作者：周彥武

除了地圖標準問題外，定位也是面臨難題。地圖和定位是一體的，沒有高精度定位，高精度地圖毫無意義。

　　有關無人車的定位有兩種，一種稱之為絕對定位，不依賴任何參照物和任何先驗資訊，直接給出無人車相對地球座標或者說WGS84座標系，也就是座標（B,L,H），其中B為緯度，L為經度，H為大地高即是到WGS-84橢球面的高度。另一種是相對定位，即有參照物或先驗資訊的定位。有像Mobileye這樣的視覺眾包定位REM，視覺對光線變化很敏感，光線每時每刻都在變化，資料的一致性幾乎不可能，逆光與背光完全不一樣，某國產轎車逆光下ADAS系統幾乎完全失效，因此準確度很低。也有基於鐳射雷達先驗資訊的定位，準確度極高，但成本也極高，且不可能大範圍（幾百公里）使用。此外，相對定位無法與標準的高精度配合使用，兩者的座標系、資料格式、介面、時間軸完全不同，標準的傳統高精度地圖必須有絕對定位。

圖片來源：百度網

　　絕對定位是不可缺少的，特別是全域性規劃。而目前絕對定位只能用衛星定位，而衛星定位除了QZSS，其餘都無法做到自動駕駛的車道級定位。這是L3/L4的瓶頸之一。

　　衛星定位系統的英文是 Global Navigation Satellite System (GNSS），雖然直接翻譯過來是導航衛星系統，但它真正提供的能力是定位，能定位後，導航就變得相對簡單了。衛星定位的原理，是利用衛星播發時間訊號，當裝置接收到後，可以根據訊號發射時間和本地時間，計算出訊號傳輸時間，再結合光速獲得衛星-裝置距離。

　　有了多顆衛星的訊號，可以列出一組方程，求解 4個未知數：裝置的三維座標 x/y/z，以及本地時間與 GNSS 系統的時間差。

　　公式中的代表衛星 j 的三維座標，這個座標可以透過衛星星曆計算獲得。星曆是描述衛星執行軌道的一組引數，衛星軌道是一個橢圓，通過幾個引數和時間，可以唯一確定衛星的準確位置。

　　星曆的獲取有兩種方式，一種是衛星直接播發，這種方式的好處是定位過程不依賴衛星訊號以外的任何輸入，即使沒有網路也可以定位成功，但問題是衛星鏈路頻寬很小，要下載完整星曆，需要 30 秒左右的時間，早期的手機和一些車載裝置定位過程很慢，就是由於這個原因。另一種方式，是透過網際網路播發，這種方式叫 A-GNSS，具體的傳輸協議叫 SUPL (Secure User Plane Location)，這種資料一般不對應用層透出，在手機上，作業系統會在底層定時請求 SUPL 資料，然後將獲得的星曆注入 GNSS 晶片。有了 A-GNSS，裝置就可以在秒級獲得定位，不需要任何等待過程，目前所有的手機都支援這種方式。A-GNSS 的服務提供商，主要是通訊運營商，以及一些定位服務商，比如谷歌、千尋位置等。

　　衛星不間斷地向地面廣播訊號，這個訊號主要包括以下資訊：

1、衛星編號。用於從星曆中查詢衛星軌道，再結合時間戳獲得當前衛星位置

2、當前時間戳。用於獲得衛星位置，另一方面計算偽距。偽距是(本地時間-訊號發射時間)*光速，之所以叫偽距，是因為本地時間與衛星時間不同步，所以這個距離並不是真正的裝置-衛星距離。需要精度很高的時鐘。

3、星曆資料。用於計算衛星位置。

　　像其他所有的通訊技術一樣，這些資訊也是以報文的形式傳送的，以 GPS 為例，衛星會每隔 6 秒發出一個包，而這個包會分解為資料位-CA 碼序列-載波波形，透過天線發射到地面。地面裝置持續鎖定衛星，在解算時，計算每顆衛星當前時刻的時間戳（用最近一次收到的時間戳加上報文偏移量），然後進行位置解算。

　　星曆是描述衛星執行軌道的一組引數，衛星軌道是一個橢圓，通過幾個引數和時間，可以唯一確定衛星的準確位置。載波的頻率是 1.5G 左右，波長 20 釐米左右，比行動通訊的波長稍長一些，所以訊號的穿透性還是比較好的（波長越長，越容易繞開障礙物），可以穿透比較薄的牆壁或屋頂，所以在一些情況下即使無法直接看到天空，也是能定位的。但是衛星訊號是從上往下，在室內很難穿越多層建築。

　　有個關鍵資料叫衛星仰角，如果仰角不超過48度，衛星發出的訊號由於受地面高層建築物的遮擋，實際只能覆蓋城市面積的30%，不僅覆蓋面積小，且定位精度也低。而日本的“QZSS準天頂衛星”的仰角在70度（東京地區達85度），覆蓋率可達120%。在中國，北斗主要考慮南方較多，在南方的高仰角北斗衛星較多，自動駕駛就好做一些。

　　衛星訊號從發射到被裝置接收，需要經過大氣層，其中，大氣電離層有數千公里厚，這部分大氣非常稀薄，但是存在大量被電離的電子，這部分電子會讓電磁波變慢一點，從而產生延遲。在對流層，也會產生一定的延遲。在地表附近，由於各種建築、山體、水面的影響，衛星訊號可能被反射或折射（多徑效應），產生延遲。

　　在衛星訊號發射側和接收側，也有很多系統相關的誤差，比如時鐘偏差、處理延遲等，這些延遲加上傳輸延遲，使得衛星訊號的傳輸時間，並不是準確的等於物理距離/光速，另一方面，衛星的星曆也有誤差，衛星位置和真實位置存在偏差，最終造成了定位結果產生偏差。

要提升定位精度，需要想辦法消除這些誤差，主要有以下幾種方案。

一、雙星（雙模）GNSS

　　這裡不是GPS雙頻。GPS雙頻定位是指同時使用GPS的L1波段和L5波段進行定位的技術，實際應該叫雙波段。雙頻定位只能消除電離層誤差，無法消除如多徑誤差等，因此在空曠環境下可以提高定位精度，在城市建築密集區定位精度提升預計不明顯。這個很容易混淆，現在又提出多頻，即Multi Frequency Global Navigation Satellite System。還有多波段。

　　所謂的"雙星或多星或多頻"定位，就是同時利用GPS和GLONASS或GPS和BEIDOU來進行定位。歐洲人表示不服，為什麼沒有Galileo？技術上講，"雙星"可以是GPS、GLONASS、Beidou、Galileo中任意兩種的組合。但是經過長期測試，大家都知道誰好誰壞了，因此實際中一般用的是GPS+GLONASS，或者GPS+Beidou（主要是國內在用），效能和成熟度等方面 GPS>GLONASS>Beidou>Galileo。還有三星定位同時使用GPS+GLONASS+Beidou進行定位。"雙星"或"三星"定位的好處：可以增加系統冗餘，在同一時刻同一位置可以搜尋到更多的衛星，從而可以提高定位精度。

　　GPS、GLONASS、BDS、Galileo都採用自己的時間和座標系統，不同系統見觀測量的時間和座標系統有差異，要進行座標轉換，並虛求解不同系統時間的偏差，因此多引入一個導航系統就需要多增加一個求解引數。不過這個純粹是數學演算法，基本不增加成本。但是射頻、變頻、天線和基帶都需要特別設計，北斗加GPS的頻點接近，基本只需要改基帶的軟體。但GLONASS不行，需要經過不同的變頻通道變換到中頻，這會大大增加成本。射頻是中國的弱項，因為這需要長期的經驗積累，雙模多模GNSS基本上被NovAtel壟斷，NovAtel一般只提供板卡，整機大概要1.2-2萬元人民幣不等，板卡有3、6、7三個系列，現在主推的都是7系列，典型如OEM719板卡，價格大約700-800美元（近期似乎有漲價），順便說下，北斗星通是NovAtel板卡主要經銷商。

　　量產車未有使用雙頻GNSS的，因為價格有點高了。

　　通常只有demo無人車才會用雙模GNSS接收機，例如百度一直用NovAtel的ProPak6，天線是NovAtel GPS-703-GGG-HV，現在ProPak6是老產品，打折後大約要2萬人民幣。

NovAtel的ProPak6，圖片來源：NovAtel

　　單點雙頻可做到1.2米級的定位，RMS是1 sigma或1倍標準差，如果結果是無偏的，機率為67%。也就是說67%的情況下定位可到1.2米，其餘情況就做不到了，可能是2米，也可能3米。缺點就是太貴了，還有裝一個露在外面的天線，這恐怕是量產車無法接受的。

　　特斯拉里的定位是GPS模組是NEO-M8L-01A-81，水平精度圓機率誤差(CEP)為2.5米，有SBAS輔助下是1.5米，接收GPS/QZSS/GLONASS/北斗，CEP和RMS是GPS的定位準確度(俗稱精度)單位，是誤差機率單位。就拿2.5M CEP說吧，意思是以2.5M為半徑畫圓，有50%的點能打在圓內，也就是說，GPS定位在2.5M精度的機率是50%，相應的RMS（66.7%）2DRMS（95%）。當然很多商家為了引數好看，只給出CEP。實際95%機率情況下是6米精度，有SBAS輔助95%機率是3.6米精度。已經遠超一個車道了。冷啟動26秒，熱啟動1秒，輔助啟動3秒。顯然，這是無法實現車道級定位的。

二、地基/星基增強（SBAS）

　　星曆誤差、衛星時鐘誤差、甚至是電離層和對流層誤差都是可以觀測或建模的，一旦計算出了實時的誤差值，就可以透過一個單獨的通道進行播發，接收裝置在定位過程中使用這些修正項，就可以提升定位精度。播發的通道一般有兩種，一種是直接透過衛星播發，稱為 SBAS(Satellite-Based Augmentation System)，好處是覆蓋廣，但裝置需要增加額外的訊號接收通道；通常需要專用衛星。另一種是地基增強，比如透過移動網際網路，這需要裝置具備聯網能力。這就意味著有通訊頻寬和延遲的問題，還有移動訊號強弱的影響。

　　這些增強方式對於精度提升是有限的，還是有很多誤差項無法消除，比如電離層誤差。

三、RTK

　　RTK 是 Real-time kinematic 的縮寫，是一種差分定位。其原理是利用一個參考站提供基準觀測值，然後用裝置的觀測值與基準站的觀測值進行差分，差分後可以消掉星曆誤差、衛星鐘差、電離層誤差，再進行星間差分後可以進一步消除掉裝置的鐘差，最終可以算出裝置相對基準站的相對座標，如果基準站位置已知，就可以完成準確的絕對座標，精度可以達到釐米級甚至毫米級。

　　RTK 能提升精度的另一個原因是引入了載波相位觀測，相比偽距觀測值，載波相位觀測值的誤差更小。使用 RTK，需要在附近 20km 內有參考站（距離太遠，電離層誤差不一樣，做差分無法完全消除誤差），同時需要持續不斷地獲得參考站的觀測資料（一般透過網際網路傳輸，使用 RTCM 協議），因此相對普通的定位，RTK 定位成本較高。RTK 服務一般由專業服務商提供，如千尋位置、六分科技，這些服務商在全國範圍內部署了數千個基準站，持續對訂閱使用者播發資料。

　　不過RTK也有缺點，那就是播發資料一般要依賴無線通訊網，也就是手機。4G的延遲一般在165毫秒以上，已經難以做高精度定位，5G會比較好。通常RTK都是和地基增強在一起，即CORS（Continuous Operation Reference Stations ）即連續執行參考站系統，網路CORS主流技術有四種，分別是VRS、主輔站技術（i-MAX）、區域改正引數（FKP）技術和綜合誤差內插法技術。其中VRS技術市場佔有率最高，是目前公認的主流，VRS由天寶公司發明。南方公司則對VRS進行了改進，命名為NRS，本質上還是VRS。

　　RTK缺點也是很明顯的。RTK確定整週模糊度的可靠性為95~99%，在穩定性方面不及全站儀，這是由於RTK較容易受衛星狀況、天氣狀況、資料鏈傳輸狀況影響的緣故。首先，GPS在中、低緯度地區每天總有兩次盲區（中國一般都是在下午），每次20～30分鐘，盲區時衛星幾何圖形結構強度低，RTK測量很難得到固定解。其次，白天中午，受電離層干擾大，共用衛星數少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。根據實際經驗，每天中午12點～13點，RTK測量很難得到固定解。

四、PPP定位

　　PPP (precise point positioning) 的原理是對每一種誤差進行準確建模，最終求解出衛星和裝置之間的準確距離。為了確定準確的誤差，PPP 定位時需要不斷的迭代內部引數，而且，一些衛星的誤差只有當衛星位置變化後才能體現出來，所以 PPP 需要比較長的收斂時間，一般需要 30 分鐘才能收斂到理想的精度，顯然這無法用在汽車領域。

五、QZSS

圖片來源：ASBC

　　早在1972 年，當時的日本電波研究所(現為資訊與通訊研究所) 就提出了準天頂衛星系統的概念，論證了這種系統很適合日本這樣地處中緯度、國土狹長的國家；2002年11月1日正式成立了新衛星商業公司Advanced Space Business Corporation (ASBC)，共有43家企業出資，三菱電機公司、 日立製作所和豐田汽車公司等7家企業持股佔77%。

　　但是事情並不順利，最後還是由日本政府內務省出面接管QZSS專案。日本政府接管後，在2010年9月11日，發射第一顆衛星Michibiki，2011年6月1日，正式提供導航服務。2017年6月1日，發射第二顆衛星，2017年8月10日，發射第三顆衛星，2017年10月10日，發射第四顆衛星。日本計劃在2023年，將QZSS的導航衛星數量增加為7顆，屆時將不再依賴美國GPS，即可提供位置資訊。2023年-2026年，不加任何地基增強的空間訊號測距誤差為2.6米，2027年-2036年，誤差為1米，2036年以後，誤差為0.3米。

圖片來源：JAXA

　　QZSS之所以能實現高精度定位，主要來自兩個通道的增強，一個是L1-SAIF，另一個是LEX。

圖片來源：QZSS

　　L1-SAIF可以達到亞米級精度，一般來說，最高38釐米。LEX可以達到2釐米精度。

圖片來源：QZSS

　　L1-SAIF不僅包含時鐘矯正、軌道矯正、電離層矯正，還包括有首次定位加速，同時還有日本本土大約1200個GPS地面觀測站網路點的GEONET資料。L1-SAIF的位元速率為250bps。QZSS的LEX資訊格式，資料為1695位元組，包頭為49位元組，包尾為256位元組的裡德所羅門校驗糾錯碼。LEX的訊號調製，short code的時間只有4毫秒，平方波則比較長，有820毫秒。也就是說星曆的接收從30秒縮到10毫秒左右。目前的GPS接收機可以接收到QZSS訊號，但無法解調出LEX資訊。不過只需要在軟體上做改動，即可實現這個功能。

　　QZSS接收上不需要增加任何硬體成本，只增加軟體成本，蘋果手機就支援QZSS。

　　QZSS廉價、高效、廣播方式沒有頻寬的瓶頸，也沒有延遲，是最適合自動駕駛的一種技術。日本國土狹長，7顆星覆蓋率就可超過100%，對中美這樣的大方塊國家，恐怕得幾十顆低軌道衛星。這種基礎工作，恐怕最少要花十年以上的時間才能決策批准並實施。

六、天寶RTX

　　Trimble RTX技術得益於在GNSS定位領域30多年的技術積累，Trimble在2011年推出了全球精密定位服務（RTX），並且逐步完善定位服務效能。Trimble RTX全球跟蹤基站網路在全球部署了120個左右的跟蹤基站，對GNSS觀測值進行實時跟蹤和存貯，將GNSS觀測值實時傳送給分別位於歐洲和美國的控制中心，控制中心對全星座精密衛星軌道、鐘差和大氣建模，得到全球精密定位改正數。全球精密位置改正數透過L波段衛星（天寶自己的衛星）或者網路的方式廣播給服務授權的終端使用者。

圖片來源：Trimble

　　典型應用就是凱迪拉克的超級巡航。天寶RTX分為4個等級，價格各不相同，硬體差別比較小。凱迪拉克用的可能是ViewPoint RTX，且凱迪拉克由於沒有使用天寶的L2波段衛星通訊，估計服務費很低，一年估計幾十美元，甚至更低。如果使用天寶的L2波段衛星，像CenterPoint每年的費用大約2-3千美元。精度可以做到釐米級定位。

　　最後還要考慮GPS訊號有丟失的可能，特別是在高樓林立的市區。這就需要加入IMU，慣性測量單元。IMU有兩個作用，一個是在GPS訊號丟失或者很弱的情況下，暫時填補GPS留下的空缺，用積分法取得最接近真實的定位。所以市區的無人駕駛，慣性導航系統必不可少。另一個作用是配合鐳射雷達，GPS+慣性導航系統為鐳射雷達的空間位置和脈衝發射姿態提供高精度定位，建立鐳射雷達雲點的三維座標系。可用於定位，與其他感測器融合時，也需要統一到一個座標系下。定位是最常用的，透過 IMU、慣性導航系統、編碼器和 GPS，得到一個預測的全域性位置。當鐳射雷達實時掃描單次的點雲資料後，結合單次的點雲資料進行匹配，並進行特徵提取。這些特徵包括路沿、車道線、高度等周圍點線面的特徵。對於高精度地圖，提取過特徵與實時提取的特徵進行匹配，最終得到精準的車本體速度，這是鐳射雷達的定位過程。

　　高精度的IMU如百度阿波羅用的NovAtel IMU-IGM-A1，售價大約20萬人民幣。當然可以不用這麼貴的，高速自動駕駛很少建築物遮蓋，就基本不需要這麼貴的IMU。

　　衛星廣播形式是自動駕駛高精度絕對定位的最佳選擇，日本能做到，但中美這種幅員遼闊的大國使用成本太高了。退而求其次是CORS地面站增強，也就是千尋位置這種的，千尋的稱為FindAUTO。

圖片來源：千尋位置

　　千尋位置推薦的硬體組合如上圖，一般來說至少STA8100級才能用於智慧駕駛，STA8090只能用於智慧網聯，整機價格（包括4G）估計不超過2000元。目前FindAUTO可能還沒收服務費。但是免費是不可能長久的。參考千尋亞米級測繪定位服務FindM Pro，包年服務費是300元人民幣，智慧駕駛應該也是這個價。當然這個價格裡不包括4G聯網費用。這需要一直保持4G線上，這筆費用是不低的，如果要做L3級自動駕駛，4G平均200毫秒左右的延遲，如果車時速是72公里，200毫秒就是4米，超出一個車道了，所以5G才能做L3級自動駕駛。

　　再退一步是雙模接收機，缺點是價格有點高了，基本上都上萬了，或者用國產板卡，價格也要五六千左右，效能就差不少了。用在量產車上還是不行。

　　總體而言，千尋位置是最適合中國國情的，不過要上L3自動駕駛，5G必不可少。

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