智能汽车技术第3章定位导航技术.pptx

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1、智能汽车技术第3章定位导航技术3.1定位导航简介3.1.1定位导航的定义定位导航是指利用电、磁、光、力学等科学原理与方法，通过测量运动物体每时每刻的位置参数，从而实现对运动物体定位，并正确引导运动物体从出发点沿着预定的路线，安全、准确、经济、高效地到达目的地的过程。定位是导航的第一步，导航是定位的一个连续过程，导航涉及路径规划和决策引导。所以，定位是导航的关键，核心指标就是定位精度。如图3-1所示，智能汽车的定位导航技术是指通过全球定位导航卫星系统、惯性导航系统以及视觉 SLAM、激光SLAM等手段，获取车辆的位置和航向信息。图3-1智能汽车的定位导航目前，投入使用的全球定位导航卫星系统（Gl

2、obalNavigationSatelliteSystem，GNSS。图3-2）有四个。图3-2全球定位导航卫星系统（GNSS）分别是美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS。图3-3）、中国的北斗导航卫星系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS。图3-4）、俄罗斯的格洛纳斯导航卫星系统（GlobalOrbitingNavigationSatelliteSystem，GLONASS。图3-5）和欧盟的伽利略导航卫星系统（GalileoNavigationSatelliteSystem，Galileo。图3-6），基本技术数据

3、见表3-1。图3-3美国全球定位系统 图3-4中国北斗系统图3-5俄罗斯格洛纳斯系统 图3-6欧盟伽利略系统定位分为绝对定位、相对定位和组合定位三种。绝对定位是指通过全球定位导航卫星系统实现，采用双天线，通过卫星获得车辆在地球上的绝对位置和航向信息；相对定位是指根据车辆的初始位姿，通过惯性导航获得车辆的加速度和角加速度信息，将其对时间进行积分，得到相对初始位姿的当前位姿信息；组合定位是将绝对定位和相对定位进行结合，以弥补单一定位方式的不足，甚至与高精地图相结合，以实现高精度定位。按照定位精度不同，可分为导航级精度和车道级精度两个级别。L1、L2级别的智能汽车，仅需要实现先进辅助驾驶功能（Adv

4、ancedDrivingAssistanceSystem，ADAS），因此，采用导航级精度即可满足使用要求。对于L3L5级别的智能汽车，需要在高速公路、停车场内等特定场景实现自动驾驶，则需要厘米级精度的导航。唯有如此，才能在高速公路上安全地实现超车、并线、上下匝道等自动驾驶动作，并在停车场内实现自如的停车入位。对于能够实现完全自动驾驶的L5级智能汽车，其定位精度应控制在10cm以内，才能确保行车安全。3.1.2定位导航方法定位导航方法主要有全球定位系统（GPS）、差分全球定位系统（DGPS）、北斗导航卫星系统（BDS）、惯性导航系统（INS）、航迹推算（DR）技术、视觉传感器定位、激光雷达定位

5、以及组合导航等。1.全球定位系统全球定位系统（GPS）是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航定位系统，是一种绝对位姿估计方法，该方法通过GPS来进行车辆定位。基于GPS的定位方法的优点在于可全天候连续定位，且适用于全局定位；缺点在于受环境影响较大，高楼、树木、隧道等都会屏蔽GPS信号，而且GPS定位精度低，更新周期长，远远不能满足自动驾驶的需求。图3-10GPS系统24颗定位导航卫星的分布2.差分全球定位系统差分全球定位系统（Differential Global PositionSystem，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。其基本原理是车

6、辆在行驶过程中用GPS作为基准，在GPS更新的时候，通过差分辅助，完成车辆厘米级的精确定位。3.北斗定位导航卫星系统北斗定位导航卫星系统（BDS）是中国自行研制的全球卫星定位导航系统，目前已经得到广泛应用，仅在民用领域的百度地图北斗定位开放平台中，BDS的定位导航功能使用量，每日即逾千亿次。在智能汽车和无人驾驶汽车的定位导航应用中，也已经实现了从“以GPS为主、BDS为辅”到“以BDS为主、GPS为辅”的转变，BDS的应用日益广泛。4.惯性导航系统惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）由陀螺仪、加速度传感器及软件构成，通过测量运动载体的角速度和加速度数据，并将

7、这些数据对时间进行积分运算，从而得到运动载体的速度、位置和姿态。汽车在驶入GPS/BDS信号被屏蔽的深山或隧道时，汽车上安装的惯性导航系统的定位导航作用会非常显著。5.航迹推算技术航迹推算（DeadReckoning，DR）技术是利用载体上一时刻的位置，结合智能汽车的航向、速度等信息，推算出当前时刻的位置。DR导航是一种自主式导航，一般不会受到外界环境的干扰，但由于其定位误差会随着时间增长而累积，不能长时间独立工作，因此，只能作为其他导航系统的辅助措施使用。惯性导航系统6.视觉传感器定位视觉传感器提供了丰富的色彩和图像信息，处理这些信息正是深度学习技术的强项。通过深度学习模型识别车道线、道路上

8、文字、停止线等固定的标识，并与高精地图数据进行对比，从而获取车辆的当前位置。视觉传感器定位的优势在于成本低；缺点在于定位精度低，误差大，并且在强光、逆光、黑夜场景下的定位效果也不理想。视觉传感器（工业摄像机/摄像头）7.激光雷达定位事先通过采集车采取道路的3D点云地图数据，在智能汽车行驶过程中实时利用激光雷达采集点云数据，与事先采集的点云数据进行比较，从而获取当前的车辆位置。激光雷达定位的优势在于探测精度高，探测距离远，对GPS/BDS的初值依赖度低，在没有GPS/BDS信号的场景下也能实现精准的车辆定位；其缺点是成本高，并且基于点云的地图数据时效性差，维护成本也高。8.组合定位高精度定位是自

9、动驾驶汽车的核心关键技术。所谓高精度是指定位精度要达到厘米级，上述任何一种定位方法都很难满足要求，因此，自动驾驶汽车必须使用组合定位。百度Apollo系统使用了GNSS、激光雷达、惯性测量单元（IMU）等多种传感器融合，再加上一个误差状态卡尔曼滤波器，使定位精度可以达到510cm，且具备高可靠性和鲁棒性，市区允许最高时速超过60km/h。德国博世（BOSCH）公司发布了一套自动驾驶精准定位解决方案，如图3-7所示。这套系统采用厘米级定位技术，以确保自动驾驶更加安全。图3-7德国博世公司的自动驾驶精准定位解决方案博世公司在2019年北美车展上首次发布了可助力自动驾驶汽车安全行驶和定位导航的新型传

10、感器，如图3-8所示。图3-8博世公司的新型定位导航传感器该传感器集成了全球定位导航卫星系统（GNSS）定位信号、校正数据（以校正不准确的卫星数据信号）、惯性传感器信息、车轮转速传感器以及转向盘转向角传感器等。此外，还包括一个高性能的定位数据信号接收单元，自动驾驶车辆需要该单元确定自身位置。图3-8博世公司的新型定位导航传感器对车辆自身进行精准定位和准确导航是自动驾驶汽车在实际交通环境中能够正常行驶的基本前提，也是智能（自动驾驶）汽车技术体系中的关键技术。图3-8博世公司的新型定位导航传感器3.1.3定位导航的精度要求智能（自动驾驶）汽车的定位精度（PositionalAccuracy）要求与

11、自动驾驶级别及驾驶场景密切相关。自动驾驶级别及驾驶场景不同，对定位精度的要求也不相同，具体关系见图3-9。图3-9定位导航的精度要求智能汽车L4/L5级别的自动驾驶，不仅对汽车位置精度要求高，而且对位置鲁棒性、车身姿态精度、车身姿态的鲁棒性都有严格的要求，详见表3-3。项目 指标 理想值位置精度 误差均值10cm位置鲁棒性 最大误差30cm车身姿态精度 误差均值0.5车身姿态鲁棒性 最大误差2.0应用场景 覆盖场景 全天候表3-3智能汽车L4/L5级别的自动驾驶对定位精度的要求3.2卫星定位技术3.2.1全球定位系统全球定位系统（GPS）是由美国国防部建设的全球首个基于卫星的无线电定位导航系统

12、，1993年实现24颗在轨卫星满星运行。如图3-10所示，24颗定位导航卫星平均分布在6个轨道面上，保证在地球的任何地方都可以同时见到412颗卫星，使地球上任何地点、任何时刻均可实现三维定位、测速和测时。图3-10GPS系统24颗定位导航卫星的分布全球定位系统（GPS）使用世界大地坐标系（WGS-84），能连续为世界各地的陆海空用户提供精确的位置、速度和时间信息。图3-11GPS系统的定位导航示意图GPS的最大优势是覆盖全球，可全天候工作，可提供高动态、高精度的定位导航服务（图3-11），目前已得到广泛应用。1.全球卫星定位系统的组成全球卫星定位系统（GPS）由空间部分、地面监测部分和用户部分

13、三大部分组成，如图3-12所示。（1）空间部分空间部分的任务是接受和存储来自地面监控站发来的定位导航指令，通过微处理器进行数据处理，持续不断地向GPS用户发送定位导航信息。图3-12全球卫星定位系统（GPS）的组成如图3-10所示，空间部分由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。图3-10GPS系统24颗定位导航卫星的分布24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，卫星轨道平面相对于地球赤道面的轨道倾角为55，各轨道平面的升交点的赤经（RightAscensionofAscendingNode）相差60，1个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30。可确保在全球任

14、何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。而最少只需要其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度数据，所能连接到的卫星数量越多，解析出来的位置精度就越高。（2）地面监测部分地面监测部分分散在世界各地，用于监视和控制卫星，其主要任务是确保系统正常工作，并验证GPS信号的精确度。地面监测部分主要由1个主控站、6个监测站和4个注入站组成。图3-12全球卫星定位系统（GPS）的组成主控站负责从各个监测站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布工作指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。监测站在主控站的直接控制下，自动对卫星进行持续不断的跟

15、踪测量，并将自动采集的伪距观测数据、气象数据和时间标准等参数进行处理，然后存储并传送到主控站。注入站则负责将主控站计算的卫星星历、钟差信息、导航报文、控制指令等发送给卫星。图3-12全球卫星定位系统（GPS）的组成（3）用户部分车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户部分。用户部分主要由GPS接收器、卫星天线及相关设备组成，其主要作用是从GPS卫星接收信号并利用传来的信息计算用户地理位置的三维坐标（纬度、经度、高度）、速度、方向和时间等数据。2.全球卫星定位系统的工作原理GPS定位系统是利用空间定位卫星，基于三球交汇定位原理，由接收装置通过测量无线电信

16、号的传输时间来测量距离并实现定位的。（1）三球定位原理 GPS定位系统空间部分的卫星不断向地面监测站及用户设备传送轨道信息和卫星上的原子钟产生的精确的时间信息，用户GPS接收机上有专门负责卫星无线电信号的接收器，同时也有自己的时钟。三球定位、四球修正原理示意图如图3-13所示，当用户接收机接收到第1颗卫星（SVN1）传来的信号时，接收机就可以测定该卫星与用户之间的空间距离用户位于以SVN1为球心、以观测距离R1为半径的球面与地球表面相交的圆弧上的某一点；当用户接收机接收到第2颗卫星（SVN2）传来的信号时，接收机就可以测定该卫星与用户之间的空间距离用户位于以SVN2为球心、以观测距离R2为半径

17、的球面与地球表面相交的圆弧上的某一点；图3-13三球定位、四球修正原理示意图SVN（spacevehiclenumber）空间飞行器识别号码当用户接收机接收到第3颗卫星（SVN3）传来的信号时，接收机就可以测定该卫星与用户之间的空间距离用户位于以SVN3为球心、以观测距离R3为半径的球面与地球表面相交的圆弧上的某一点。图3-13三球定位、四球修正原理示意图SVN（spacevehiclenumber）空间飞行器识别号码上述3个卫星球面与地球表面分别有3个相交的圆弧，这3个圆弧在地球表面上相交于一点，则该点的位置即为GPS用户所在的位置，由此实现GPS用户的定位。设GPS用户的三维位置信息为x，

18、y，z（未知量，待求解）,而3颗定位卫星的位置信息为xi，yi，zi（属于已知量），3颗定位卫星距离GPS用户的距离为Ri（可通过GPS信号往返的时间差及光速计算得到，属于已知量），则有（3-1）由于有3颗定位卫星参与定位，且有3个定位距离，分别取 i=1,2,3，于是有联立上式，即可求得GPS用户的三维位置信息（x，y，z）的具体数值，由此实现GPS用户的定位。如果星地（即空间的定位卫星与地面GPS用户）之间的时钟时基完全一致，没有时钟误差，则通过上式求得的GPS用户的三维位置信息（x，y，z）就是准确的，也就能实现对GPS用户的精准定位。但遗憾的是，星地之间的时钟时基无法做到完全一致，即不

19、可避免地存在着星地时钟误差。同时，无线电信号经过电离层和对流层时也会存在延迟。因此，通过上式计算得到的星地距离Ri并不十分精确，其值含有误差，故称其为伪距（Pseudo-range）。相应的，通过上式求得GPS用户的三维位置信息（x，y，z）也是存在误差的。为提高定位精度，就需要采用第4颗卫星进行修正。设用户接收机与卫星之间的时钟差为dt，光速为c0，则有由此，利用4颗卫星与地面用户机之间的Ri（分别取i=1,2,3，4）就可以消除星地时钟误差的影响，实现地面用户机的精准定位。（2）绝对定位与相对定位GPS定位分为绝对定位和相对定位两种。绝对定位亦称单点定位，是指使用一个GPS用户接收机，直接

20、得到用户接收机相对于地心的位置信息（WGS-84坐标系中的绝对坐标），从而实现定位。绝对定位方法的特点是作业方式简单，可以单机作业、瞬时定位。绝对定位方法的定位精度受卫星轨道误差、星地时钟差以及无线电信号传输延迟等因素的影响，一般其精度只能达到米级，多用于导航和对定位精度要求不高的场景中。注：WGS-84坐标系（图3-14）是1984世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem）的简称。WGS-84坐标系是美国国防制图局于1984年建立的，是GPS卫星星历的参考基准，也是协议地球参考系的一种。WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向国际时间局（Bureau Internation

21、al delHeure，BIH）发布的BIH1984.0协议定义的协议地球极（ConventionalTerrestrialPole，CTP）方向，X轴指向BIH1984.0协议定义的本初子午面与CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。世界大地坐标系先后有WGS-60、WGS-72、WGS-84等多种版本，而WGS-84又发展演变出WGS-84（G730）、WGS-84（G873）版本以及2001年完成的最新版本WGS-84（G1150）。图3-14 WGS-84 坐标系相对定位（RelativePositioning）是指利用两台GPS用户接收机，分别安置在基线的两端，同时对一组相同

22、的定位卫星进行观测，以确定基线在协议地球坐标系中的相对位置和基线向量。相对定位方法一般可推广到多台GPS用户接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星，以确定多条基线向量。差分定位是相对定位方法的一种，其定位精度最高（可达厘米级），在精准导航、大地测量、精密工程测量、地球动力学研究等精度要求较高的测量工作中被普遍采用。3.全球卫星定位系统的特点（1）优点1）全球全天候定位。2）覆盖范围广。3）定位精度高。4）观测时间短。5）采用全球统一的三维地心坐标，可同时精确测定观测站平面位置和大地高程。6）观测站之间无需通视。（2）缺点GPS作为目前应用最广泛的定位导航系统，对于有人驾驶汽车的定

23、位导航是足够用的。但仍然无法直接用于智能（无人驾驶）汽车的定位导航，其原因如下：1）开放精度低。GPS系统军用定位精度高，但只供美军内部使用，对外开放的民用部分定位精度太低（定位误差通常在10m左右），无法满足智能（自动驾驶）汽车的定位导航要求。2）定位数据的更新频率低。GPS系统的定位数据更新频率通常只有10Hz，当车速较高时，无法提供实时的、精准的定位信息。3）定位精度受环境条件的影响较大。GPS信号被建筑物、桥梁、树木遮挡时，其定位精度严重下降。特别是车辆处于隧道内部、地下车库等场景时，甚至无法提供有效的定位信息。（3）弥补措施为克服上述不足，在实际应用中，通常采取以下措施，提高定位精度

24、或弥补定位信号的缺失。1）采用差分GPS技术，利用地面基站的准确的定位信息校正GPS系统的误差，可将定位精度提高至厘米级别。2）综合使用惯性测量单元（IMU）、里程计（Odometry）以及航迹推算（DR）定位等技术，提高定位精度和定位数据的更新频率。即便是在GPS信号被遮挡时，仍能在短时间内得到相对精准的定位信息。3）在隧道内部、地下车库等无法接收GPS信号的特殊场景，则利用视觉SLAM、激光SLAM等定位手段，得到相对精准的定位信息。3.2.2差分全球定位系统1.差分全球定位系统的定义差分全球定位系统（DifferentialGlobalPositionSystem，DGPS）在GPS的基

25、础上采用信号差分技术，使用户能够从GPS系统中获得更高的定位精度。DGPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成，如图3-15所示。DGPS实际上是把一台GPS接收机放在位置已经精确测定的点上，组成基准站。基准站接收机通过接收GPS卫星信号，测得并计算出基准站到卫星的伪距，将伪距与已知的精确距离相比较，求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将该误差作为修正值以标准数据格式通过移动站向周围空间播发。图3-15差分全球定位系统（DGPS）的组成附近的DGPS用户接收到来自基准站的误差修正信息，以此来修正自身的GPS测量值，从而大大提高其定位精度（可达厘米级）。图3-15差分全球定位系统（DGPS

26、）的组成2.DGPS的类型根据DGPS基准站发送的信息方式不同，可将DGPS定位分为三类，即位置差分、伪距差分和载波相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，都是由基准站发送修正值，由用户站接收并对其测量结果进行修正，以获得精准的定位结果。所不同的是，发送修正值的具体内容不一样，其差分定位精度也有所不同。（1）位置差分位置差分（PositionDifferential）是根据基准接收机的定位误差解算值修正用户接收机定位结果的差分定位方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。位置差分要求基准站和移动站观测同一组定位卫星，安装在基准站上的GPS接收机观测4颗定位卫星后便可进行三维定位

27、，解算出基准站的观测坐标数值。由于存在着卫星轨道误差、时钟误差、SA（SelectiveAvailability，选择可用性）误差、大气影响、多路径效应（Multi-PathEffect）以及其他误差等，基准站解算出来的观测坐标数值与基准站的已知坐标数值是不一致的，存在误差。基准站利用数据链将此修正数据发送出去，由用户站接收，并据此对其解算的用户站坐标进行修正。最后得到的修正后的用户坐标已消除了基准站和用户站的共同误差（如卫星轨道误差、SA误差、大气影响等），提高了定位精度。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的场景。如果用户与基准站之间的距离过远，则由于两者的环境差异太大，将难

28、以保证定位的准确性。注：选择可用性（SelectiveAvailability，SA）技术简称SA技术，是美国国防部在其全球定位系统（GPS）中采用的一种限制性技术通过对GPS卫星发送、传播的电磁波信号蓄意施加干扰信号，以使非特许用户无法进行高精度的定位。由此造成的定位误差，称为SA误差。（2）伪距差分伪距差分（PseudoRangeDifferential）技术是在基准站上观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距修正数，将其传输至用户接收机，从而提高定位精度（可以达到米级）。与位置差分相似，伪距差分能将两站共同误差抵

29、消，但随着用户到基准站距离的增加，又将出现新的系统误差，这种误差用任何差分法都是无法消除的。因此，在伪距差分定位模式中，用户和基准站之间的距离对定位精度有着决定性的影响。伪距差分是应用最广的一种差分技术，几乎所有商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会（RadioTechnicalCommissionforMaritimeservices）推荐的RTCMSC-104以及沿海地区广泛使用的信标差分（BeaconDifferential）均基于伪距差分技术。RTCMSC-104伪距差分示意图我国沿海地区的信标站分布图（3）载波相位差分载波相位（CarrierPhase）差分技术又称

30、实时动态（RealTimeKinematic，RTK）差分技术，亦称积分多普勒（IntegratedDoppler）技术，是实时处理两个测控站载波相位观测值的差分方法（图3-16），即将基准站采集的载波相位发给用户接收机，然后再解算差分坐标（其定位过程历时不足1s）。载波相位差分技术是建立在实时处理两个测站的载波相位的基础上的，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的定位精度。图 3-16载波相位差分（RTK）示意图实现载波相位差分定位的具体方法分为修正法和差分法两种。修正法与伪距差分原理相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以修正其载波相位，然后求解坐标。差分法则是将基准站采集的载波相

31、位发送给用户机解算差分坐标。修正法属于准RTK技术，差分法是真正的RTK技术。高精度的RTK技术在智能（自动驾驶）汽车的定位导航技术体系中应用的最多。图3-16载波相位差分（RTK）示意图3.2.3北斗卫星导航定位系统1.北斗系统的组成与特性（1）北斗系统的组成北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，如图3-17所示。1）空间段。北斗系统的空间段是由若干个地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成的混合系统。2）地面段。北斗系统的地面段由主控站、时间同步/注入站和监测站等若干个地面站组成。3）用户段。北斗系统的用户段由芯片、模块、天线等基础产品以及终端产品、应用系

32、统、应用服务等组成。（2）北斗系统的特性北斗系统（BDS）的工作原理与GPS相同。与GPS相比，BDS具有以下特性：1）BDS属于有源系统，用户在定位过程中必须发射信号，因此BDS具备通信能力，这是BDS与GPS的最大区别。BDS具有低速通信能力，可以在中心站与任意一个用户机之间或任意两个用户机之间一次发送包含36个汉字字符的信息，经过授权的用户一次可以发送包含120个汉字字符的信息，该功能是GPS不具备的。2）BDS每次定位作业都是由用户机发出请求，经过中心站解算出用户坐标，然后发送给用户机。这种工作方式使得BDS存在用户容量限制。凡是未经授权的用户都无法利用BDS进行定位作业，因而，BDS

33、具有极好的保密性。3）BDS完成一次定位作业，测距信号需要经中心站-卫星-用户机往返两次，因而耗时较长（从用户机发出定位申请，到用户机接收到定位数据，大约需要1s），适合船舶、车辆、人员等低速运动目标的精准定位。2.北斗系统的特点1）空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座模式，与其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力更强，尤其是在低纬度地区，性能优势更加明显。2）提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高定位精度。3）创新融合了导航与通信功能，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。3.北斗系统的服务功能BDS具有定位导航和

34、通信数据传输两大功能，提供以下7种服务：定位导航授时；全球短报文通信；国际搜救；星基增强；地基增强；精密单点定位；区域短报文通信。其中，是面向全球的，是面向中国及周边地区的。4.北斗系统的性能指标（1）定位导航授时服务指标（2）全球短报文通信性能指标（3）国际搜救服务性能指标（4）星基增强服务性能指标（5）地基增强服务性能指标（6）精密单点定位服务性能指标（7）区域短报文通信服务性能指标5.北斗地基增强系统自动驾驶技术的发展推动着高精度定位技术在汽车领域的应用，实现L3级别的自动驾驶需要达到分米级别的定位精度，实现L4及以上级别的自动驾驶则需要达到厘米级别的定位精度。除了依靠车辆自身的传感器进

35、行精准定位之外，车外的高精度定位系统也是不可或缺的。目前，地面道路正在形成“5G+北斗（或GPS）卫星+地基增强系统”为主的高精度定位系统，停车场则有可能形成V2X或超宽带（UltraWideBand，UWB）无线载波通信定位技术为主的高精度定位系统。UWB定位助力无人驾驶实现高精度室内定位北斗地基增强系统是按照“统一规划、统一标准、共建共享”原则建设的国家级地基增强技术体系。（1）北斗高精度定位服务平台为将北斗系统的高精度定位能力变成公共服务，打造物联网时代的新时空基础设施，基于北斗地基增强系统，可采用市场化运作方式，建设北斗高精度定位服务平台、构建北斗高精度定位服务生态圈（图3-18），使

36、其更好地为国民经济发展服务。北斗地基增强系统主要由基准站、通信网络系统、国家数据综合处理系统、行业数据处理系统、数据播发系统和应用终端六个分系统组成，具备在全国陆地范围内提供实时米级、分米级、厘米级、毫米级（需经过后处理）的高精度定位服务能力。图3-18北斗高精度定位服务生态圈（2）北斗地基增强系统的高精度应用1）交通行业应用。目前，已经开发了交通行业应用软件和服务测试评估子系统，采集和制作了30km公路高精度车道线级别的导航数据，车道线特征点坐标精度小于20cm，具有监控非法连续并线等违章行为的能力，如图3-19所示。通过对车载终端设备（图3-20）的改造升级，利用北斗地基增强系统提供的高精

37、度定位服务，支持车道级别的导航应用。图3-19监控非法连续并线图3-20车载终端设备2）智能驾驶应用。基于北斗“星地融合一张网”的智能汽车高精度位置感知方案，以网络RTK形式播发数据至车载终端，可为自动驾驶汽车提供覆盖全国的实时高精度定位导航服务。同时，星基增强系统还可进一步实现双链路数据收发，满足未来自动驾驶的冗余度要求。3.3惯性导航与航迹推算技术GPS/BDS可以为地面车辆提供米级的绝对定位，采用差分技术特别是RTK差分技术之后，定位精度可以达到厘米级，足以满足智能汽车自动驾驶的需要。但是，并非所有应用场景都能在全时空条件下得到良好和精准的GPS/BDS定位信号。例如，在隧道、地下车库等

38、特殊场景，仍然需要其他定位措施，以弥补GPS/BDS信号缺失的不足。在智能汽车自动驾驶技术体系中，多采用GPS/BDS+惯性导航技术+航迹推算技术等多种定位技术的融合，为自动驾驶汽车提供全方位、全时空的定位导航服务。3.3.1惯性导航技术1.惯性导航系统惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）是一种利用惯性传感器检测载体的角速度信息，并结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统。惯性导航系统属于一种推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动载体航向角和速度信息推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动载体的当前位置。惯性导航系统一般采

39、用陀螺仪和加速度传感器来测量载体的运动参数，其工作原理如图3-21所示。图3-21惯性导航系统的工作原理2.机械式陀螺仪传统的机械式陀螺仪（图3-22）是基于角动量守恒原理工作的。陀螺仪（Gyroscope）的核心器件是一个高速旋转的转子，称为陀螺（Top）。当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺转子的自转轴在惯性空间中的指向始终保持稳定不变，即指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴指向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性（或称稳定性）。陀螺转子的转动惯量越大，其稳定性越好；陀螺转子角速度越大，其稳定性越好。图3-22机械式陀螺仪如图3-23所示，将陀螺仪的基座固

40、装在汽车车身上，转子轴即可提供惯性空间的给定方向。若汽车直线行驶时，转子轴水平放置并指向仪表的零位，则当汽车绕铅直轴Z转弯时，仪表就会相对于转子轴产生偏转，从而指示出车辆转弯的角度（即指示出汽车绕Z轴的偏转角）。图3-23车辆坐标系及惯性测量单元（加速度传感器+陀螺仪）Roll-侧倾角（亦称翻滚角或滚桶角）；Pitch-俯仰角；Yaw-偏转角（亦称航向角或偏航角）3.微机电陀螺仪传统的机械式陀螺仪结构复杂，需要借助外力使陀螺转子保持高速旋转，加之体积较大、精度较低，维护、校准的工作量都很大。因此，作为惯性导航设备的机械式陀螺仪，只用于早期船舶、飞机的导航。随着微机电系统（Micro-Elect

41、ro-MechanicalSystem，MEMS）技术的发展，现在的汽车、飞机、船舶上使用的惯性导航陀螺仪，都是采用微机电技术生产的，称为微机电陀螺仪。在某些对精度要求更高的场合，则采用光纤陀螺仪或激光陀螺仪。微机电系统是指尺寸在几毫米甚至更小的空间内制造的机电设备。微机电系统的内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个小巧的、独立的智能机电系统。早期美军战斗机上装备的A70陀螺仪微机电振荡器微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微机电系统是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻

42、、电铸、注塑、腐蚀、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械产品。微机电陀螺仪是采用纳米技术加工的微型机电装置，是一种振动式角速度传感器，其基本原理为将一种振动模式激励到另一种振动模式上，其输出参量的幅值（如电容值的变化量）与输入的角度成正比。微机电陀螺仪微机电陀螺仪是基于科里奥利力原理工作的。科里奥利力（Coriolisforce）亦称哥里奥利力（简称科氏力），是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。1835年，法国气象学家科里奥利（Coriolis，图3-24）提出，为了描述旋转体系中质点的直线运动，需要在其运动方程式中引入

43、一个假想的力。这个假想的力，被命名为科里奥利力。图3-24法国气象学家科里奥利（Coriolis）引入科里奥利力的概念之后，就可以像处理惯性体系的运动方程式一样简单地处理旋转体系的运动方程式，大大简化了旋转体系的处理方式。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系，因而科里奥利力很快就在流体运动领域取得了成功的应用。如图3-25所示，电容敏感式微机电陀螺仪多制作成悬吊式结构，外框架（静框架）有均布的梳状电容板组，内框架（动框架）也有均布的梳状电容板组，两组梳状电容板组互相嵌合，组成电容器。微机电陀螺仪基体固装在载体（如汽车车身）上，当载体产生偏转角速度时，内框架与外框架即出现位移变化，并导致

44、两组梳状电容板组的间距产生变化，从而使电容器的电容值产生变化。检测电容值的变化，即可检测出载体角速度的变化。图3-25微机电陀螺仪的梳状电容板微机电陀螺仪的内部结构如图3-26所示。共振质量M（亦即质点M）通过弹簧S5、S6、S7、S8悬吊在内框架F2内，共振质点M与内框架F2之间允许有相对运动（图示状态为允许共振质点M沿着Y轴方向振动）；内框架F2通过弹簧S1、S2、S3、S4悬吊在外框架F1内，内框架F2与外框架F1之间允许有相对运动；内框架F2的外侧固装有一组电容板，外框架F1的内侧也固装有一组电容板，分别与内、外框架固装的两组电容板互相嵌合。外框架作为微机电陀螺仪的基体，与载体（如汽车

45、车身）固定安装，以检测载体的姿态变化。图3-26微机电陀螺仪内部结构示意图当微机电陀螺仪载体静止不动、处于稳态时，微机电陀螺仪亦处于稳态，共振质点M以及内、外框架亦处于稳态。此时，与内、外框架固装且互相嵌合的两组电容板的间距亦处于稳态，相应地，其电容值亦为某一固定值。如图3-27所示，当载体姿态发生突然变化时（如以角速度产生旋转运动），共振质点M受科里奥利力的影响，产生位移，使弹簧S5、S6受压，弹簧S7、S8受拉；利用检测电路（图中未示出）实时检测两组电容板的电容值的变化，就可以检测出载体绕某一轴转动时的角速度。并使内框架F2产生位移，进而使与内、外框架固装且互相嵌合的两组电容板的间距发生变

46、化，相应地，其电容值就会发生变化。图3-27载体发生旋转运动时电容板间距的变化图3-26和图3-27只是用于阐述微机电陀螺仪的结构和工作原理，实际的微机电陀螺仪内部结构非常小巧和精密，需要借助放大镜才能看清楚（图3-28）。微机电陀螺仪采用整体封装之后，其外形尺寸比25美分的硬币还要小得多（图3-29）。图3-28放大镜下的微机电陀螺仪内部结构图3-29微机电陀螺仪的外形尺寸微机电陀螺仪属于微电子产品，发展迅速，而且成本越来越低，用途越来越广。现在的智能手机之所以能够检测你每天的运动步数、甚至能检测出你不小心摔了一跤，就是因为手机内部装备了微机电陀螺仪。骑行平衡车时，人体任意变换姿势而平衡车依

47、然能够保持平衡、稳定地行驶，也是因为其内部装有微机电陀螺仪的缘故（图3-30）。图3-30平衡车内部装有微机电陀螺仪4.惯性测量单元惯性导航系统通过惯性传感器测量载体的角速度和加速度信息。惯性测量单元（InertialMeasurementUnit，IMU）是惯性导航技术的硬件基础，通常包括三个正交的微机电陀螺仪和三个正交的加速度计（Accelerometer，亦称加速度传感器，多用G表示），分别用于测量三轴角速度信息以及三轴加速度信息（图3-23和图3-31）。图3-31惯性测量单元（IMU）图3-32IMU产品根据控制精度和用途不同，三轴加速度的测量可采用机械式加速度计、振动梁式加速度计或

48、力平衡摆式加速度计。三个正交的微机电陀螺仪和三个正交的加速度计G分别以单体形式安装在正六面体上，组成惯性测量单元IMU本体（亦即IMU=G+Gyroscope），封装之后（图3-32）通常安装在载体（汽车）的重心处，如图3-33所示。图3-32IMU产品 图3-33惯性测量单元IMU安装在载体（汽车）的重心处如图3-34所示，惯性测量单元通过对三轴角速度的积分得到车辆的航向角、俯仰角和侧倾角，通过对三轴加速度的积分和二次积分，即可分别求取车辆的速度信息和位置信息。图3-34惯性测量单元求取车辆姿态信息、速度信息和位置信息如图3-35所示，IMU的一个重要特征在于它能以较高的频率更新数据输出。因

49、此，IMU可以提供近乎实时的载体位置信息。惯性导航系统可以看成是IMU与算法软件的融合，通过内置的微处理器，能以高达100Hz的频率输出载体的高精度三维位置、速度、姿态信息。图3-35IMU的数据输更新频率比GPS高在自动驾驶汽车上，GPS已经成行车定位必不可少的技术。但GPS也有其劣势，如信号差、有误差、更新频率低等问题，所以仅靠GPS还无法完全满足自动驾驶汽车的定位需求。IMU惯性测量单元数据输出的更新频率高，且不受外界条件变化的影响，可以作为GPS定位的很好的补充措施。“GPS+IMU”的组合方案，就是为了融合IMU的航向速度、角速度和加速度信息，来提高GPS的定位精度和抗干扰能力。IM

50、U相对GPS来说，不仅能提供一些信息，还能提供补全导航信息，因为GPS本身只提供位置信息，IMU还可以提供航向姿态信息，这是在智能车辆控制过程中必须掌握的信息。因为IMU会提供不同的角速度信息，自动驾驶系统可以非常敏锐地、实时地监测到车辆姿态的变化，可以更精准的识别一些比较复杂的路况信息。5.惯性导航系统的作用1）临时替补，作为其他导航技术的冗余配置，查缺补漏，随时提供必要的辅助支持。如图 3-36所示，当GPS/BDS定位导航信号缺失或很弱时（如GPS/BDS定位导航信号被高层建筑物遮挡时，或车辆驶入隧道，或在地下车库内寻找车位时），惯性导航系统即投入工作，用积分法取得最接近载体真实状态的三