(qū)域的限制。

2.2城市道路與復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用

在城市道路中，GNSS信號(hào)容易受到高樓、樹木等障礙物的阻擋，導(dǎo)致多路徑效應(yīng)和信號(hào)反射問題，從而影響定位精度。這是自動(dòng)駕駛中常見的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。為了解決這個(gè)問題，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通常會(huì)采用GNSS與其他傳感器的融合技術(shù)。例如，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）可以與GNSS結(jié)合，當(dāng)GNSS信號(hào)丟失時(shí)，INS能夠依靠陀螺儀和加速度計(jì)提供短時(shí)間內(nèi)的相對(duì)位置信息，確保自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槎虝旱男盘?hào)丟失而出現(xiàn)決策錯(cuò)誤。此外，城市中的自動(dòng)駕駛車輛需要具備更高的路徑規(guī)劃能力，尤其是在復(fù)雜的交叉口、停車場等場景中，車輛必須依賴GNSS提供準(zhǔn)確的地理位置和車道級(jí)定位能力。隨著北斗系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)的逐漸完善，多星座、多頻段GNSS技術(shù)可以通過更多的衛(wèi)星信號(hào)提供冗余數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升定位精度和信號(hào)穩(wěn)定性。

2.3無人駕駛農(nóng)機(jī)與其他垂直應(yīng)用

自動(dòng)駕駛不僅在乘用車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在無人駕駛農(nóng)機(jī)、物流車輛等領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。例如，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)駕駛中，GNSS能夠?yàn)闊o人農(nóng)機(jī)提供厘米級(jí)的定位精度，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播種、耕作和施肥等任務(wù)。通過GNSS與其他地理信息系統(tǒng)（GIS）的結(jié)合，農(nóng)機(jī)能夠精準(zhǔn)地識(shí)別地塊邊界、作業(yè)范圍和規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化。

GNSS在自動(dòng)駕駛中的技術(shù)挑戰(zhàn)

雖然GNSS在自動(dòng)駕駛中發(fā)揮了重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍然面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。為了確保車輛能夠在復(fù)雜的道路環(huán)境中安全行駛，GNSS技術(shù)需要進(jìn)一步提升其抗干擾能力、誤差校正機(jī)制和信號(hào)穩(wěn)定性。

3.1多路徑效應(yīng)和信號(hào)遮擋問題

多路徑效應(yīng)是GNSS應(yīng)用中的主要問題之一，尤其是在城市高樓林立的環(huán)境中，信號(hào)容易反射并產(chǎn)生誤差。多路徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致定位信號(hào)的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響自動(dòng)駕駛車輛的路徑規(guī)劃和控制決策。為了解決這一問題，現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)通過使用多頻段衛(wèi)星信號(hào)、增強(qiáng)接收器的濾波能力以及結(jié)合其他定位傳感器（如視覺傳感器、慣性導(dǎo)航）等方式，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。信號(hào)遮擋問題在城市和隧道等環(huán)境中同樣顯著。當(dāng)車輛進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)受限區(qū)域時(shí)，GNSS信號(hào)的可用性下降，導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)不可用。為應(yīng)對(duì)這一問題，車輛的定位系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)冗余能力，能夠通過其他傳感器如IMU（慣性測量單元）、V2X（車對(duì)車及車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施通信）等提供備份方案，以避免系統(tǒng)在信號(hào)中斷期間出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。

3.2電離層和對(duì)流層誤差的影響

GNSS信號(hào)在傳輸過程中，會(huì)經(jīng)過電離層和對(duì)流層，這些大氣層中的物質(zhì)會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)間出現(xiàn)偏差，形成定位誤差。這種誤差在普通的導(dǎo)航應(yīng)用中影響不大，但對(duì)于要求厘米級(jí)精度的自動(dòng)駕駛而言，必須進(jìn)行有效的誤差校正。電離層誤差在高精度GNSS應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。為了消除這一誤差，GNSS系統(tǒng)采用了雙頻定位技術(shù)，通過同時(shí)接收不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)，解算出電離層對(duì)信號(hào)的延遲影響，并對(duì)其進(jìn)行修正。此外，地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）和星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）等服務(wù)，也通過實(shí)時(shí)傳輸精確的電離層數(shù)據(jù)，為自動(dòng)駕駛車輛提供可靠的誤差校正信息。

3.3定位初始化時(shí)間與精度問題

在高精度GNSS定位中，RTK和PPP技術(shù)都面臨一個(gè)共同的問題，即定位初始化時(shí)間較長。特別是PPP技術(shù)，通常需要十幾分鐘的初始化時(shí)間才能獲得高精度的定位結(jié)果，這在自動(dòng)駕駛中的實(shí)時(shí)應(yīng)用具有一定的局限性。為了解決這個(gè)問題，PPP-RTK技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它結(jié)合了RTK和PPP的優(yōu)點(diǎn)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度的定位，并且在基站覆蓋不足的情況下依然能夠保持較高的定位精度。隨著衛(wèi)星星座的增加和多頻段技術(shù)的完善，PPP-RTK將成為自動(dòng)駕駛高精度定位的未來發(fā)展方向。

GNSS未來發(fā)展方向

隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的逐步普及以及低軌道衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS的應(yīng)用前景更加廣闊。未來的GNSS技術(shù)將與其他先進(jìn)技術(shù)深度融合，進(jìn)一步提升自動(dòng)駕駛車輛的定位精度和安全性。

4.1GNSS與V2X技術(shù)的融合

V2X技術(shù)是自動(dòng)駕駛發(fā)展的重要支撐，它能夠?qū)崿F(xiàn)車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的實(shí)時(shí)通信。通過V2X，車輛可以共享位置信息、速度信息以及交通信號(hào)等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的路徑規(guī)劃和更安全的駕駛決策。GNSS為V2X提供了基礎(chǔ)的位置信息，確保車輛在動(dòng)態(tài)交通環(huán)境中能夠?qū)崟r(shí)獲取準(zhǔn)確的位置和速度信息，并通過V2X與其他車輛協(xié)調(diào)合作。未來，隨著V2X技術(shù)的普及，GNSS與V2X的結(jié)合將大幅提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的整體性能，確保自動(dòng)駕駛車輛在復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)協(xié)同駕駛和集群管理。

4.2低軌道衛(wèi)星與GNSS結(jié)合的前景

傳統(tǒng)的GNSS系統(tǒng)以中高軌道衛(wèi)星為主，雖然能夠提供全球覆蓋的定位服務(wù)，但在信號(hào)延遲和精度上仍存在一定的局限性。隨著低軌道衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，未來的GNSS系統(tǒng)將引入低軌道衛(wèi)星，進(jìn)一步提升定位精度、減少信號(hào)延遲。低軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢在于其距離地面更近，信號(hào)傳播時(shí)間更短，能夠提供更高的更新頻率和更低的延遲。此外，低軌道衛(wèi)星還可以彌補(bǔ)現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)和城市高密度區(qū)域中的信號(hào)覆蓋不足，提供更穩(wěn)定的定位服務(wù)。低軌道衛(wèi)星與現(xiàn)有GNSS的融合，將為自動(dòng)駕駛提供更強(qiáng)大的技術(shù)支撐，尤其在自動(dòng)駕駛等級(jí)提升到L4、L5時(shí)，對(duì)高精度、實(shí)時(shí)性要求極高的場景中。

結(jié)論

高精度GNSS是自動(dòng)駕駛技術(shù)中的重要組成部分，它為自動(dòng)駕駛車輛提供了實(shí)時(shí)、可靠的位置信息，確保車輛能夠在復(fù)雜的道路環(huán)境中安全行駛。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，GNSS的定位精度、覆蓋范圍和抗干擾能力都在不斷提升。未來，GNSS將與其他先進(jìn)技術(shù)如V2X、低軌道衛(wèi)星、5G網(wǎng)絡(luò)等深度融合，進(jìn)一步推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的普及與應(yīng)用。在這個(gè)過程中，GNSS將成為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中不可或缺的技術(shù)基石，為實(shí)現(xiàn)更加安全、智能、高效的交通系統(tǒng)提供支持。

參考

「1」https://blog.csdn.net/hongke_weixin/article/details/130052430

審核編輯 黃宇