面向自動(dòng)駕駛的高精度定位完好性

面向自動(dòng)駕駛的高精度定位完好性

完好性是一個(gè)反映定位安全與可靠程度的性能指標(biāo)，由安全至上的航空領(lǐng)域提出，并隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）在飛機(jī)導(dǎo)航中的普及而獲得廣泛應(yīng)用。得益于有效的完好性監(jiān)測方法，歷史上從未發(fā)生過由于GNSS故障造成的空難事件。

以航空應(yīng)用為標(biāo)桿，完好性受到了同樣追求極致安全的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的關(guān)注，汽車行業(yè)明確提出了定位完好性需求指標(biāo)。對于大多數(shù)自動(dòng)駕駛方案，車輛的高精度絕對位置信息是域控制器的必要輸入，通常通過融合GNSS、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）與輪速計(jì)等傳感器獲取。

作為使用最廣泛的定位性能評價(jià)指標(biāo)，精度衡量的是無故障狀態(tài)下系統(tǒng)輸出的估計(jì)位置與用戶真實(shí)位置的偏離量，通常對應(yīng)95%的總體性能表現(xiàn)，也就是兩倍標(biāo)準(zhǔn)差（2σ）。盡管它最直觀且容易理解，但是當(dāng)位置信息直接參與車輛控制與決策時(shí)，僅靠精度來衡量定位結(jié)果的性能表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

它是啥

按照定義，完好性量化了定位系統(tǒng)所提供的位置信息的置信程度，它的直接輸出結(jié)果稱為保護(hù)水平（Protection Level, PL）。PL隨定位結(jié)果一起產(chǎn)生，它提供了當(dāng)前時(shí)刻的定位誤差上限。獲得定位結(jié)果的PL值對于自動(dòng)駕駛至關(guān)重要，當(dāng)PL超出了預(yù)設(shè)的告警門限（Alert Limit, AL）時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出告警，提醒用戶此時(shí)定位信息不可用。AL的大小取決于絕對定位信息在整個(gè)自動(dòng)駕駛方案的權(quán)重，通常由車輛主機(jī)廠定義。

精度與完好性的舉例對比如下：

精度

完好性

2σ估計(jì)精度：50cm的精度意味著在常規(guī)無故障運(yùn)行條件下，系統(tǒng)可以95%的確定實(shí)際定位誤差小于50cm；

完好性：50cm的PL意味著無論在任何運(yùn)行環(huán)境中，系統(tǒng)都可以近100%的確定實(shí)際定位誤差小于50cm。

圖1. 不同定位結(jié)果對應(yīng)的精度值

圖1展示了不同定位結(jié)果下的精度指標(biāo)，由于精度只能反映出總體的95%的性能表現(xiàn)，所以圖1a和1b對應(yīng)相同的精度值（圖1c和1d也是如此）。

然而相比之下，由于兩個(gè)飛點(diǎn)的存在，圖1b和1d的結(jié)果顯然比1a和1c更差，也就意味著更容易引發(fā)自動(dòng)駕駛事故。圖1b和1d中所展示的這種小概率但誤差值極大的結(jié)果稱為定位故障，它們并沒有反應(yīng)在精度中，但確是完好性重點(diǎn)關(guān)注的事件。

怎么用

如上所述，完好性的直接輸出信息是PL，它是和定位結(jié)果一起計(jì)算、實(shí)時(shí)輸出的。

圖2. 定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出結(jié)果對比

圖2對比了有無完好性情況下的系統(tǒng)輸出狀態(tài)。由于實(shí)時(shí)運(yùn)行中永遠(yuǎn)無法知道實(shí)際位置，用戶只能以定位系統(tǒng)提供的估計(jì)位置作為自動(dòng)駕駛的輸入信息，也就是圖2中的藍(lán)色中心點(diǎn)。相比于圖2a，圖2b中的PL定義了一個(gè)黑色方框，它意味著，雖然我們不知道用戶的實(shí)際位置在哪里，但是不管在任何場景下，我們都能近100%的保證實(shí)際位置在黑框區(qū)域內(nèi)。

圖3. 無完好性與有完好性下的車道定位示意圖

圖3展示了實(shí)時(shí)狀態(tài)下完好性是如何保護(hù)用戶的，其中的紅色方框?yàn)樘崆邦A(yù)設(shè)的AL，黑色方框?yàn)閯?dòng)態(tài)求解的PL。在無完好性的情況下（圖3a），過大的定位誤差會(huì)造成潛在的交通事故；有完好性后（圖3b），如果定位誤差大到一定的程度會(huì)造成PL>AL，進(jìn)而引起系統(tǒng)告警，在收到該指令后域控制器可及時(shí)采取措施，避免事故的發(fā)生。

怎么測

到目前為止，文中多次提到了“近100%”的說法，而這只是為了方便讀者理解的一種簡化。事實(shí)上，只要完好性失效的概率足夠小就可以認(rèn)為定位系統(tǒng)符合安全需求，這種可接受的極小概率稱為完好性風(fēng)險(xiǎn)，它的需求指標(biāo)（記為IREQ）通常規(guī)定在10-7至10-5量級。

圖4. 完好性監(jiān)測算法流程圖（以多解分離方法為例）

IREQ是計(jì)算PL的必要輸入，一般會(huì)根據(jù)故障假設(shè)對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分解。PL的計(jì)算與定位算法方案和故障檢測與排除邏輯高度相關(guān)，圖4以多假設(shè)解分離方法為例歸納了定位完好性監(jiān)測步驟。

到這里人們會(huì)自然地提出一個(gè)疑問，如何證明PL達(dá)到了近100%的置信度？

盡管目前有大量的仿真方法可以從不同的角度驗(yàn)證完好性監(jiān)測的有效性，但是最有說服力的則是通過實(shí)際的道路測試對比PL與定位誤差的關(guān)系。通過對比實(shí)時(shí)定位結(jié)果與參考真值可獲得每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的定位誤差，進(jìn)而可以與PL值一起展示在“定位誤差vs.PL”圖中，也就是圖5所示的斯坦福圖。

圖5. 斯坦福圖的區(qū)域劃分及其判斷準(zhǔn)則

通過交叉比較定位誤差、PL和AL，斯坦福圖可以劃分為6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的評定標(biāo)準(zhǔn)歸納于圖5右側(cè)表中。

圖6. 新納傳感車規(guī)級高精定位產(chǎn)品

作為一家領(lǐng)先的MEMS傳感解決方案提供商，新納其中的兩款車規(guī)級高精度定位產(chǎn)品，RTK330LA和INS401（圖6所示），二者均搭載了由新納自主研發(fā)的完好性監(jiān)測算法。

其中，RTK330LA是一款車規(guī)級高精度定位模組，采用貼片封裝方式，可直接貼片于自動(dòng)駕駛域控單元中。INS401是一款車規(guī)級高精度定位盒子，支持多種數(shù)據(jù)輸出接口。

圖7. INS401實(shí)測完好性結(jié)果

圖7展示了INS401在不同的測試條件與運(yùn)行環(huán)境中的實(shí)測完好性結(jié)果，本數(shù)據(jù)對應(yīng)26次路測，所有的結(jié)果均為增強(qiáng)GNSS、IMU與輪速計(jì)的融合定位解。

審核編輯：湯梓紅