詳解智能汽車車身感知系統(tǒng)

本文主要針對車身感知定位系統(tǒng)進(jìn)行介紹，車身感知主要是感知車輛位置、行駛速度、姿態(tài)方位等信息，下文分別介紹了慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和高精度地圖三種主要的定位技術(shù)的發(fā)展情況，最后對多融合的車身感知定位系統(tǒng)及發(fā)展趨勢進(jìn)行介紹。

車身感知定位系統(tǒng)主要由慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和高精度地圖組成。主要是以高精地圖為依托，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）。GNSS 通過導(dǎo)航衛(wèi)星可以提供全局的定位信息，慣導(dǎo)系統(tǒng)可以提供不依賴于環(huán)境的定位信息，高精地圖為車輛環(huán)境感知提供輔助，提供超視距路況信息。三者取長補(bǔ)短、互相配合，共同構(gòu)成自動駕駛定位導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)原理，自動駕駛的定位技術(shù)主要可以分為基于信號定位、航位推算和地圖匹配三大類：

(1) 基于信號的定位：采用飛行時(shí)間測距法（Time of Flight，ToF）獲得汽車與衛(wèi)星的距離，然后使用三球定位原理得到汽車的絕對位置，主要就是通過全球衛(wèi)星GNSS 的衛(wèi)星信號進(jìn)行定位，還包括使用WiFi、UWB、FM 微波等其他信號獲取信息等技術(shù)；

(2) 航跡遞推（Dead Reckoning）：依靠慣性傳感器獲得加速度和角速度信息，根據(jù)上一時(shí)刻其策劃的位置和航向遞推出當(dāng)前的位置和航向；

(3) 地圖匹配（Map Matching，MM）：基于視覺攝像頭（Camera）或激光雷達(dá)（LiDAR）采集到的數(shù)據(jù)特征與高精度地圖數(shù)據(jù)中的特征進(jìn)行匹配，得到車輛的位置和姿態(tài)。

信號定位、航跡遞推與地圖匹配技術(shù)組成了車身感知定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航：車身感知定位系統(tǒng)的信息融合中心

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System, INS）是一種不依賴外部信息、也不向外部輻射能量的自助式導(dǎo)航系統(tǒng)。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是利用慣性傳感器（IMU）測量載體的比力及角速度信息，結(jié)合給定的初始條件，與GNSS等系統(tǒng)的信息融合，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出運(yùn)動體的當(dāng)前位置。

一個(gè)慣性測量單元包括3 個(gè)相互正交的單軸加速度計(jì)（Accelerometer）測量轉(zhuǎn)動運(yùn)動和3 個(gè)互相正交的單軸陀螺儀（Gyroscopes）測量平移運(yùn)動的加速度。自動駕駛所需要的慣性傳感器（IMU）主要是加速度計(jì)和陀螺儀。（1）加速度計(jì)：基于牛頓第二定律，采用電容式、壓阻式或熱對流原理，通過在加速過程中對質(zhì)量塊對應(yīng)慣性力的測量來獲得加速度值。用來測量運(yùn)動體坐標(biāo)系上各軸的加速度；（2）陀螺儀：用于測量載體繞自身三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動角速度，同時(shí)也敏感地球自轉(zhuǎn)的角速度。

按照力學(xué)編排實(shí)現(xiàn)形式可分為：捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strap-down Inertial Navigation, SINS）和平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Gimbaled Inertial System, GINS）。平臺式慣導(dǎo)的傳感器安裝在多軸伺服平臺上作為反饋元件，控制伺服平臺的姿態(tài)達(dá)到設(shè)定，多用于沿地球表面作等速運(yùn)動的飛行器（如飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等），捷聯(lián)式慣導(dǎo)的傳感器和載體一同運(yùn)動，省去了平臺，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便，自動駕駛領(lǐng)域主要采用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

航跡遞推（Dead Reckoning，DR）算法是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)手段。DR算法是指已知上一時(shí)刻導(dǎo)航狀態(tài)（狀態(tài)、速度和位置），根據(jù)傳感器觀測值推算到下一時(shí)刻的導(dǎo)航狀態(tài)。DR 算法包括姿態(tài)編排和位置編排兩個(gè)部分。姿態(tài)編排使用的是AHRS（Attitude and heading reference system）融合算法，處理后輸出車機(jī)姿態(tài)信息。DR 算法可以在無衛(wèi)星導(dǎo)航信號或弱衛(wèi)星導(dǎo)航信號的場景，僅靠DR 算法也能得到較為可靠的導(dǎo)航信息。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是車身感知定位系統(tǒng)的信息融合中心，具有不可替代的作用。慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存在，永不消失，性能穩(wěn)定，可以連續(xù)100Hz 高頻工作，慣導(dǎo)是三種定位方法中最為可靠的，具有輸出信息不間斷、不受外界干擾等獨(dú)特優(yōu)勢，可保證在任何時(shí)刻以高頻次輸出車輛運(yùn)動參數(shù)，同時(shí)將視覺傳感器、雷達(dá)、激光雷達(dá)、車身系統(tǒng)信息進(jìn)行更深層次的融合，為決策層提供精確可靠的連續(xù)的車輛位置，姿態(tài)的信息，車身感知定位系統(tǒng)的信息融合中心。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為車身感知定位系統(tǒng)的信息融合中心

衛(wèi)星導(dǎo)航：RTK 助力GNSS 實(shí)現(xiàn)厘米級的定位

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）是以人造地球衛(wèi)星為導(dǎo)航臺，為全球海陸空的各類軍民載體提供位置、速度和時(shí)間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。導(dǎo)航衛(wèi)星的工作原理主要是通過三球定位原理實(shí)現(xiàn)的，由于衛(wèi)星的位置精確可知，通過衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3 顆衛(wèi)星，就可以組成3 個(gè)方程式，解出觀測點(diǎn)的位置?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4 個(gè)未知數(shù)，位置的X、Y、Z 和鐘差，因而需要引入第4 顆衛(wèi)星，形成4 個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。為提高定位精度，普遍采用差分GPS 技術(shù)，建立基準(zhǔn)站（差分臺）進(jìn)行觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進(jìn)行比較，從而得出修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括全球四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，以及區(qū)域系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)。全球4 大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商，包括美國的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。除此之外，還有日本、印度等國家的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

國際四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

使用RTK 技術(shù)可以幫助GNSS 實(shí)現(xiàn)厘米級的定位精度。RTK（Real-time kinematic）載波相位差分技術(shù)，其原理是衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲等誤差對相距不遠(yuǎn)的GNSS 站影響接近，特定的地理坐標(biāo)點(diǎn)、衛(wèi)星接收站等，以該點(diǎn)位為中心的20-40km 半徑范圍內(nèi)，可以通過站間觀測值差分消除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位模糊度的快速固定與瞬時(shí)厘米級定位。

GNSS-RTK 系統(tǒng)的應(yīng)用

高精度地圖：實(shí)現(xiàn)L3 及以上自動駕駛的必備基礎(chǔ)

高精度地圖，即HD Map（High Definition Map）或HAD Map（Highly Automated Driving Map），是指絕對精度和相對精度均在1 米以內(nèi)的高精度、高新鮮度、高豐富度的電子地圖。其信息包括道路類型、曲率、車道線位置等道路信息，路邊基礎(chǔ)設(shè)施、障礙物、交通標(biāo)志等環(huán)境對象信息，以及交通流量、紅綠燈狀態(tài)信息等實(shí)時(shí)動態(tài)信息。根據(jù)地圖信息的不同，高精度地圖由底層到上層可以分為四個(gè)層級：為靜態(tài)地圖、準(zhǔn)靜態(tài)地圖、準(zhǔn)動態(tài)地圖和動態(tài)地圖。

高精度地圖概念示例

高精度地圖的四個(gè)基本層級及屬性信息

高精度地圖比傳統(tǒng)地圖優(yōu)勢顯著。與傳統(tǒng)地圖相比，基于自動駕駛系統(tǒng)的需求，高精度地圖在保留地圖檢索、道路規(guī)劃、渲染、誘導(dǎo)等功能基礎(chǔ)上，側(cè)重地圖信息豐富性、精度高、提升計(jì)算機(jī)器或汽車智能化三大方向，以及高頻更新、標(biāo)識橫縱向定位、坡度曲率節(jié)能應(yīng)用與舒適性提升等。

高精度地圖與傳統(tǒng)地圖的比較

高精度地圖是是L3 及以上級別的自動駕駛汽車的必備基礎(chǔ)。 高精度地圖可有效彌補(bǔ)傳感器的性能邊界，提供重要的先驗(yàn)信息，是實(shí)現(xiàn)高度自動化駕駛甚至無人駕駛的必要條件，也是未來車路協(xié)同的重要載體。高精地圖對自動駕駛汽車的作用具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

? 提供先驗(yàn)信息：與車載傳感器相比，高精度地圖不受天氣環(huán)境、障礙物和探測距離等限制，為自動駕駛汽車提供安全冗余。同時(shí)，高精地圖可以為車輛縱向加減速、橫向轉(zhuǎn)向及變道等決策提供先驗(yàn)信息，提高駕駛舒適性并實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能；

? 節(jié)約算力：高精度地圖可預(yù)知紅綠燈、車道線、道路標(biāo)識牌等交通要素的位置，有助于提高傳感器的檢測精度和速度，節(jié)約計(jì)算資源；

? 輔助規(guī)劃決策：路口紅綠燈狀態(tài)、道路交通流量、路網(wǎng)變化情況，以及車輛傳感器信息等都可以傳遞至高精度地圖服務(wù)平臺，通過服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)智能路徑規(guī)劃；

? 收集駕駛數(shù)據(jù)：通過眾包采集，實(shí)現(xiàn)駕駛場景數(shù)據(jù)庫的豐富，為無人駕駛系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證、優(yōu)化人工智能訓(xùn)練等提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高精度地圖是L3 及以上級別的自動駕駛汽車的必備基礎(chǔ)

行業(yè)擁有較高準(zhǔn)入門檻，百度、四維圖新和高德三足鼎立

高精度地圖行業(yè)擁有較高的準(zhǔn)入門檻，需要有甲級測繪資質(zhì)。測繪資質(zhì)方面，我國對企業(yè)獲得地圖測繪與制作資質(zhì)有嚴(yán)格的要求，并不對國外廠商開放。2016 年出臺的《關(guān)于加強(qiáng)自動駕駛地圖生產(chǎn)測試與應(yīng)用管理的通知》規(guī)定，自動駕駛地圖的繪制需由具有導(dǎo)航電子地圖制作測繪資質(zhì)的單位承擔(dān)，在道路測試過程中要嚴(yán)格限制地圖接觸的人員范圍，對于初創(chuàng)公司來說有一定的門檻要求。截至2021 年12 月，僅有28 家公司進(jìn)入國內(nèi)高精地圖甲級測繪資質(zhì)名單。

國內(nèi)高精地圖甲級測繪資質(zhì)名單（截至2021 年12月）

國內(nèi)圖商占主要份額，百度、四維圖新和高德呈現(xiàn)“三足鼎立”的局面。 由于高精度地圖涉及國家地理機(jī)密，國內(nèi)高精度地圖主要玩家大多是本土公司，根據(jù)IDC 統(tǒng)計(jì)，2020 年國內(nèi)高精度地圖行業(yè)市場份額前五名公司為百度、四維圖新、高德、易圖通以及Here，其中CR3 超過65%，呈現(xiàn)“三足鼎立”的局面。

2020 年國內(nèi)高精度地圖市場競爭格局

集中采集和眾包采集高度整合是未來地圖數(shù)據(jù)采集的主要趨勢

高精度地圖的制作大致分為數(shù)據(jù)采集、繪圖、更新和驗(yàn)證四部分。 其中數(shù)據(jù)采集提供地理數(shù)據(jù)的來源，繪圖環(huán)節(jié)通過數(shù)據(jù)融合及相關(guān)算法完成語義識別，將地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為道路模型，更新環(huán)節(jié)結(jié)合傳感器等硬件實(shí)現(xiàn)高精度地圖的實(shí)時(shí)更新，驗(yàn)證環(huán)節(jié)則結(jié)合人工與AI 算法完成最后的確認(rèn)。

Apollo 平臺高精度地圖的制作過程

高精度地圖的數(shù)據(jù)采集成本較高。 數(shù)據(jù)采集消耗成本巨大，僅一輛高精地圖采集車需要配置的設(shè)備就包括：激光雷達(dá)、攝像頭、陀螺儀、GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算設(shè)備等。同時(shí)，高精地圖精細(xì)程度高，傳統(tǒng)地圖生產(chǎn)方式難以滿足其量產(chǎn)應(yīng)用的需要。采用傳統(tǒng)測繪車方式，在成本約束下，測繪效率很難大幅度提高。

數(shù)據(jù)采集方式有集中采集和眾包采集 ：（1）集中采集：精度高，但更新頻率低、采集成本高，高德、百度、Tomtom 等公司更多采用專業(yè)測繪車集中制圖；（2）眾包采集：數(shù)據(jù)鮮度高、成本低，但采集精度低、可靠性和一致性較差，豐田、特斯拉、Here 等廠商則選擇采用眾包采集的模式。未來，以集中采集為建圖基礎(chǔ)，在海量眾包數(shù)據(jù)中快速提煉符合規(guī)范的靜態(tài)圖層變更信息和動態(tài)圖層實(shí)況信息，兩者深度結(jié)合的技術(shù)模式成為主流的方向。

集中采集+眾包采集是數(shù)據(jù)采集的未來方向

多源數(shù)據(jù)融合成為需要，自動化繪制起成為發(fā)展趨勢 。高精度地圖提供的地圖數(shù)據(jù)不僅包括傳統(tǒng)路網(wǎng)信息，還包括高精度車道級及環(huán)境信息數(shù)據(jù)，以及動態(tài)感知層和駕駛決策層部分信息，數(shù)據(jù)繪制的自動化和智能化成為重要的發(fā)展趨勢。目前常用的繪圖方法是將采集環(huán)節(jié)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、加總建模后借助語義識別模型進(jìn)行繪圖。而借助AI 技術(shù)完成不同傳感器數(shù)據(jù)自動融合識別，即把GNSS/INS、點(diǎn)云、圖像等數(shù)據(jù)疊加在一起，進(jìn)行道路標(biāo)線、路沿、路牌、交通標(biāo)志等道路元素的識別，從而簡化高精地圖數(shù)據(jù)處理流程并不斷提高制圖效率，對于復(fù)雜環(huán)境尤為重要。

Mobileye 在繪圖過程中所采用的語義識別模型

更新技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，5G 賦能或成解決方案。 高精度地圖的更新，考慮到當(dāng)前的技術(shù)水平和成本，季度更新策略最佳。在更新的時(shí)候，可以采用小版本部分更新或者是增量更新的方式，大版本采用全部更新的策略。對于高精地圖里的動態(tài)或準(zhǔn)動態(tài)部分，一般通過車聯(lián)網(wǎng)以實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)（秒到小時(shí)級別）的頻率更新。

未來高精度地圖會更多的借助大數(shù)據(jù)和地圖云服務(wù)平臺進(jìn)行更新和分發(fā)。這其中，5G 賦能讓高精度地圖和云計(jì)算結(jié)合得更加緊密，更加實(shí)時(shí)。5G 網(wǎng)絡(luò)帶來數(shù)據(jù)傳輸速率的大幅提升，讓高精度地圖的采集與更新變得更加實(shí)時(shí)動態(tài)。專業(yè)化高精度采集、眾包采集和路側(cè)采集等多種地圖采集方式的動態(tài)信息，依托5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)同步至云端進(jìn)行加工處理；同時(shí)，更新后的高精度地圖及實(shí)時(shí)信息從云端對道路上行駛的車輛進(jìn)行同步更新。

5G 技術(shù)在性能上是數(shù)據(jù)更新的良好選擇

車路協(xié)同高速發(fā)展，高精度地圖與路側(cè)感知體系互相成就。 一方面，路側(cè)的傳感器將成為高精地圖更新的有效數(shù)據(jù)來源。路側(cè)感知能力與車端感知能力緊密結(jié)合，增加信息冗余度，互相校驗(yàn)及融合，為高精地圖提供更為精準(zhǔn)豐富的信息。另一方面，高精度地圖可以賦能路側(cè)感知體系。前端感知設(shè)備與高精度地圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)前端感知數(shù)據(jù)附帶地理屬性，進(jìn)而與平臺GIS 地圖無縫結(jié)合且可支持車路協(xié)同數(shù)據(jù)應(yīng)用。

路側(cè)感知模型示意圖

成本負(fù)擔(dān)較高，成本隨精度要求急劇提升。高精度地圖的主要成本分為采集成本和編譯成本兩部分。其中采集成本包括備成本、采集車輛的行駛耗材、過路費(fèi)及人力成本等，僅一輛高精地圖采集車需要配置的設(shè)備就包括：激光雷達(dá)、攝像頭、陀螺儀、GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算設(shè)備等；而編譯制作成本主要是人力成本。

隨著地圖精度要求的提升，集中采集和眾包采集方法在數(shù)據(jù)收集與更新上的成本大幅上漲，主要是由于設(shè)備成本和人工成本的提升。但隨著5G 技術(shù)的發(fā)展與人工智能算法的進(jìn)步，相關(guān)成本最終會趨于平穩(wěn)。

高精度地圖成本隨自動駕駛等級的增長而高速上升

圖商從交付轉(zhuǎn)向服務(wù)，云平臺SaaS 是方向

盈利模式區(qū)別于傳統(tǒng)地圖，云平臺SaaS 模式是未來大方向。 區(qū)別于傳統(tǒng)地圖的的License 授權(quán)模式，高精度地圖的主要有按單位時(shí)間和按數(shù)據(jù)量收費(fèi)兩種收費(fèi)模式，核心區(qū)別在于收費(fèi)穩(wěn)定，初期階段基本以服務(wù)功能開發(fā)費(fèi)+License組合為基礎(chǔ)；此外，還存在一種“免費(fèi)”模式，即圖商向客戶免費(fèi)提供現(xiàn)有數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但同時(shí)客戶需向圖商提供收集到的數(shù)據(jù)，地圖的價(jià)格即為客戶收集數(shù)據(jù)的價(jià)值。

高精度地圖與傳統(tǒng)地圖盈利模式的區(qū)別

由于高精地圖對數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性提出很高的要求，從高精度的產(chǎn)品形態(tài)和服務(wù)方式角度，通過云服務(wù)平臺對實(shí)時(shí)更新的高精地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分發(fā)是一種可行的方式，云平臺可以實(shí)時(shí)收集各車的行駛數(shù)據(jù)來補(bǔ)充道路情況信息閉環(huán)，增強(qiáng)收集數(shù)據(jù)密度而降低收集成本。

華為的高精度地圖云服務(wù)

圖商的角色從交付向服務(wù)演變，客戶從B 端向C 端擴(kuò)展。 由于高精度地圖需要實(shí)時(shí)更新，圖商不再只是交付并收費(fèi)的模式，而是開始向地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)商轉(zhuǎn)型。圖商正逐漸成為自動駕駛時(shí)代的重要參與者、合作者、服務(wù)商。同時(shí)，除了向車廠或者自動駕駛出行服務(wù)商提供地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)這種B 端的業(yè)務(wù)，在大規(guī)模自動駕駛落地的趨勢下，高精度地圖也會向C 端延伸，但大規(guī)模的民用落地還需根據(jù)宏觀政策進(jìn)行調(diào)整。

“GNSS+IMU+高精度地圖”組成多融合車身感知定位系統(tǒng)

車身感知定位系統(tǒng)主要由慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和高精度地圖組成。主要是以高精地圖為依托，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）。GNSS 通過導(dǎo)航衛(wèi)星可以提供全局的定位信息，慣導(dǎo)系統(tǒng)可以提供不依賴于環(huán)境的定位信息，高精地圖為車輛環(huán)境感知提供輔助，提供超視距路況信息。三者取長補(bǔ)短、互相配合，共同構(gòu)成自動駕駛定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

高精度是車身感知定位系統(tǒng)的核心。車身感知定位系統(tǒng)的關(guān)鍵是高精度，定位精度越高，自動駕駛的可靠性越高。第一，高精度的車身感知定位系統(tǒng)能夠不受極端天氣和環(huán)境等因素的干擾，能持續(xù)穩(wěn)定地提供的車道級位置感知；第二，不同的傳感器有不同的工作時(shí)鐘和延遲，高精度車身感知定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)感知信息的時(shí)空同步；第三，高精度的車身感知定位系統(tǒng)可以在較少資源下獲得較高的定位精度，從而減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度；第四，高精度的車身感知定位系統(tǒng)能夠讓每一輛車都能夠精確地定出自己的位置，通過車車通信和車路通信把自己的位置分享給其他車輛，有利于實(shí)現(xiàn)V2X 應(yīng)用。

根據(jù)組合導(dǎo)航模塊的耦合程度不同，多傳感器融合的定位系統(tǒng)主要包括三種結(jié)構(gòu)：松耦合（Loose Coupling）、緊耦合（Tight Coupling）和深耦合（Deep Coupling）。

? 松耦合（Loose Coupling）：GNSS 和INS 獨(dú)立工作，GNSS 輸出RTK定位結(jié)果，INS 輸出慣性數(shù)據(jù)，兩者將數(shù)據(jù)送入濾波器內(nèi)。濾波器通過比較二者的差值，建立誤差模型以估計(jì)INS 的誤差，并將誤差補(bǔ)償反饋給INS。優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，性能比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)是當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量低于最低數(shù)量時(shí)，GNSS 的輸出就會失效。且在信號存在遮擋的場景，定位穩(wěn)定性、可靠性不如另外兩種耦合；

? 緊耦合（Tight Coupling）：GNSS 輸出觀測量（偽距、偽距率）來與INS輸出的慣性數(shù)據(jù)作差，并將差值輸出給濾波器，從而用來進(jìn)行INS 誤差的估計(jì)，并將誤差補(bǔ)償通過反饋的方式補(bǔ)償給INS，經(jīng)過校正的INS 慣性數(shù)據(jù)輸入到組合導(dǎo)航模塊濾波器，結(jié)合RTK 定位結(jié)果最終得到組合導(dǎo)航解。

? 深耦合（Deep Coupling）：在緊耦合的基礎(chǔ)上，將INS 的部分?jǐn)?shù)據(jù)直接送到基帶芯片里，INS 的慣性數(shù)據(jù)作為GNSS 解算的一部分。通過INS 準(zhǔn)確的相對多普勒變化信息，輔助信號跟蹤，提高惡劣環(huán)境下多普勒的估計(jì)準(zhǔn)確度。從而提高惡劣環(huán)境下載波相位、偽距等觀測量的精度和連續(xù)性，減少觀測量中斷和跳變，從而有效提高組合導(dǎo)航精度和可靠性。

松耦合、緊耦合和深耦合三種架構(gòu)

根據(jù)百度Apollo 研究表明，通過GNSS-RTK 可實(shí)現(xiàn)65%的綜合場景定位誤差小于20cm的覆蓋率，GNSS+IMU的衛(wèi)慣組合則可以實(shí)現(xiàn)85%左右的場景覆蓋，GNSS+IMU+感知與地圖的融合高精度定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)97.5%的覆蓋率。

常用的GNSS-RTK+IMU 組合慣導(dǎo)方案在一些場景的定位精度穩(wěn)定性仍不能完全滿足自動駕駛的要求，如城市樓宇群、地下車庫等。GNSS 長時(shí)間信號微弱的場景下，依靠GNSS 信號更新精確定位穩(wěn)定性不足。在組合慣導(dǎo)中引入并融合激光雷達(dá)/視覺傳感定位等環(huán)境信息進(jìn)行融合定位，形成GNSS-RTK+IMU 航跡推算+感知與高精度地圖匹配的定位系統(tǒng)是發(fā)展的必然。以百度Apollo 的多傳感器融合定位系統(tǒng)解決方案為例，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)處于定位模塊的中心位置，模塊將IMU、GNSS、Lidar 等定位信息進(jìn)行融合，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解算修正后最終輸出滿足自動駕駛需求的6 個(gè)自由度的高精度位置信息。

GNSS-RTK+慣性導(dǎo)航+地圖匹配系統(tǒng)組成的多融合車身感知定位系統(tǒng)

“GNSS-RTK+IMU+高精度地圖”的定位方案逐漸成為高階智能駕駛汽車的主流選擇

? 乘用車領(lǐng)域： 自2020 年開始，融合定位方案開始逐漸在新車型中落地，廣汽的埃安系列成為國內(nèi)首個(gè)采用“GNSS+IMU+高精度地圖”高精度定位方案的車型， 再如小鵬P5 與P7 、紅旗E-HS9 等都采用了“GNSS-RTK+IMU+高精度地圖”的方案；

? 商用車領(lǐng)域： 無論運(yùn)營場景復(fù)雜程度如何，“GNSS+IMU”的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是絕大部分廠商都會選擇的方案，部分廠商選擇了在GNSS+IMU 的基礎(chǔ)上增加了傳感器與高精度地圖進(jìn)行融合定位的方案。

主要自動駕駛乘用車的高精定位方案

主要商用場景自動駕駛定位方案

厘米級的高精度定位傳感器是L3 級及以上自動駕駛的標(biāo)配。 高精度定位傳感器主要部件包括高精度定位芯片（射頻、基帶）、IMU、天線、板卡等。成本方面，高精度GNSS 定位加天線的成本在百元級，符合精度要求的IMU 器件成本將長期保持在千元級。GNSS-RTK+IMU 組合的量產(chǎn)價(jià)格較高，短期在1000美元左右，隨著規(guī)?；慨a(chǎn)以及工藝的成熟，整體價(jià)格有望在2025 年下降至500 美元。

? 高精度定位芯片 ：主要包括射頻和基帶芯片，射頻部分對微弱的模擬信號進(jìn)行接收、濾波、放大、變頻；基帶部分對碼信號進(jìn)行解算，其中相關(guān)器模塊實(shí)現(xiàn)對碼信號的讀??；目前北斗芯片已不輸于GPS，3 米的普通精度車載導(dǎo)航芯片價(jià)格不超過6 元，幾十厘米定位精度的高精度芯片，價(jià)格在幾十元到數(shù)百元不等；

? IMU ：價(jià)格和精度高度正相關(guān)，產(chǎn)品競爭核心在于平衡高精度和低成本。主要被海外壟斷，目前主要的供應(yīng)商包括ADI、Honeywell、NorthropGrumman 等；

? GNSS 板卡+天線：高精度板卡是高精度GNSS 終端設(shè)備的核心，其成本占到終端總成本的60%以上，技術(shù)門檻非常高，長期被美國Trimble 和加拿大NovAtel 壟斷，目前國產(chǎn)高精度板卡銷量市占率30%左右；我國北斗天線的國產(chǎn)替代率較高，國內(nèi)市場份額占比超75%。

空間測算：預(yù)計(jì)到2025 年全球衛(wèi)慣市場空間225 億元，高精度地圖市場空間約90 億元

小鵬P5 與P7、紅旗E-HS9、蔚來ET7 等都標(biāo)配了高精度定位模塊。以GNSS-RTK+IMU 組合為例，目前，車載慣性導(dǎo)航的單車價(jià)值量在1000-2000元左右，定位精度要求不同，價(jià)格有所差異，GNSS-RTK+IMU 組合的量產(chǎn)價(jià)格目前大約在1000 美元左右，預(yù)計(jì)到2025 年有望下降到500 美元左右，假設(shè)到2025 年GNSS-RTK+IMU 組合單車價(jià)值量約在3000 元左右，假設(shè)L3 及以上的滲透率為12%，對應(yīng)2025 年全球衛(wèi)慣組合的市場規(guī)模約為225 億元，對應(yīng)遠(yuǎn)期2030 年市場空間660 億元。而對于高精度地圖而言，高精度地圖的收費(fèi)主要分為一次性License 費(fèi)用和后續(xù)每年的訂閱費(fèi)，License 費(fèi)用約1000 元左右，訂閱費(fèi)為100 元/年。高精度地圖作為L3 以上車型的標(biāo)配，對應(yīng)2025年全球市場規(guī)模約在90 億元左右。

相關(guān)公司：四維圖新、華測導(dǎo)航、中海達(dá)、千尋位置

四維圖新：國家測繪局體系支撐的中國導(dǎo)航地圖產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)者

四維圖新成立于2002 年，中國導(dǎo)航地圖產(chǎn)業(yè)的開拓者，專注于商業(yè)化車載導(dǎo)航地圖，公司第一大股東中國四維測繪技術(shù)有限公司由國家測繪局創(chuàng)建，是唯一從事專業(yè)測繪的國家級公司。公司致力于以高精度地圖、高精度定位、云服務(wù)平臺、車規(guī)級芯片等業(yè)務(wù)打造“智能汽車大腦”。2020 年，公司在高精度地圖市場的市占率為22%，僅次于百度排名第二。公司長期與主流歐美品牌、日系品牌、國內(nèi)自主品牌、造車新勢力等車企保持持續(xù)合作，是高精度地圖領(lǐng)域的絕對龍頭。

四維圖新的客戶及合作伙伴

華測導(dǎo)航：北斗導(dǎo)航龍頭，切入車規(guī)級高精度定位傳感器

華測導(dǎo)航，成立于2003 年，是一家專注于北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航的高新技術(shù)企業(yè)，致力于提供高精度數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用解決方案，專業(yè)從事高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位相關(guān)軟硬件技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)。公司以高精度導(dǎo)航定位技術(shù)為核心，經(jīng)過多年的研發(fā)投入和探索，已經(jīng)形成有技術(shù)壁壘的核心算法能力，擁有自主可控毫米級/厘米級高精度算法，具備高精度RTK、PPP、靜態(tài)解算、網(wǎng)絡(luò)RTK、精密定軌技術(shù)、組合導(dǎo)航定位技術(shù)、多源融合定位技術(shù)等完整算法技術(shù)能力。公司已經(jīng)研發(fā)出高精度GNSS 基帶芯片“璇璣”、多款高精度GNSS 板卡、模組、天線等基礎(chǔ)器件，突破“卡脖子”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)自主可控。此外，公司已通過IATF16949 車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，可為車企、自動駕駛方案商提供端到端的滿足ASIL-B 要求的車規(guī)級高精度定位解決方案，公司已經(jīng)被指定為哪吒汽車和浙江省某車企的自動駕駛位置單元業(yè)務(wù)定點(diǎn)供應(yīng)商。

華測導(dǎo)航的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)+GNSS/INS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

中海達(dá)：深耕北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)，布局高精度定位賽道

中海達(dá)，成立1999 年，是國內(nèi)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)。公司在自動駕駛車載高精度領(lǐng)域，主要提供車載高精度傳感器，組合定位模塊/天線/算法、組合導(dǎo)航集成方案等；高精度地圖前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、眾包采集裝備及后端數(shù)據(jù)處理軟件平臺和數(shù)據(jù)采集加工服務(wù)；提供星基與地基增強(qiáng)技術(shù)融合在車端的應(yīng)用。公司的車載高精度產(chǎn)品目前已已應(yīng)用在小鵬汽車、上汽集團(tuán)等汽車制造企業(yè)和自動駕駛方案商，目前公司正在持續(xù)進(jìn)行多款智能汽車車載高精度產(chǎn)品的定點(diǎn)測試工作，已完成多款量產(chǎn)車型的定點(diǎn)測試。

中海達(dá)的高精度定位天線平臺已經(jīng)在上汽榮威鯨試用

千尋位置：提供厘米級定位服務(wù)，打造數(shù)字時(shí)代時(shí)空智能基礎(chǔ)設(shè)施

千尋位置，于2015 年由中國兵器工業(yè)集團(tuán)和阿里巴巴集團(tuán)合資成立，公司主要基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（兼容GPS、GLONASS、Galileo）基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)，利用北斗地基增強(qiáng)站以及星基增強(qiáng)系統(tǒng)和自主研發(fā)的定位算法，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)運(yùn)算，為全球用戶提供厘米級定位、毫米級感知、納秒級授時(shí)服務(wù)。目前，公司有2800+地基增強(qiáng)站，總用戶數(shù)超過10 億，服務(wù)覆蓋230 多個(gè)國家和地區(qū)，日處理數(shù)據(jù)位置10 億次。

千尋位置打造的時(shí)空智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)