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为汽车应用提供连续的车道准确定位

作者:   时间:2019-11-18 17:47

现在,先进的单频带GNSS接纳器可以在开阔的天空条件下满意V2X、ADAS和自动驾驭的高精度要求。为了能在各类环境中可靠地服务,GNSS接纳机需求战胜在城市和其他应战性的环境中的局限性。本文演示了怎么运用根据GNSS校对服务和车辆动态模型的多波段RTK惯性导航体系完成这一方针。   不管是在V2X运用,仍是在包含自动驾驭在内的先进驾驭辅佐体系(ADAS)中,根据卫星的定位都发挥着绝无仅有的效果。它是可以实时确认车辆肯定方位的仅有技能。它独立于地图、摄像头和地标。因为其底子作业原理与自动驾驭车辆中运用的其他传感技能(如激光雷达、摄像头、超声波)彻底无关,因而根据卫星的定位可为多传感器网络供给其他任何技能都无法给予的重要根底和支撑。   现在,全球导航卫星体系(GNSS)接纳器技能正不断战胜其局限性。精度进步至几十厘米,收敛时刻(接纳器在信号中止和随后从头获取后到达预订精度水平所需的时刻)进步至几秒钟。推迟(从丈量方位到设备将此方位报告给网络之间的时刻)大约为10毫秒。方位更新频率也能做到10Hz以上。此外,经过更多技能改善,在城市峡谷、多层路途和其他具有应战性的场景中也能进行定位。   简而言之,在V2X和ADAS运用的年代,GNSS总算完成了技能老练。   可是,并非全部前进都发生在GNSS接纳器中。在摩尔定律的影响下,硬件尺度逐步缩小为适用于群众商场的便携式低功耗设备的微型芯片。无处不在的无线互联网衔接使GNSS校对服务可以最大极限地削减电离层对GNSS精度的影响,而电离层影响正是GNSS差错的首要来历。此外,国家层面和世界层面关于太空范畴的出资为咱们供给了为立异运用量身定制的新卫星体系。这使得接纳器可以运用更多(可见)卫星,从而取得要害性的优势。   这些前进将使咱们可以为车辆装备最新一代多频带、多星座GNSS接纳器,供给亚米级的精度(乃至可达几十厘米),详细取决于运用的要求。   可是咱们需求的并不仅仅是定位精度的进步。低推迟是新式运用提出的另一项要害要求,例如“车辆到全部”(V2X)通讯。在V2X中,车辆运用无线音讯互相“攀谈”或与路旁边根底设施“攀谈”,并在合流和超车时传递关于移动方位的正告和信息,以及在穿插路口洽谈优先权。       图画2:V2X用例中推迟的影响。   在影响最小的情况下,较长的推迟或许会形成困扰、导致不必要的制动和加快、下降车流功率以及乘客舒适度。而在最糟糕的情况下,推迟或许会是丧命的。特别是在高速公路上,车辆每100毫秒就会驶过一辆轿车的长度。在大多数用例中,V2X通讯所选用的ETSI(欧洲电信规范协会)规范要求体系等级的推迟低于100毫秒。   下表总结了轿车商场中不同运用的要求。   注:全部运用都需求惯性导航技能,包含轮速信息。CEP50值对应于掩盖全部方位丈量值的50%的圆的半径。   先进的传感器交融滤波器,收敛时刻更短   关于ADAS、V2X,以及为了终究完成自动驾驭,即便在充溢应战的环境中,GNSS接纳器也有必要可以稳健地供给车道定位。当卫星信号暂时受阻时,它们需求在几秒钟内康复高精度定位。这可以经过将下列多个互补的传感器进行交融滤波来完成。   图2:单交融滤波器,用于高精度定位处理计划。   多星座、多频段GNSS接纳器:全球GNSS星座的数量已从一个(GPS)添加到四个(GPS、GLONASS、斗极、伽利略),这意味着接纳器可以在任何给定方位“看到”更多卫星。这样就能处理接纳器需求更多卫星才干精确认位的问题:  只要单个星座时,需求运用四颗卫星;但存在三个星座时,大约需求运用七颗卫星(为了核算星座之间的时刻差,这些星座自身具有互相不同的时刻参阅系)。   除了更多卫星,多频带GNSS接纳器还可以组合不同频率的信号,每个信号都能在特定运用中发挥优势。例如,一起处理来自不同频率的两个信号可有用消除高达99.9%的电离层差错。另一种称为“几许无关组合”( geometry-free combination)的技能有助于检测载波相位中的周跳。全部这些技能仅能由多频段接纳器完成。   实时动态(RTK)算法:规范精度的GNSS接纳器盯梢至少四颗GNSS卫星的GNSS信号码相位来完成三角定位,而高精度GNSS接纳器盯梢高频载波的相位。为了处理载波相位含糊的问题,高精度GNSS接纳器运用实时动态(RTK)算法。这些算法已被集成到部分GNSS接纳器模块中。RTK算法广泛运用经过无线衔接供给的校对数据。关于轿车商场,根据蜂窝网络和卫星L波段的通讯十分合适。除了节省数据传输本钱之外,即便在蜂窝网络信号较差或底子不可用的农村地区,L波段接纳器也可以经过卫星接纳RTK校对数据。   播送GNSS校对服务:GNSS校对服务供给商经过从基站网络监控GNSS信号来不断预算GNSS信号差错。  例如,精确点定位(PPP)-RTK服务可以补偿卫星时钟、轨道、信号差错、全球电离层以及区域电离层和对流层效应。在抱负情况下,这种校对在美国大陆等大片区域有用,并且关于带宽的要求也最低。传统服务根据大略的方位预算并向独自用户发送定制的校对流,而现代服务供给商选用扩展性更强的办法,向全部用户播送相同的动态GNSS差错模型。   除了进步GNSS接纳器精度之外,高质量的校对数据还能缩短接纳器收敛到精确方位所需的时刻。关于存在架空障碍物(例如天桥、公路标牌、树木和桥梁)的环境,这一特性关于正常驾驭至关重要,因为这些障碍物或许会暂时中止GNSS信号。   惯性传感器和传感器交融:多年来,惯性传感器已被用于增强GNSS定位服务。经过完成惯性导航(DR),它们使车辆定位体系可以补偿在地道、停车场和其他应战性的常见环境所遇到的GNSS信号缺失。经过交融由惯性丈量单元(IMU)的各个组件搜集的数据,定位模块可以在GNSS信号受阻的环境中继续供给预算方位。   当GNSS信号接纳暂时中止时,惯性传感器和传感器交融有助于定位处理计划坚持方位和速度的相关信息。与纯GNSS处理计划比较,交融处理计划可在卫星信号再次可用时,缩短从头收敛时刻,即解出载波相位含糊所需的时刻。   车载传感器:结合车载传感器(例如轮速传感器)的数据,进一步进步惯性导航处理计划的功能。假如算法发现车轮没有移动,就可以疏忽GNSS体系(因为信号差错)上报的方位改变。运用轮速传感器加权核算得出的速度估量比仅依赖于有噪声的加快度计愈加精确。此外,对轮速传感器的移动间隔的继续校准, 可以批改冬天和夏日轮胎改变引进的差错。   动态模型:车辆的动态模型可以约束丈量差错关于方位预算的影响。模型假定车辆不会横向滑动、笔直跳动或以任何不合理的方法加快。全部GNSS丈量数据在用于导航滤波器之前,将由该动态模型查看其合理性。   量化地道中的体现   量化上述计划在地道中的体现是一项极具应战的使命。首要,首要差错源是传感器差错,并且当它们被整合以得出车辆的速度(加快度计)和姿势(陀螺仪)时,差错会趋于累积。这首要是因为差错源于随机而非体系性现象。为了正确表征其影响,需求搜集适当数量的地道数据并进行计算剖析。其次,无法取得切当的“实在”方位来与丈量成果进行比较。抱负情况下,应在这些地道内运用根据彻底不同技能取得的定位作为参阅,以消除GNSS信号被遮挡带来的影响。最终,即便是根据惯性传感器的贵重参阅体系也会在必定程度上呈现漂移差错。   咱们首要运用在开阔天空条件下搜集的数据创立虚拟地道,而不是在实践地道中测验实在体系的设置。为此,咱们“断开”GNSS信号以模仿GNSS信号中止,迫使体系在惯性导航形式下导航。这样,咱们就能将惯性丈量单元(IMU)的功能与高端真值体系进行比较。记载惯性导航处理计划和高端参阅GNSS接纳器的方位输出可为咱们供给必要的数据,以比较不同长度的地道中的功能。经过这个简略的技巧,咱们就能运转一组足够大的测验,以便对功能进行定量剖析, 取得具有计算显着性的成果。   图3:无GNSS的惯性导航形式下,跋涉间隔上的定位差错。   在上图中,经过剖析31次测验发生的1758次信号中止的数据,咱们确认在惯性导航形式下,咱们在跋涉间隔上的定位差错约为2%。换句话说,每跋涉一公里,水平定位的差错均匀添加20米。值得留意的是,惯性丈量单元(IMU)的体现关于地道测验成果有显着的影响。在咱们的装备中,咱们运用了具有均匀功能而非高端功能的规范IMU。   在实践路途上测验   地道模仿仅仅更广泛设备测验的一部分。为了验证上述的技能组合,即经过组合多频带、多星座的GNSS接纳器与内置RTK算法、播送GNSS校对数据、用于惯性导航的IMU、外部轮速传感器和动态车辆模型,可靠地供给车道精确认位,咱们还在杂乱程度不同的多种情况下进行了测验。因为GNSS和IMU差错的随机性,与下面给出的成果比较,独自测验的成果或许超出或低于所示体现。   在最近的高速公路跋涉中,首要是在开阔天空条件下(应战性最低的场景),咱们的处理计划可供给100%的可用性,并且在50%的时刻内精度达5.8厘米。水平速度重量在68%的时刻内的精度为0.02 km/h。   在咱们的测验中,咱们在RTK固定解(载波相位整数含糊度固定)、RTK浮点解(载波相位整数含糊度未固定)和惯性导航之间进行了占比计算,分别是82%比14.8%比3.1%。总而言之,这一处理计划的精度比现有的单频段接纳机进步了十倍。可是,有必要留意的是,RTK固定解和浮点解的比率或许会发生误导。关于同一接纳器,在评价精度时,这一比率可超卓地指示不同测验轨道之间的相对难度水平。但在比较两个接纳器的功能时,它不是一个有用的目标。   与单频段、无RTK装备比较,在巴黎高速公路和典型城区的开阔天空条件下测得的成果显现了超卓的功能进步。在最糟糕的情况下,即在巴黎La Défense 区进行的城市峡谷测验,其体现仍然超越V2X运用的要求。即便GNSS接纳器无法彻底固定载波相位的整周含糊度,CEP68[i]也可以到达约1.1米的精度,并且处理计划在95%的时刻内精度为<1.7米。这一情形清楚显现了所用的技能是怎么在最具应战性的城市环境中进步定位体现的。   最终,咱们在瑞典___一条两公里的地道中测验了咱们处理计划的体现,其成果比咱们在模仿中的体现更好。与预期比较,漂移差错下降了50%,跋涉间隔上的定位差错为1%。此外,收敛到车道级精度只需两秒。这样的快速收敛体现根据多种要素的组合,包含多频GNSS接纳器、GNSS校对服务,以及经过惯性导航得出的相对精确的方位预算。显着,在长地道中无法坚持车道的精确认位。在这种情形中,高度自动化和无人驾驭的车辆可以运用互补的定位技能来补偿精度的丢失。   Scenario   情形   Open Sky   开阔天空   Urban   城市   Urban canyon   城市峡谷   CEP50 in meters   CEP50(米)   0.05   0.65   0.81   CEP68 in meters   CEP68(米)   0.07   0.85   1.11   CEP95 in meters   CEP95(米)   0.13   1.83   1.70   表4:开阔天空:勃艮第的高速公路;城市:巴黎12-16区;城市峡谷:巴黎La Defense   为轿车GNSS供给显着的附加值   总而言之,经过在定位处理计划中组合多频带、多星座的GNSS接纳器与内置RTK算法、播送GNSS校对数据、用于惯性导航的IMU、外部轮速传感器和动态车辆模型,即便在最具应战性的环境中,也能完成精确、接连的车道定位。这样的定位才能还可以经过交融其他车辆传感器(例如摄像头和雷达)取得进一步增强,使咱们的运输体系愈加安全、舒适、高效。经过这一处理计划,GNSS技能能在惯性导航的辅佐下得到增强,并为高档轿车运用做好预备。   咱们发现这一处理计划在精度方面优于现有技能十倍。城市环境中的接连服务是经过多频段、多星座GNSS接纳器的强壮组合完成的。这一接纳器可以在信号部分受阻的情形中最大化卫星的可见性、经过惯性导航补偿GNSS接纳中的信号中止,以及从GNSS的中止中快速从头收敛。根据这一产品的精度和全球掩盖,以及GNSS是可以供给肯定实在方位和时刻信息的仅有技能,高档轿车运用必将从这一整合计划中获益。   [i] 在这一场景下,1.1米的CEP68(68%圆概率差错的缩写)意味着68%的成果坐落间隔GNSS接纳器在二维实在表面上实在方位1.1米的范围内。