為什么自動駕駛中全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)如此重要？

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）作為實現(xiàn)高精度定位的核心技術(shù)之一，已經(jīng)成為自動駕駛技術(shù)發(fā)展的重要支撐。隨著高級輔助駕駛技術(shù)的發(fā)展，定位識別的重要性不言而喻，高精度衛(wèi)星定位在城市、鄉(xiāng)村、高速等各種場景的駕駛中的應用也愈發(fā)廣泛。而GNSS憑借其全天候、全球覆蓋、定位精度高的優(yōu)勢，成為自動駕駛車輛進行位置識別和路徑跟蹤的重要技術(shù)保障。

GNSS技術(shù)概述與核心功能

GNSS由多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)組成，全球廣泛應用的美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及歐洲的伽利略（Galileo）系統(tǒng)等均屬于GNSS。GNSS的核心功能是通過衛(wèi)星信號向地面用戶提供精確的位置信息和時間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于車輛導航、授時和速度測量。

1.1GNSS的工作原理

GNSS系統(tǒng)和其他衛(wèi)星通信一樣，可以從結(jié)構(gòu)上大概分成三部分：空間段-地面段-用戶段，其中「1」：空間段：在地球上空20,000至37,000公里之間運行的GNSS衛(wèi)星；這些衛(wèi)星廣播信號，識別正在傳輸?shù)男l(wèi)星及其時間、軌道和健康狀況。地面段：是一個由位于世界各地的主控、數(shù)據(jù)上傳和監(jiān)測站組成的控制網(wǎng)絡，主要負責這些站接收衛(wèi)星信號，并將衛(wèi)星顯示的位置與軌道模型顯示的位置進行比較并進行修正。而這里的軌道模型與預測數(shù)據(jù)就被稱為星歷（ephemeris）用戶段：所有可以接收衛(wèi)星信號并根據(jù)至少四顆衛(wèi)星的時間和軌道位置輸出位置的設備都可以稱之為用戶端，主要包含信號接收天線，可處理該信號并輸出位置信息的接收與定位模塊。其中有采用基準站與流動站參照提高定位精度的定位模塊，也就是RTK。目前，隨著自動駕駛與智能物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，高精度定位發(fā)展也越發(fā)迅猛，對定位精度與定位效果測試的需求也越來越多。

1.2高精度GNSS增強技術(shù)

傳統(tǒng)的GNSS系統(tǒng)定位精度在米級范圍內(nèi)，而自動駕駛要求的定位精度需達到亞米級甚至厘米級。在自動駕駛中，RTK（實時動態(tài)差分）和PPP（精密單點定位）是兩種常用的GNSS增強技術(shù)，它們能夠通過差分計算和誤差校正，將定位精度提升至厘米級別。RTK通過基準站與流動站之間的差分信息計算誤差，而PPP則通過精密的衛(wèi)星軌道和時鐘數(shù)據(jù)校正誤差。

RTK工作原理示意圖

GNSS在自動駕駛中的應用

在自動駕駛車輛中，精確的位置信息是實現(xiàn)路徑規(guī)劃、車道保持、避障以及自動泊車等功能的前提。自動駕駛的不同應用場景對于定位精度、信號穩(wěn)定性和實時性有不同的要求，而GNSS能夠滿足多種應用場景的需求，并與其他傳感器技術(shù)協(xié)同工作，提升車輛定位的穩(wěn)定性和安全性。

2.1高速公路場景中的應用

在高速公路場景下，自動駕駛車輛通常以較高速度行駛，GNSS在這種場景中的應用尤為重要。車輛需要實時獲取精確的位置、速度和時間數(shù)據(jù)，以保持車道居中行駛并與其他車輛保持安全距離。通過GNSS與車載傳感器如激光雷達、毫米波雷達的融合，自動駕駛系統(tǒng)能夠快速響應突發(fā)情況，如緊急剎車或超車，確保行駛安全。GNSS的RTK技術(shù)能夠在開闊的高速公路上提供精確的車輛位置，不受建筑物等障礙物的遮擋影響，實時調(diào)整車輛的位置和速度。而PPP技術(shù)在大范圍內(nèi)提供高精度定位服務，彌補RTK在基站覆蓋不足區(qū)域的限制。

2.2城市道路與復雜環(huán)境中的應用

在城市道路中，GNSS信號容易受到高樓、樹木等障礙物的阻擋，導致多路徑效應和信號反射問題，從而影響定位精度。這是自動駕駛中常見的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。為了解決這個問題，自動駕駛系統(tǒng)通常會采用GNSS與其他傳感器的融合技術(shù)。例如，慣性導航系統(tǒng)（INS）可以與GNSS結(jié)合，當GNSS信號丟失時，INS能夠依靠陀螺儀和加速度計提供短時間內(nèi)的相對位置信息，確保自動駕駛系統(tǒng)不會因為短暫的信號丟失而出現(xiàn)決策錯誤。此外，城市中的自動駕駛車輛需要具備更高的路徑規(guī)劃能力，尤其是在復雜的交叉口、停車場等場景中，車輛必須依賴GNSS提供準確的地理位置和車道級定位能力。隨著北斗系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)的逐漸完善，多星座、多頻段GNSS技術(shù)可以通過更多的衛(wèi)星信號提供冗余數(shù)據(jù)，進一步提升定位精度和信號穩(wěn)定性。

2.3無人駕駛農(nóng)機與其他垂直應用

自動駕駛不僅在乘用車領(lǐng)域得到廣泛應用，在無人駕駛農(nóng)機、物流車輛等領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。例如，在農(nóng)業(yè)自動駕駛中，GNSS能夠為無人農(nóng)機提供厘米級的定位精度，用于實現(xiàn)自動播種、耕作和施肥等任務。通過GNSS與其他地理信息系統(tǒng)（GIS）的結(jié)合，農(nóng)機能夠精準地識別地塊邊界、作業(yè)范圍和規(guī)劃路徑，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化。

GNSS在自動駕駛中的技術(shù)挑戰(zhàn)

雖然GNSS在自動駕駛中發(fā)揮了重要作用，但在實際應用中，仍然面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。為了確保車輛能夠在復雜的道路環(huán)境中安全行駛，GNSS技術(shù)需要進一步提升其抗干擾能力、誤差校正機制和信號穩(wěn)定性。

3.1多路徑效應和信號遮擋問題

多路徑效應是GNSS應用中的主要問題之一，尤其是在城市高樓林立的環(huán)境中，信號容易反射并產(chǎn)生誤差。多路徑效應會導致定位信號的不準確，進而影響自動駕駛車輛的路徑規(guī)劃和控制決策。為了解決這一問題，現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)通過使用多頻段衛(wèi)星信號、增強接收器的濾波能力以及結(jié)合其他定位傳感器（如視覺傳感器、慣性導航）等方式，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。信號遮擋問題在城市和隧道等環(huán)境中同樣顯著。當車輛進入衛(wèi)星信號受限區(qū)域時，GNSS信號的可用性下降，導致定位數(shù)據(jù)不可用。為應對這一問題，車輛的定位系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)冗余能力，能夠通過其他傳感器如IMU（慣性測量單元）、V2X（車對車及車對基礎(chǔ)設施通信）等提供備份方案，以避免系統(tǒng)在信號中斷期間出現(xiàn)重大錯誤。

3.2電離層和對流層誤差的影響

GNSS信號在傳輸過程中，會經(jīng)過電離層和對流層，這些大氣層中的物質(zhì)會對衛(wèi)星信號的傳播速度產(chǎn)生影響，進而導致信號到達接收器的時間出現(xiàn)偏差，形成定位誤差。這種誤差在普通的導航應用中影響不大，但對于要求厘米級精度的自動駕駛而言，必須進行有效的誤差校正。電離層誤差在高精度GNSS應用中尤為關(guān)鍵。為了消除這一誤差，GNSS系統(tǒng)采用了雙頻定位技術(shù)，通過同時接收不同頻率的衛(wèi)星信號，解算出電離層對信號的延遲影響，并對其進行修正。此外，地基增強系統(tǒng)（GBAS）和星基增強系統(tǒng)（SBAS）等服務，也通過實時傳輸精確的電離層數(shù)據(jù)，為自動駕駛車輛提供可靠的誤差校正信息。

3.3定位初始化時間與精度問題

在高精度GNSS定位中，RTK和PPP技術(shù)都面臨一個共同的問題，即定位初始化時間較長。特別是PPP技術(shù)，通常需要十幾分鐘的初始化時間才能獲得高精度的定位結(jié)果，這在自動駕駛中的實時應用具有一定的局限性。為了解決這個問題，PPP-RTK技術(shù)應運而生，它結(jié)合了RTK和PPP的優(yōu)點，能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)厘米級精度的定位，并且在基站覆蓋不足的情況下依然能夠保持較高的定位精度。隨著衛(wèi)星星座的增加和多頻段技術(shù)的完善，PPP-RTK將成為自動駕駛高精度定位的未來發(fā)展方向。

GNSS未來發(fā)展方向

隨著5G通信網(wǎng)絡的逐步普及以及低軌道衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS的應用前景更加廣闊。未來的GNSS技術(shù)將與其他先進技術(shù)深度融合，進一步提升自動駕駛車輛的定位精度和安全性。

4.1GNSS與V2X技術(shù)的融合

V2X技術(shù)是自動駕駛發(fā)展的重要支撐，它能夠?qū)崿F(xiàn)車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設施之間的實時通信。通過V2X，車輛可以共享位置信息、速度信息以及交通信號等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)更高效的路徑規(guī)劃和更安全的駕駛決策。GNSS為V2X提供了基礎(chǔ)的位置信息，確保車輛在動態(tài)交通環(huán)境中能夠?qū)崟r獲取準確的位置和速度信息，并通過V2X與其他車輛協(xié)調(diào)合作。未來，隨著V2X技術(shù)的普及，GNSS與V2X的結(jié)合將大幅提升自動駕駛系統(tǒng)的整體性能，確保自動駕駛車輛在復雜的交通網(wǎng)絡中實現(xiàn)協(xié)同駕駛和集群管理。

4.2低軌道衛(wèi)星與GNSS結(jié)合的前景

傳統(tǒng)的GNSS系統(tǒng)以中高軌道衛(wèi)星為主，雖然能夠提供全球覆蓋的定位服務，但在信號延遲和精度上仍存在一定的局限性。隨著低軌道衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，未來的GNSS系統(tǒng)將引入低軌道衛(wèi)星，進一步提升定位精度、減少信號延遲。低軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢在于其距離地面更近，信號傳播時間更短，能夠提供更高的更新頻率和更低的延遲。此外，低軌道衛(wèi)星還可以彌補現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)在偏遠地區(qū)和城市高密度區(qū)域中的信號覆蓋不足，提供更穩(wěn)定的定位服務。低軌道衛(wèi)星與現(xiàn)有GNSS的融合，將為自動駕駛提供更強大的技術(shù)支撐，尤其在自動駕駛等級提升到L4、L5時，對高精度、實時性要求極高的場景中。

結(jié)論

高精度GNSS是自動駕駛技術(shù)中的重要組成部分，它為自動駕駛車輛提供了實時、可靠的位置信息，確保車輛能夠在復雜的道路環(huán)境中安全行駛。隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，GNSS的定位精度、覆蓋范圍和抗干擾能力都在不斷提升。未來，GNSS將與其他先進技術(shù)如V2X、低軌道衛(wèi)星、5G網(wǎng)絡等深度融合，進一步推動自動駕駛技術(shù)的普及與應用。在這個過程中，GNSS將成為自動駕駛系統(tǒng)中不可或缺的技術(shù)基石，為實現(xiàn)更加安全、智能、高效的交通系統(tǒng)提供支持。

參考

「1」https://blog.csdn.net/hongke_weixin/article/details/130052430

審核編輯 黃宇