2.4 定位系统

智能驾驶汽车需要通过定位技术准确感知本车在全局环境中的相对位置，以及所需要行驶的速度、方向、路径等信息。定位技术主要有卫星导航定位、车载导航定位、蜂窝无线定位等，其中卫星导航定位系统由于具有覆盖全球的优点，所以非常适用于智能驾驶领域。卫星导航定位系统主要包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）、欧洲的伽利略卫星定位系统（GALILEO）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。

2.4.1 GPS和北斗

GPS是由美国国防部研制建立的具有全方位、全天候、全时段、高精度特点的卫星导航定位系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范。

GPS的定位原理是根据三角测量定位来实现的，同时利用相关技术获取观测值。在相关接收中，卫星时钟用于控制卫星发射的伪随机信号，本地时钟用于控制用户接收机的伪随机信号，两者之间有较大的时差。GPS用户终端可以同时跟踪4颗GPS卫星并捕获其信号，那么，将两个时钟之间的时差作为未知量，使其和观测点坐标共同组成一个四元方程组，方程组的解就是观测点的经纬度坐标和时差，通过这种方法进行定位可以得到较高的定位精度。这个观测值通常被称为伪距观测量，其原因是：第一，它是以地表和卫星之间的距离为变量的函数；第二，由于大气效应和时钟误差的影响，测量结果与实际的距离之间存在偏差。

GPS的主要特点包括：① 能够实现全球、全天候的导航定位服务，因为GPS卫星的数目较多且分布均匀，所以保证了在地球上的任何地方、任何时间都至少可以同时观测到4颗GPS卫星；② 覆盖范围广，能够覆盖全球98%的范围，可满足位于全球各地或近地空间的军事用户连续、精确地确定三维位置、三维运动状态和时间的需要；③ 定位精度高，GPS的相对定位精度在50km以内可达6～10m，在100～500km之间可达7～10m，在1000km可达9～10m；④ 观测时间短，20km以内的相对静态定位仅需15～20分钟；在采取快速静态相对定位模式测量时，当每个流动站与基准站相距15km以内时，流动站观测时间仅需1～2分钟；采取实时动态定位模式测量时，每站观测仅需几秒钟；⑤ 可提供全球统一的三维地心坐标，可同时精确测定测站平面位置和大地高程；⑥ 测站之间无须通视，只要求测站上空开阔，这既可大大减少测量工作所需的经费和时间，也使得选点工作更灵活，可省去经典测量中的传算点、过渡点等测量工作。

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航定位系统，由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为10m，测速精度为0.2m/s，授时精度为10ns。

北斗一代和北斗二代定位系统都采用伪距法进行导航定位。由于北斗一代系统观测量较小且工作方式为有源定位，所以北斗一代与北斗二代在定位原理和精度上有所不同。北斗一代卫星导航定位系统的定位原理是基于三球交汇原理，以两颗卫星的已知坐标为球心，球心至用户的距离为半径，可画出两个球面，用户终端必然位于这两个球面交线的圆弧上。第三个球面以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面，三个球面的交汇点即为用户位置。而北斗二代是典型的RNSS系统，它的定位原理与GPS类似，至少需要4颗卫星。

全球四大卫星导航定位系统比较如表2-3所示。相比于GPS系统，北斗卫星导航系统的优势主要是在城市高遮挡区域的信号可用度更高，且首次定位时间更快。北斗卫星导航系统还可以直接授时，同时具备短报文通信功能。目前，大部分智能驾驶汽车的卫星定位接收机都支持北斗/GPS双模制式，可以充分利用两套卫星导航定位系统的优势和卫星资源，精度和可靠性更高，同时两套系统的定位结果也可以进行互相验证。在汽车应用市场，随着北斗卫星导航系统的逐步完善和终端价格的逐步降低，北斗/GPS双模制式的汽车定位导航产品已经成为主流产品。

2.4.2 差分定位技术

为了进一步提高GPS定位精度，可以采用差分定位技术进行智能驾驶汽车的定位。差分全球定位系统（Differential Global Position System，DGPS）在GPS的基础上利用差分技术，使用户能够从GPS系统中获得更高的定位精度。

GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测值来实现的，同时还必须知道用户时钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在此定位过程中，可能产生三类误差：第一类是用户接收机所共有的误差，如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二类是不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三类是用户接收机所固有的误差，如内部噪声、通道延迟、多径效应等。

差分全球定位系统数据流程示意图如图2-6所示，采用一台基准站接收机（基准站）和一台移动站接收机（用户接收机），利用差分定位技术，第一类误差可以被完全消除；第二类误差可以被消除大部分，消除程度主要取决于基准站接收机和用户接收机的距离；第三类误差则无法被消除。

根据基准站发送数据的方式，可将差分定位技术分为三类，即位置差分定位、伪距差分定位和载波相位差分定位。这三类差分定位技术的工作原理相同，即由基准站发送修正数据，由移动站接收数据并对其测量结果进行修正，以获得更精确的定位结果；不同的是，发送修正数据的具体内容不一样，相应的差分定位精度也不同。

（1）位置差分。

位置差分是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机都可被改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应和其他误差，解算出的基准站观测坐标与基准站已知坐标是不一样的。将观测坐标与已知坐标之间的差值作为修正值，利用基准站的数据传输设备将此修正值发送给移动站，并对移动站坐标进行修正。修正后的移动站坐标已经消除了基准站和移动站的共同误差，从而提高了定位精度。位置差分方法适用于当移动站与基准站之间的距离小于100km时，即移动站和基准站观测到的是同一组卫星。

（2）伪距差分。

伪距差分是目前应用得最广泛的一种技术。几乎所有的商用DGPS接收机均采用这种技术。利用基准站已知坐标和卫星星历可以计算出基准站与卫星之间的计算距离，将计算距离与观测距离之差作为修正值，发送给移动站，移动站利用该修正值来更正测量的伪距。最后，移动站利用修正后的伪距计算出自身位置，就可以消除公共误差，从而提高定位精度。

与位置差分相似，伪距差分能将基准站和移动站的公共误差抵消，但随着移动站到基准站之间距离的增加，又会出现系统误差，这种误差用任何差分方法都无法消除。用户移动站和基准站之间的距离对定位精度有决定性影响。利用伪距差分方法，定位精度可达到分米级。

（3）载波相位差分。

载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic，实时动态）技术，它建立在实时处理两个测站的载波相位的基础上，与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链及时将其载波观测值和基准站的坐标信息一同传送给移动站。移动站接收卫星的载波相位和来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理。载波相位差分技术能实时提供观测点的三维坐标，定位精度可达到厘米级。

实现载波相位差分的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分原理相同，即基准站把载波相位修正值发送给移动站，以修正其载波相位，之后求解坐标；后者把基准站采集的载波相位发送给移动站进行求差解算坐标。前者是准RTK技术，后者才是真正的RTK技术。

RTK技术属于广域定位技术，对周边障碍物和天气状况不敏感，但必须要求能够接收到有效的BDS/GPS信号，因此，RTK定位常在隧道、高楼等严重遮挡的环境下失效。此外，RTK定位还要求车辆与RTK差分基准站必须能够实时通信，进行位置数据解算，这就要求在车辆运行环境中需要提前设置RTK差分基准站。通常单个基准站覆盖范围只有数十千米，这也限制了RTK技术的推广应用。对于RTK定位的这些问题也存在一些解决办法，在有隧道、高楼遮挡的情况下，可采用高精度惯性导航系统对车辆本身位置进行预测与保持，在车辆速度、方向等不发生剧烈变化的条件下，定位精度保持时间可达数分钟。

2.4.3 惯性导航系统

惯性导航依据牛顿惯性原理，利用惯性测量单元来测量移动载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置信息，从而达到对移动载体导航定位的目的。惯性导航属于一种推算导航方式，即从一个已知点的位置出发，根据连续测得的移动载体航向角和速度推算出下一个点的位置，因而可连续测出移动载体的当前位置。惯性测量单元中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向角和姿态角；加速度计用来测量移动载体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

惯性测量单元的优点包括：不依赖于任何外部信息，不向外部辐射能量，不受外界电磁干扰的影响；可全天候、全时间段地工作于空中、地球表面乃至水下；能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好、噪声低；数据更新率高、短期精度和稳定性好。惯性测量单元也存在一些缺点：由于导航信息是经过积分而产生的，定位误差随时间增加而增大，长期精度差；每次使用前需要较长的初始对准时间；设备价格较昂贵；不能给出时间信息。

惯性导航系统能够提供移动载体的实时位置和姿态数据，是完全自主的导航方式，但是惯性导航系统导航定位误差会随着时间增加而越来越大。GPS具有定位精度高和测速精度高的优势，而且基本不受时间、地区的限制。但是在卫星信号受到屏蔽或遮挡时，接收机就无法定位。这两者的组合不仅可以充分发挥各自的优势，而且随着组合程度的加深，组合导航系统（BDS/GPS+INS）的定位效果至少不会比各自独立系统的定位效果差。

组合导航系统按照信息交换或组合程度的不同，可分为松耦合和紧耦合。松耦合以惯性导航系统为主，在卫星导航定位系统工作时，卫星信号用于导航信息的最优估计，并用最优估计结果反馈修正惯性导航系统，使其保持高精度；当卫星信号不可用时，惯性导航系统单独工作，输出惯性导航解。这种组合方案目前已经在车载组合导航系统中得到了广泛应用，结果表明：在卫星信号工作良好的区域或短时间“丢星”或失锁时，该组合导航系统的输出精度都较高。但是，当载体进行高动态机动运动或卫星接收机受环境干扰影响而长时间不能工作时，组合导航系统的精度将随系统运行时间增加而急剧降低，可靠性和抗干扰能力较差。相比松耦合而言，紧耦合为双向信息传输，即一方面卫星信号用于修正惯性导航系统，另一方面惯性导航系统信号在卫星星历的辅助下，也可以计算移动载体相对于卫星的伪距和伪距率，并用该信息辅助卫星信号的接收和码环锁相过程。能够增强卫星信号的快速捕获能力和抗干扰能力，提高接收机的精度、动态性和可靠性，在卫星信号可观测数据少于4颗星时，仍然能够输出有效信息。

目前，国内和国外的智能驾驶研究领域多数都采用了惯性导航系统和卫星导航相组合的方式，从而实现智能驾驶汽车的实时精准定位和导航。另外，还可以从惯性导航（惯导）系统中获取车辆的姿态数据和较为准确的速度、加速度等数据。

2.4.4 姿态感知

智能驾驶汽车的姿态感知主要包括车身位姿和车身状态感知。车身位姿主要指智能驾驶汽车的侧倾角和俯仰角。通常采用惯导或陀螺仪等来测量这些参量。惯导可以与GPS接收设备相结合，GPS定位信息可以对惯导的积分偏离做出实时校正，惯导可以对GPS数据进行过滤分析，实现精准定位。

车身状态主要包括车辆的行驶速度、纵向加速度、发动机转速、发动机转矩、转向盘转角、横摆角速度、横向加速度、节气门开度、当前挡位、制动灯状态、制动主缸压力、发动机循环水温等状态信息。其中与智能驾驶汽车研究密切相关的信息有车辆的行驶速度、纵向加速度、发动机转速、转向盘转角、节气门开度、制动灯状态和制动主缸压力。对车辆进行闭环反馈控制，就必须获取这些关键的车辆状态信息，其中部分信息可以直接从车辆CAN总线上读取。