智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)：第4章 智能網(wǎng)聯(lián)汽車導航定位技術(shù)

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頁第4章智能網(wǎng)聯(lián)汽車導航定位技術(shù)4.1導航定位的定義與類型4.2全球衛(wèi)星定位技術(shù)4.3北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)4.4慣性導航系統(tǒng)4.5通信基站定位4.6即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)4.7電子地圖技術(shù)

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頁4.1導航定位的定義與類型—定義導航定位是負責實時提供智能網(wǎng)聯(lián)汽車的運動信息，包括位置、速度、姿態(tài)、加速度、角速度等，一般采用的是多傳感器融合定位的方式。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導航定位通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BDS）、慣性導航系統(tǒng)、視覺SLAM、激光雷達SLAM等，獲取車輛的位置和航向信息。

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頁4.1.1導航定位的定義絕對定位：是指通過GPS或BDS實現(xiàn)，采用雙天線，通過衛(wèi)星獲得車輛在地球上的絕對位置和航向信息相對定位：是指根據(jù)車輛的初始位姿，通過慣性導航獲得車輛的加速度和角加速度信息，將其對時間進行積分，得到相對初始位姿的當前位姿信息組合定位：是將絕對定位和相對定位進行結(jié)合，以彌補單一定位方式的不足

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頁4.1.1導航定位的定義L1、L2級，僅需要實現(xiàn)ADAS，導航級精度即可L3~L5級，實現(xiàn)自動駕駛，需要厘米級精度導航

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導航定位技術(shù)主要有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BDS）、慣性導航系統(tǒng)（INS）、通信基站定位、視覺SLAM定位、激光SLAM定位和高精度地圖定位等4.1.2全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的類型美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、中國的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BDS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及歐洲空間局的伽利略（GALILEO）衛(wèi)星定位系統(tǒng)2024/9/34.2全球衛(wèi)星定位技術(shù)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）是由美國國防部建設的基于衛(wèi)星的無線電導航定位系統(tǒng)。它能連續(xù)為世界各地的陸?？沼脩籼峁┚_的位置、速度和時間信息，最大優(yōu)勢是覆蓋全球，全天候工作，可以為高動態(tài)、高精度平臺服務，目前得到普遍應用2024/9/34.2.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)——組成衛(wèi)星：大約有30顆GPS衛(wèi)星、約2萬千米在太空運行地面監(jiān)控設備：分散在世界各地，用于監(jiān)視和控制衛(wèi)星，其主要目的是讓系統(tǒng)保持運行，并驗證GPS廣播信號的精確度GPS用戶：由GPS接收機和GPS數(shù)據(jù)處理軟件組成。2024/9/34.2.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)——工作原理GPS定位時要求接收機至少觀測到4顆衛(wèi)星的距離觀測值才能同時確定出用戶所在空間位置及接收機時鐘差2024/9/34.2.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)——特點（1）全球全天候定位：因為GPS衛(wèi)星數(shù)目較多，且分布均勻，保證了地球上任何地方任何時間至少可以同時觀測到4顆GPS衛(wèi)星，確保實現(xiàn)全球全天候連續(xù)導航定位服務（2）覆蓋范圍廣：能夠覆蓋全球98%的范圍，可滿足位于全球各地或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確地確定三維位置、三維運動狀態(tài)和時間的需要（3）定位精度高：GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達6~10m，100~500km可達7~10m，1000km可達9~10m2024/9/34.2.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)——特點（4）觀測時間短：20km以內(nèi)的相對靜態(tài)定位僅需15~20min；快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距15km以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1~2min；采取實時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘（5）全球統(tǒng)一的三維地心坐標：同時精確測定測站平面位置和大地高程（6）測站之間無需通視：只要求測站上空開闊，可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點等的測量工作2024/9/34.4.2差分全球定位系統(tǒng)差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）是在GPS的基礎上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度；由基準站、數(shù)據(jù)傳輸設備和移動站組成2024/9/34.4.2差分全球定位系統(tǒng)——位置差分安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛(wèi)星后便可進行三維定位，解算出基準站的觀測坐標由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、大氣影響、多徑效應以及其他誤差等，解算出的觀測坐標與基準站的已知坐標是不一樣的，存在誤差將已知坐標與觀測坐標之差作為位置改正數(shù)，通過基準站的數(shù)據(jù)傳輸設備發(fā)送出去，由移動站接收，并且對其解算的移動站坐標進行改正位置差分法適用于用戶與基準站間距離在100km以內(nèi)的情況2024/9/34.2.2差分全球定位系統(tǒng)——偽距差分利用基準站已知坐標和衛(wèi)星星歷可計算出基準站與衛(wèi)星之間的計算距離，將計算距離與觀測距離之差作為改正數(shù)，發(fā)送給移動站，移動站利用此改正數(shù)來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加，又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的；用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響2024/9/34.2.2差分全球定位系統(tǒng)——載波相位差分載波相位差分（RTK）技術(shù)是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度在RTK作業(yè)模式下，基站采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和站點坐標信息一起傳送給移動站，而移動站通過對所采集到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)鏈進行實時載波相位差分處理（歷時不足1s），得出厘米級的定位結(jié)果2024/9/34.2.3

GPS/DR組合導航定位系統(tǒng)車輛航位推算（DR）方法是一種常用的自主式車輛定位技術(shù)，它不用發(fā)射接收信號，不受電磁波影響，機動靈活，只要車輛能達到的地方都能定位DR是利用載體上某一時刻的位置，根據(jù)航向和速度信息，推算得到當前時刻的位置，即根據(jù)實測的汽車行駛距離和航向計算其位置和行駛軌跡。它一般不受外界環(huán)境影響，但由于其本身誤差是隨時間積累的，單獨工作時不能長時間保持高精度2024/9/34.2.3

GPS/DR組合導航定位系統(tǒng)2024/9/34.2.3

GPS/DR組合導航定位系統(tǒng)GPS/DR組合導航定位系統(tǒng)由GPS以及電子羅盤、里程計和導航計算機等組成2024/9/34.2.3

GPS/DR組合導航定位系統(tǒng)關(guān)鍵在于如何將兩者的數(shù)據(jù)融合，以達到最優(yōu)的定位效果將GPS和DR的定位信息綜合用于定位求解，通過卡爾曼濾波來補償修正DR系統(tǒng)的狀態(tài)，同時濾波之后的輸出又能夠為DR系統(tǒng)提供較為準確的初始位置和航向角，從而能夠獲得比單獨使用任意一種定位方法都更高的定位精度和穩(wěn)定性2024/9/34.3北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（BDS）：是由中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導航和授時服務，其建設與發(fā)展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進性這4項原則。2024/9/34.3.1北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的組成2024/9/34.3.2北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的特點（1）空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。（2）提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。（3）創(chuàng)新融合了導航與通信功能，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。2024/9/34.4慣性導航系統(tǒng)——定義慣性導航系統(tǒng)（INS）是一種利用慣性傳感器測量載體的角速度信息，并結(jié)合給定的初始條件實時推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的自主式導航系統(tǒng)。具體來說，慣性導航系統(tǒng)屬于一種推算導航方式。即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動載體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。2024/9/34.4.1慣性導航系統(tǒng)的定義慣性導航系統(tǒng)一般采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器來測量載體參數(shù)2024/9/34.4.1慣性導航系統(tǒng)的定義加速度傳感器和陀螺儀結(jié)合是就是慣性測量單元（IMU），一個解決速度，一個解決方向。IMU的一個重要特征在于它以高頻率更新，其頻率可達到1000Hz，所以IMU可以提供接近實時的位置信息慣性導航系統(tǒng)可以看成是IMU與軟件的結(jié)合。通過內(nèi)置的微處理器，能夠以最高200Hz的頻率輸出實時的高精度三維位置、速度、姿態(tài)信息2024/9/34.4.2慣性導航系統(tǒng)的作用彌補GPS：在GPS信號丟失或者很弱情況下，暫時填補GPS留下的空缺，用積分法取得最接近真實的三維高精度定位配合激光雷達：GPS+IMU為激光雷達的空間位置和脈沖發(fā)射姿態(tài)提供高精度定位，建立激光雷達云點的三維坐標系2024/9/34.4.2慣性導航系統(tǒng)的特點——優(yōu)點（1）由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾影響（2）可全天候在全球任何地點工作（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低（4）數(shù)據(jù)更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好2024/9/34.4.2慣性導航系統(tǒng)的特點——缺點（1）由于導航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差（2）每次使用之前需要較長的初始對準時間（3）不能給出時間信息2024/9/34.5通信基站定位基站作為移動通信網(wǎng)絡不可缺少的網(wǎng)元，是移動終端與移動網(wǎng)絡之間交互的重要組成部分。隨著移動通信網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，更多的移動終端接入到移動通信網(wǎng)絡中，越來越多的基站被建立起來，幾乎遍布世界的每一個角落，為終端用戶提供通信服務。所以移動通信網(wǎng)絡中最基本的定位技術(shù)就是基于基站的定位技術(shù)常用的無線定位技術(shù)包括到達角（AOA）定位法、到達時間（TOA）定位法、到達時間差（TDOA）定位法等。2024/9/34.5.1

AOA定位法AOA定位方法也稱方位測量定位方法，是由兩個或多個基站接收到移動臺的角度信息，然后對其計算移動臺的位置2024/9/34.5.2

TOA定位法TOA是基于時間的定位方法，稱為圓周定位。它通過測量兩點間電波傳播時間來計算移動臺的位置。如果能夠獲取三個以上基站到移動臺的傳播時間，就能得出移動臺的位置2024/9/34.5.3

TDOA定位法TDOA定位也稱雙曲線定位，它是利用移動臺到達不同基站的時間不同，獲取到達各個基站的時間差，建立方程組，求解移動臺位置2024/9/34.6即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)SLAM中文譯作“即時定位與地圖構(gòu)建”。它是指搭載特定傳感器的主體，在沒有環(huán)境先驗信息的情況下，于運動過程中建立環(huán)境的模型，同時估計自己的運動。如果這里的傳感器為相機，則為“視覺SLAM”；如果傳感器為激光雷達，則為“激光SLAM”。2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——分類視覺SLAM分為單目、雙目、深度相機（RGB-D）2024/9/34.6

.2視覺SLAM技術(shù)——特點2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——框架視覺SLAM分為單目、雙目、深度相機（RGB-D）2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——框架（2）視覺里程計，又稱為前端，能夠通過相鄰幀間的圖像估計相機運動，并恢復場景的空間結(jié)構(gòu)。被稱為里程計是因為它只計算相鄰時刻的運動，而和再往前的過去信息沒有關(guān)聯(lián)。相鄰時刻運動串聯(lián)起來，就構(gòu)成了無人車的運動軌跡，從而解決了定位問題。另一方面，根據(jù)每一時刻的相機位置，計算出各像素對應的空間點的位置，就得到了地圖。2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——框架（3）后端非線性優(yōu)化，主要是處理SLAM過程中噪聲的問題。任何傳感器都有噪聲，所以，除了要處理“如何從圖像中估計出相機運動”，還要關(guān)心這個估計帶有多大的噪聲。前端給后端提供待優(yōu)化的數(shù)據(jù)，以及這些數(shù)據(jù)的初始值，而后端負責整體的優(yōu)化過程，得到全局一致的軌跡和地圖。它往往面對的只有數(shù)據(jù)，不必關(guān)心這些數(shù)據(jù)來自哪里。在視覺SLAM中，前端主要研究圖像的特征提取與匹配等，后端則主要是濾波和非線性優(yōu)化算法。2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——框架（4）回環(huán)檢測，是指無人車識別曾到達場景的能力。如果檢測到回環(huán)，它會把信息提供給后端進行處理?；丨h(huán)檢測實質(zhì)上是一種檢測觀測數(shù)據(jù)相似性的算法。對于視覺SLAM，多數(shù)系統(tǒng)采用目前較為成熟的詞袋模型。詞袋模型把圖像中的視覺特征聚類，然后建立詞典，進而尋找每個圖中含有哪些“單詞”。也有研究者使用傳統(tǒng)模式識別的方法，把回環(huán)檢測建構(gòu)成一個分類問題，訓練分類器進行分類。2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——框架（5）建圖。建圖主要是根據(jù)估計的軌跡，建立與任務要求對應的地圖。地圖是對環(huán)境的描述，但這個描述并不是固定的，需要視SLAM的應用而定。地圖的表示主要有2D柵格地圖、2D拓撲地圖、3D點云地圖和3D網(wǎng)格地圖2024/9/34.6

.1視覺SLAM技術(shù)——建圖2024/9/34.6

.2激光SLAM技術(shù)——定義激光SLAM就是根據(jù)一幀幀連續(xù)運動的點云數(shù)據(jù)，從中推斷出激光雷達自身的運動以及周圍環(huán)境的情況。激光SLAM根據(jù)其所用的激光雷達的線束不同可細分為2D-激光SLAM和3D-激光SLAM。2024/9/34.6

.2激光SLAM技術(shù)——特點激光SLAM具有能夠準確測量環(huán)境中目標點的角度與距離、無需預先布置場景、可融合多傳感器、能在光線較差環(huán)境中工作、能夠生成便于導航的環(huán)境地圖等特點，成為目前定位方案中不可或缺的新技術(shù)。在SLAM過程中，無人車通過激光雷達感知周圍環(huán)境，并對周圍環(huán)境進行重建，然后通過觀測數(shù)據(jù)計算無車人當前的位姿，并融合無人車內(nèi)部里程計、加速度計等傳感器推算得到的位姿改變，以此對無人車進行精準的定位。2024/9/34.6

.2激光SLAM技術(shù)——框架2024/9/34.6

.3視覺SLAM與激光SLAM的區(qū)別1.成本——激光雷達普遍價格較高，而視覺SLAM主要是通過攝像頭來采集數(shù)據(jù)信息，跟激光雷達一對比，攝像頭的成本顯然要低很多。但激光雷達能更高精度的測出障礙點的角度和距離，方便定位導航。2.應用場景——視覺SLAM的應用場景要豐富很多，在室內(nèi)外環(huán)境下均能開展工作，但是對光的依賴程度高，在暗處或者一些無紋理區(qū)域是無法進行工作的。而激光SLAM目前主要被應用在室內(nèi)，用來進行地圖構(gòu)建和導航工作。2024/9/34.6

.3視覺SLAM與激光SLAM的區(qū)別3.地圖精度——激光SLAM構(gòu)建的地圖精度比視覺SLAM高，且能直接用于定位導航。4.易用性——激光SLAM是通過直接獲取環(huán)境中的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)生成的點云數(shù)據(jù)，測算哪里有障礙物以及障礙物的距離。但是基于單目、雙目和魚眼攝像機的視覺SLAM方案，則不能直接獲得環(huán)境中的點云，而是形成灰色或彩色圖像，需要通過不斷移動自身的位置，通過提取和匹配特征點，利用三角測距的方法測算出障礙物的距離。2024/9/34.6

.4激光SLAM技術(shù)的應用2024/9/34.7

電子地圖技術(shù)——導航電子地圖導航電子地圖以GPS導航設備為依托，融入計算機技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)、三維（3D）技術(shù)，以數(shù)字方式存儲和查閱，可進行地理信息定位顯示、索引、計算、引導，主要用于路徑規(guī)劃和導航2024/9/34.7.1導航電子地圖——作用（1）定位顯示。（2）路徑規(guī)劃。（3）路線索引。（4）信息查詢。2024/9/34.7.1導航電子地圖——特點（1）支持導航區(qū)域的相對無限性，覆蓋范圍足夠廣（2）高精度，多尺寸。（3）以路網(wǎng)為主，合理準確地表達空間關(guān)系。（4）支持實時，動態(tài)的快速顯示。（5）現(xiàn)實性好，更新周期短。2024/9/34.7.2高精度地圖——定義高精度地圖就是精度更高、數(shù)據(jù)維度更多的電子地圖。精度更高體現(xiàn)在精確到厘米級別，數(shù)據(jù)維度包括道路數(shù)據(jù)，比如車道線的位置、類型、寬度、坡度和曲率等車道信息；車道周邊的固定對象信息，比如交通標志、交通信號燈等信息，車道限高、下水道口、障礙物及其他道路細節(jié)，防護欄、道路邊緣類型、路邊地標等基礎設施信息。2024/9/3高精度地圖與導航地圖的區(qū)別（1）使用對象。導航電子地圖的使用者是駕駛員，有顯示；高精度地圖的使用者是自動駕駛系統(tǒng)，無顯示。（2）精度。導航電子地圖的精度在米級別，商用GPS精度為5m；高精度地圖的精度在厘米級別，可以達到10~20cm級別。（3）數(shù)據(jù)維度。導航電子地圖數(shù)據(jù)只記錄道路級別的數(shù)據(jù)：道路形狀、坡度、曲率、鋪設、方向等；高精度地圖不僅增加了車道屬性相關(guān)（車道線類型、車道寬度等）數(shù)據(jù)，更有諸如高架物體、防護欄、樹、道路邊緣類型、路邊地標等大