为汽车应用提供连续的车道准确定位

如今，先进的单波段GNSS接收器可以满足V2X、ADAS和自动驾驶在开放天空条件下的高精度要求。为了在各种环境中可靠地服务，全球导航卫星系统接收器需要克服其在城市和其他具有挑战性的环境中的局限性。本文演示了如何使用基于GNSS校正服务和车辆动态模型的多波段RTK惯性导航系统来实现这一目标。基于卫星的定位在V2X应用和包括自动驾驶在内的高级驾驶辅助系统中都发挥着独特的作用。这是唯一能够实时确定车辆绝对位置的技术。它独立于地图、相机和地标。由于其基本工作原理完全独立于自动驾驶汽车中使用的其他传感技术，基于卫星的定位可以为多传感器网络提供其他技术无法提供的重要基础和支持。如今，全球导航卫星系统接收机技术正在不断克服其局限性。精度提高到几十厘米，收敛时间提高到几秒钟。延迟大约为10毫秒。位置更新频率也可以在10Hz以上。此外，通过更多的技术改进，还可以在城市峡谷、多层道路等具有挑战性的场景中进行定位。简而言之，在V2X和ADAS应用的时代，GNSS终于实现了技术成熟。然而，并非所有的进展都发生在全球导航卫星系统接收器上。在摩尔定律的影响下，硬件尺寸逐渐缩小到适合大众市场上便携式低功耗设备的微芯片。无处不在的无线互联网连接使全球导航卫星系统校正服务能够最大限度地减少电离层对全球导航卫星系精度的影响，而电离层是全球导航卫星网误差的主要来源。此外，国家和国际层面对空间领域的投资为我们提供了适合创新应用的新卫星系统。这使得接收机能够使用更多的卫星，从而获得关键的优势。这些进步将使我们能够为车辆配备最新一代多频段、多星座GNSS接收器，根据应用要求提供亚米级精度。但我们需要的不仅仅是提高定位精度。低延迟是新兴应用提出的另一个关键要求，例如“车辆到一切”通信。在V2X中，车辆使用无线信息相互“交谈”或与路边基础设施“交谈”，并在并线和超车过程中传输有关移动位置的警告和信息，以及在十字路口协商优先级。

图2：V2X用例中延迟的影响。在影响最小的情况下，较长的延误可能会造成痛苦，导致不必要的制动和加速，降低交通效率和乘客舒适度。在最坏的情况下，延迟可能是致命的。尤其是在高速公路上，车辆每100毫秒通过一辆汽车的长度。在大多数使用情况下，用于V2X通信的ETSI标准要求小于100毫秒的系统级延迟。下表总结了汽车市场中不同应用的要求。

注意：所有应用程序都需要惯性导航技术，包括车轮速度信息。CEP50值对应于在所有位置覆盖50%测量值的圆的半径。具有较短收敛时间的先进传感器融合滤波器对于ADAS、V2X至关重要，为了最终实现自动驾驶，即使在具有挑战性的环境中，GNSS接收器也必须能够提供稳健的车道定位。当卫星信号被暂时阻断时，它们需要在几秒钟内恢复高精度定位。这可以通过融合和过滤以下互补传感器来实现。

图2：用于高精度定位解决方案的单融合滤波器。多星座、多波段全球导航卫星系统接收器：全球全球导航卫星卫星系统星座的数量已从一个增加到四个，这意味着接收器可以在任何给定位置“看到”更多卫星。这可以解决接收器需要更多卫星才能精确定位的问题：当只使用单个星座时，需要四颗卫星；

但当有三个星座时，大约需要七颗卫星。除了更多的卫星外，多波段GNSS接收器还可以组合不同频率的信号，每种信号在特定应用中都可以发挥优势。例如，同时处理来自不同频率的两个信号可以有效地消除高达99.9%的电离层误差。另一种被称为“几何自由组合”的技术有助于检测载波相位的周期滑移。所有这些技术都只能通过多频带接收器来实现。实时动态算法：标准精度GNSS接收器跟踪至少四颗GNSS卫星的GNSS信号相位，以实现三角定位，而高精度GNSS接收机跟踪高频载波的相位。为了解决载波相位模糊的问题，高精度GNSS接收机采用实时动态算法。这些算法已经集成到一些全球导航卫星系统接收器模块中。RTK算法广泛使用通过无线连接提供的校准数据。对于汽车市场来说，基于蜂窝网络和卫星L波段的通信非常适合。除了节省数据传输成本外，即使在蜂窝网络信号较差或不可用的农村地区，L波段接收器也可以通过卫星接收RTK校正数据。广播全球导航卫星系统校正服务：全球导航卫星体系校正服务提供商通过监测来自基站网络的全球导航卫星系信号，不断估计全球导航卫星网信号误差。例如，精确的点定位RTK服务可以补偿卫星时钟、轨道、信号偏差、全球电离层以及区域电离层和对流层效应。在理想的情况下，这种类型的学校在美国大陆等大地区是有效的，并且带宽要求最低。传统服务基于粗略的位置估计，并向单个用户发送定制的校正流，而现代服务提供商采用更具可扩展性的方法向所有用户广播相同的动态GNSS误差模型。除了提高全球导航卫星系统接收器的精度外，高质量的校准数据还可以缩短接收器收敛到准确位置所需的时间。对于有头顶障碍物的环境，这一功能对于正常驾驶至关重要，因为这些障碍物可能会暂时中断GNSS信号。惯性传感器和传感器融合：多年来，惯性传感器已被用于增强全球导航卫星系统定位服务。通过实现惯性导航，它们使车辆定位系统能够补偿在隧道、停车场和其他具有挑战性的常见环境中遇到的GNSS信号的损失。通过融合惯性测量单元的每个组件收集的数据，定位模块可以继续提供GNSS信号被阻挡的环境中的估计位置。当GNSS信号接收暂时中断时，惯性传感器和传感器的融合有助于在定位解决方案中保持位置和速度相关信息。与纯GNSS解决方案相比，当卫星信号再次可用时，融合解决方案可以缩短收敛时间，这是解决载波相位模糊所需的时间。车载传感器：结合车载传感器的数据，进一步提高惯性导航解决方案的性能。如果算法检测到轮子没有移动，它可以忽略GNSS系统报告的位置变化（由于信号误差）。通过使用车轮速度传感器的加权计算获得的速度估计比仅仅依靠有噪声的加速度计更准确。此外，车轮转速传感器移动距离的连续校准可以纠正冬季和夏季轮胎更换带来的误差。动态模型：车辆的动态模型可以限制测量误差对位置估计的影响。该模型假设车辆不会横向滑动、垂直跳跃或以任何不合理的方式加速。所有全球导航卫星系统测量数据在用于导航滤波器之前，将通过该动态模型进行合理性检查。量化上述方案在隧道中的性能是一项极具挑战性的任务。首先，误差的主要来源是传感器误差，当它们被积分以获得车辆的速度和姿态时，误差往往会累积。这主要是因为误差来源于随机现象，而不是系统现象。为了准确描述其影响，有必要收集大量隧道数据并进行统计分析。其次，不可能获得与测量结果进行比较的精确“真实”位置。理想情况下，定位b……

应在这些隧道内使用基于完全不同技术的数据作为参考，以消除GNSS信号遮挡的影响。最后，即使是基于惯性传感器的昂贵参考系统也可能在一定程度上经历漂移误差。我们首先使用在开放天空条件下收集的数据创建一个虚拟隧道，而不是在实际隧道中测试真实系统的设置。为此，我们“断开”GNSS信号以模拟GNSS信号中断，迫使系统在惯性导航模式下导航。通过这种方式，我们可以将惯性测量单元的性能与高端真值系统进行比较。记录惯性导航解决方案和高端参考GNSS接收器的位置输出可以为我们提供必要的数据，以比较不同长度隧道中的性能。通过这种简单的技术，我们可以运行一组足够大的测试来定量分析性能并获得具有统计意义的结果。

图3：在没有全球导航卫星系统的情况下，惯性导航模式下的行程定位误差。在上图中，通过分析31次测试产生的1758次信号中断的数据，我们确定在惯性导航模式下，我们在行进距离上的定位误差约为2%。换句话说，每行驶一公里，水平定位的误差平均会增加20米。值得注意的是，惯性测量单元的性能对隧道测试结果有重大影响。在我们的配置中，我们使用了平均性能的标准IMU，而不是高端性能。在实际道路上测试隧道模拟只是更广泛的设备测试的一部分。为了验证上述技术组合，包括将多波段和多星座GNSS接收器与内置RTK算法相结合，广播GNSS校正数据、惯性导航IMU、外部轮速传感器和动态车辆模型，以可靠地提供准确的车道定位，我们还在各种复杂情况下进行了测试。由于GNSS和IMU误差的随机性，单个测试的结果可能会超过或低于以下所示的性能。在最近的高速公路驾驶中，主要是在开阔的天空条件下，我们的解决方案可以提供100%的可用性，并在50%的时间内实现5.8厘米的精度。在68%的时间内，水平速度分量的精度为0.02 km/h。在我们的测试中，我们对RTK固定解、RTK浮点解和惯性导航进行了比例统计，分别为82%、14.8%和3.1%。总之，该解决方案的精度比现有的单波段接收机高十倍。然而，必须注意的是，RTK固定点和浮点解的比例可能会产生误导。对于相同的接收器，在评估精度时，该比率可以有效地指示不同测试轨迹之间的相对难度水平。但是，当比较两个接收器的性能时，它并不是一个有用的指标。与单波段、无RTK配置相比，在巴黎高速公路和典型城市地区的开放天空条件下测量的结果显示出优异的性能改进。在最坏的情况下，在巴黎拉德芳斯区进行的城市峡谷测试仍然超过了V2X应用的要求。即使GNSS接收器不能完全固定载波相位的整数模糊度，CEP68也可以达到约1.1米的精度，并且该解决方案在95%的时间内具有表4的精度：开放天空：勃艮第高速公路；城市：巴黎12-16；

城市峡谷：巴黎拉德芳斯为汽车全球导航卫星系统提供了巨大的附加值。总之，通过将多波段、多星座GNSS接收器与内置RTK算法相结合，在定位解决方案中广播GNSS校正数据、用于惯性导航的IMU、外部车轮转速传感器和动态车辆模型，即使在最具挑战性的环境中也可以实现精确和连续的车道定位。这种定位能力还可以通过集成其他车辆传感器来进一步增强，使我们的交通系统更安全、更舒适、更高效。通过这种解决方案，全球导航卫星系统技术可以在惯性导航的帮助下得到增强，并为先进的汽车应用做好准备。我们发现，这种解决方案的准确性是现有技术的十倍。城市环境中的连续服务是通过多波段和多星座GNSS接收器的强大组合实现的。该接收器可以在信号被部分阻断的情况下最大限度地提高卫星的可见性，通过惯性导航补偿GNSS接收中的信号中断，并从GNSS中断中快速恢复。基于该产品的准确性和全球覆盖范围，以及全球导航卫星系统是唯一能够提供绝对实时位置和时间信息的技术，先进的汽车应用肯定会从该集成解决方案中受益。在这种情况下，1.1米的CEP68意味着68%的结果位于距离GNSS接收器在二维真实表面上的真实位置1.1米的范围内。

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