分米級定位精度對自動駕駛意味著什麼

2020-12-07 電子工程專輯

ZED-F9K是瑞士u-blox公司日前發布的一款高精度慣性導航模塊，據稱可以實現連續的車道精確定位，精確度達到了分米級，比標準定位技術精度提高了十倍，除了提升車載導航日常使用的體驗外，它主要還可以滿足駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛市場不斷發展的需求。v1SEETC-電子工程專輯

u-blox慣性導航產品經理Alex Ngi認為ZED-F9K的獨特之處在於，在單個模塊中集成了從 GNSS 接收器到慣性測量單元以及相關的慣性導航算法在內的多種技術，可以確保其在整個客戶產品開發周期的性能。v1SEETC-電子工程專輯

他表示，自動駕駛對於高精度有著天然的追求，這點十分容易理解。但除此之外，還有些新的服務也對GNSS系統提出了更高的要求：其一是毫秒級的實時響應與定位。在傳統的地圖導航中，可能每一秒或者每兩秒才會刷新一次定位，但這一指標對自動駕駛來說是不可接受的；其二是對於車道的精準識別；其三則是通用時標和位置參考，即對於時間和地理定位的分享機制。傳統意義上，駕駛員只需要了解自己車輛位置即可，但在車聯網時代，新應用層出不窮，需要車與車，車與交通基礎設施之間去共享時間和定位信息。v1SEETC-電子工程專輯

ZED-F9K高精度慣性導航模塊基於u-blox F9產品平臺，這款產品內置了慣性傳感器，支持多頻段衛星導航系統，組合了最新一代GNSS接收器技術、信號處理算法和校正服務，可以在20毫秒之內實現迅速的修正，並在數秒鐘內將精度提升至分米級。v1SEETC-電子工程專輯

多頻段、多衛星系統實時動態(RTK)接收模塊則可以接收來自所有軌道導航衛星系統的信號，更多的衛星數量可以在部分遮擋的條件下提高定位性能。同時，ZED-F9K高精度慣性導航模塊不僅支持網絡傳輸差分數據，還支持L-band，即使在缺少地面差分數據源的環境下也可實現分米級高精度定位。v1SEETC-電子工程專輯

在頻段的選擇上，F9K支持兩個頻段選項：A選項和B選項，首顆產品支持選項A，選項B產品會在稍晚發布。可以看到，在採用了選項A的頻段之後，ZED-F9K能夠接收所有L1頻段、L2頻段的信號和部分L5頻段的信號，意味著它可以在非常寬的頻段當中接收來自所有不同GNSS星座的通訊信號。v1SEETC-電子工程專輯

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F9K支持高精度GNSS系統v1SEETC-電子工程專輯

下圖中黑色虛線標示的是如果想要提供分米乃至釐米級精度的定位服務，最少需要的衛星數量，綠色線段則是F9K所能覆蓋的衛星數量。值得一提的是，表示B選項頻段覆蓋的紅色線段意味著能夠接收到的L5信號，隨著GPS、GLONASS、伽利略和北鬥系統的不斷完善，會有越來越多的L5頻段的信號可供接收，所以未來能夠專門面向L5信號頻段的選項B頻段方案將變得極具競爭力。v1SEETC-電子工程專輯

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Alex Ngi對《電子工程專輯》記者解釋說，u-blox設計人員在F9K中加載了兩顆晶片，一顆負責接收L1頻段的信號，另外一顆負責接收L2、L5頻段的信號，並同時加載了自有的濾波器來確保信號質量，就是希望通過相對較好的信號隔離，能夠實現對於不同頻道的覆蓋。未來進一步的趨勢當然是通過單晶片來實現整個解決方案，但是作為第一款能夠推廣到大眾市場中去應用的產品，這種面向兩個不同頻段的雙晶片設計仍不失為一種創新。v1SEETC-電子工程專輯

他特別強調了F9K對於北鬥衛星系統，尤其是北鬥三代系統的支持，並認為在當前幾個不同的GNSS系統中，北鬥系統的可靠性正變得越來越強。v1SEETC-電子工程專輯

「u-blox的科學家利用我們的全球網點分別在歐洲、澳大利亞、日本、新加坡等地對北鬥系統進行了評測，總體評價是相當高的，它的系統設計、準確度、可靠性和安全性都值得讚賞。」但他也坦承，目前在歐洲，GLONASS的知名度比北鬥要高，歐洲客戶更多認為北鬥只是一個針對於中國本土的導航系統，當北鬥系統全球運營的時候，這種局面將有望被改寫。v1SEETC-電子工程專輯

在Alex Ngi展示的哥德堡的性能測試中，由於建築物對衛星信號造成了一定的幹擾，使得衛星與地面形成了60°的夾角，在不調用慣性導航的條件下，ZED-F9K的平均精準度達到了38.8釐米。也就是說，當車輛在城市峽谷中穿行時，沒必要再擔心衛星信號導致的定位服務丟失。v1SEETC-電子工程專輯

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與此前發布的F9P產品不同的是，F9K系列除了包括校正服務、陀螺儀、加速計外，還增加了輪速脈衝和動態模型等功能，當車輛位於停車場、隧道等衛星信號受阻的情況下，ZED-F9K中的慣性傳感器能夠持續監控車輛軌跡的變化，從而繼續提供精確的車道定位。當衛星信號恢復時，該模塊又將慣性傳感器數據與導航衛星系統的信號結合，快速實現分米級定位。v1SEETC-電子工程專輯

此外，該模塊的準確性和低延遲性(低於10毫秒)可能也讓它成為汽車廠商V2X（車聯網）系統的不錯選擇，比如通過與其他交通參與者不間斷的共享位置，可以有助於提高道路的整體安全性，減少交通擁堵。而自動駕駛和車聯網都需要比較低的延遲，否則收到「過去時」的信息將造成交通管理混亂等問題。v1SEETC-電子工程專輯

可以做一個簡單的數學計算。如果延遲為10毫秒，當汽車以30km/h的速度在行駛時，就會產生8.3釐米的位置差異；如果車速增加到120km/h時，因延遲產生的誤差將達到33釐米。目前，V2X應用對於整個系統的延遲是100-150毫秒，所以對晶片來說，再高的延遲標準也不過分。v1SEETC-電子工程專輯

除了在硬體中整合射頻濾波器、傳感器融合、IMU組件、快閃記憶體、GNSS接收器/基帶外，u-blox方面在F9K的軟體系統中還整合了導航引擎、歧義解析器、以及與GNSS採集和跟蹤服務相關的軟體。同時，ZED-F9K是完全不依賴於主機的運算能力和內存的，完全可以在互相隔離的條件下實現自主運行。v1SEETC-電子工程專輯

儘管F9K模塊基於F9產品平臺，但Alex Ngi表示，與F9平臺其它產品主要面向無人機或貨場堆車不同，它們的使用場景更多是在開闊地域，信號接收更加理想，所以精準度達到了釐米級水平。而F9K主要面向汽車類應用，所以在設計時對算法層面進行了優化，以犧牲一定精準度的代價，換回了對場景複雜性的適配。v1SEETC-電子工程專輯

而在客戶的自動駕駛方案中，考慮到他們的做法首先是通過高精度地圖獲得一個比較準確的位置，然後再和3D地圖做匹配，匹配成功之後，通過毫米波雷達、雷射雷達和攝像頭來判斷車和周圍障礙物的相對位置，所以業界目前普遍也認同20釐米左右的精度是夠的。如果做碰撞測試的話，更多的會是依賴雷達和攝像頭，因此儘管在F9K中犧牲了一部分的精度，但這部分正好是汽車設計中所不需要的。v1SEETC-電子工程專輯

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