GNSS在车载导航和自动驾驶中的应用

导言

现状

若让卫星定位在汽车应用中发挥出重要的作用，定位的可信度是前提条件。

全球导航卫星系统(GNSS)技术已经为我们的生活带来了很多利好，定位导航只是其中一方面，而随着我们进入自动驾驶时代，这种积极影响还会表现在更多方面。

事实

GNSS定位方法自1990年创立以来一直沿用至今。首先接收机需接收至少四颗GNSS卫星信号，并计算其信号以光速从卫星轨道传播至接收机所需的时间，然后根据卫星发射信号时的精确位置，接收机可通过信号传播时间转换成的距离来确定自身的坐标。

然而，虽然基本方法没有改变，但GNSS卫星、接收机以及支持性基础设施、服务和算法在过去30年里已有显著的改进。

在上世纪90年代，GNSS接收机体积大、速度慢，主要还是供军方使用。而现在，这类硬件不仅性能越来越稳定，而且根据不同应用场景，GNSS接收机的尺寸甚至可以缩小到毫米级。

在本文中，我们将回顾GNSS技术随着自动驾驶时代的到来而逐渐发展成熟的过程。我们还将探讨这些技术正如何改变车辆导航解决方案、助力自动驾驶汽车普及。最后，我们将讨论支持GNSS的自动驾驶汽车对于整个行业的影响。

01.GNSS在车载导航中的未来前景

现状

GNSS技术最初是以卫星导航形式运用到车辆中，现在几乎所有新车都能提供组合导航解决方案。然而，几乎所有使用这项技术的用户都相信导航解决方案尽管已经很成熟，但目前仍有改进的空间。

其中一个常见问题是，在车辆点火之后，我们往往需要长时间等待GNSS接收机确定其位置，以便导航系统提供前往目的地的最优路线。

响应能力是其中一个挑战，另一个挑战则是精度。现在的车辆导航系统可以有效定位车辆所在的道路，预计未来能够定位其所在车道，这是实现更精准导航和增强现实抬头显示器(AR-HUD)等新型应用的先决条件。

AR-HUD可以在驾驶员视线区域内显示导航引导、碰撞警告、交通状态等相关信息。

解决方案

这两个挑战正通过技术解决方案得以解决。

例如，为了提高响应能力，GNSS接收机可以使用A-GNSS（辅助GNSS）通过高带宽蜂窝通信网络下载定位所需的卫星数据，从而避免星历下载速度慢导致的操作延迟（半分钟或更长时间）。

此外，通过存储车辆的最后位置并在系统初始化时进行检索，可以提高导航性能和改善用户体验。

同时，现在大多数GNSS接收机能够同时追踪GPS、GLONASS、Galileo和北斗等多个全球GNSS星座，增加了卫星接收的数量，这使得GNSS接收机在城市峡谷深处也能实现高精度定位。

此外，在多个频段上追踪卫星信号也带来了更多好处，包括减轻带电对流层中产生的卫星信号延迟，以及减少GNSS信号到达接收机途中的建筑物反射影响，这是导致定位误差的两个最重要原因。

但即使是多星座、多频段GNSS接收机也无法持续提供AR-HUD所需的车道级定位精度。为了稳定提供车道级定位精度，GNSS接收机需要实时GNSS校正数据，来校正卫星钟差和轨道误差以及其他误差源。

事实

汽车制造商已经开始尝试精密单点定位实时动态(PPP-RTK)校正服务和GNSS接收机所用的相关算法，预计不久的将来这类汽车就会投放到市场上。

在此之后，接收机还需要能够处理服务可用性中断（例如在通过隧道时）的问题。惯性导航解决方案将惯性传感器（加速计和陀螺仪）和车辆传感器的数据提供给GNSS接收机，以便在卫星信号中断时持续定位。

最后，导航解决方案需要一种方法来衡量从GNSS接收机接收到的卫星数据质量。有些最新研发的接收机提供保护等级（这个概念源于航空工业）的附加输出，可以提供对定位误差上限的估计。

这样一来，如果GNSS信号质量暂时较弱导致定位偏差过大，AR-HUD和车载导航系统会收到通知。

02.GNSS在自动驾驶中的未来前景

现状

如果说在度假途中不用担心迷路是件好事，那么不必亲自驾车就更是一件美事了。

尽管全自动驾驶汽车真正投入市场还需要数年时间，但高级驾驶辅助系统(ADAS)如今在大多数主要汽车制造商的生产线上已经很常见，这类系统提供越来越多的功能来支持驾驶员，但同时仍需要驾驶员自主控制车辆。

事实证明，从高级ADAS功能转变为真正不用眼睛看路、不用双手扶方向盘的自动驾驶，这个过程比预想的要困难。

事实

越来越多车厂已经意识到GNSS技术对于ADAS至自动驾驶这一转变过程的重要作用。在全自动驾驶功能完全普及之前，这类车辆很可能会在道路网络的专用路段和严格运行条件下投入使用。

例如高速智能驾驶（Highway Chauffeur）能在精确配置地理围栏的高速路段上实现车辆自主驾驶。

确定是否已满足启用自动驾驶功能的条件至关重要，因为假设您并没有在高速公路上，而是在旁边的乡村公路上行驶，那么您不会希望使用高速驾驶功能驾驶汽车。

错误识别自动驾驶功能的所谓运行设计域会导致难以估量的严重后果，所以相比上文所说的车道级导航应用，这对GNSS接收机的要求要苛刻得多。

接下来GNSS技术的发展趋势很可能涉及安全定位解决方案的开发。这些解决方案必须符合功能安全的行业标准，确保用户能够详细了解车辆软硬件可能发生的各种故障，并且可以检测和减轻这些故障。

此外，用户还需要充分了解这些技术本身固有的弱点，例如反射、弱信号或错误操作的影响。最后，这些解决方案必须能够抵御网络攻击。

随着自动驾驶汽车在复杂环境中安全通行能力的提高，车辆提供的每项功能的运行设计域将不断扩大，直到最终覆盖所有环境下的整个道路网络。到那时，全自动驾驶将随时随地全程与您相伴。

假设这种场景会成为现实，那么需要多久才能成为现实，谁也说不准。尽管如此在其成为现实之前，自动驾驶仍将影响企业的运营方式。事实上，这种影响已经开始显现。

自动驾驶汽车带给企业的好处显而易见，即减少人员成本和运营成本，提高安全性，并且优化了整体效率。

例如，车队所有者将受益良多，他们可以最大限度延长车辆投入运行的时间，同时可以节省保险费和驾驶员薪资，也可能通过远程管理而代替驾驶员完全不用驾驶员，以抵消自动驾驶汽车最初的高额成本投入。

落地案例

远程监督的机器人出租车已经在世界各地的多个城市声名鹊起，这就是一个很好的例证。

卡车运输业可能成为最先采用这项技术的行业，业内许多知名企业都在积极开发其自动驾驶卡车。虽然自动驾驶长途卡车可能还需数年才能成为现实，但多项试验已经证明自动驾驶技术在港口、高速公路和其他公共道路应用的可行性。

此外，编队驾驶（车队中几辆卡车自动相互跟随）已经在减少阻力、节省燃料和减少二氧化碳(CO2)排放方面表现出潜力。

03.

随着自动化程度的提高，GNSS的作用日益重要

现状

仅仅三十年时间里，GNSS技术已经有了一段传奇的历史。虽然这项技术初衷是军事应用，但很快就被汽车和运输行业以及测量和精准农业等行业所采用，后来又运用到智能手机、智能手表以及大量消费电子设备和工业物联网设备中。

GNSS最初帮助我们在驾车时找到前往目的地的最快路线，我们相信最终它能帮助我们实现自动驾驶。

随着汽车越来越多的功能依赖于高精度安全定位，GNSS接收机和所有相关的定位服务只会变得更加重要。