智能網(wǎng)聯(lián)汽車 課件 項目三 任務(wù)二認知高精度定位系統(tǒng)；項目三 任務(wù)三 認知車輛導(dǎo)航系統(tǒng)

項目三智能網(wǎng)聯(lián)汽車高精度定位與導(dǎo)航系統(tǒng)認知高精度定位系統(tǒng)Annualworksummary2導(dǎo)入高精度定位是高精度地圖有效應(yīng)用的重要前提，也是智能駕駛系統(tǒng)自主導(dǎo)航、自動駕駛的重要前提。在車載傳感器定位受限情況下，可以為智能駕駛系統(tǒng)提供有效的輔助定位信息。目錄01教學目標02教學內(nèi)容03課后練習教學目標0103能說明高精度定位系統(tǒng)的組成。01能說出高精度定位系統(tǒng)的作用。02能描述高精度定位系統(tǒng)的要求。01通過學習我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，引導(dǎo)學生樹立不斷探索的科學精神，提高科學素養(yǎng)。02通過學習高精度定位系統(tǒng)，引導(dǎo)學生關(guān)注全球議題，增強國家競爭力。知識目標素質(zhì)目標04能闡述高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。05能說明我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展。教學內(nèi)容02一、高精度定位系統(tǒng)的作用

定位系統(tǒng)用來提供車輛的位置、姿態(tài)等信息。對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車而言，定位的重要性不言而喻，它可以幫助車輛了解自己相對于外界環(huán)境的精準位置，從而做出正確的決策，同時輔助感知系統(tǒng)，得到更加準確的檢測和跟蹤結(jié)果。二、高精度定位系統(tǒng)的要求

高精度定位在自動駕駛中起決定作用，是實現(xiàn)無人駕駛或者遠程駕駛的基本前提，因此對定位性能的要求也非常嚴苛，智能網(wǎng)聯(lián)汽車，尤其是在L4、L5級的體系中，對實時動態(tài)高精度定位能力的需要是剛性的、不可或缺的，定位精度一般要求達到厘米級，實時性要求100Hz以上，系統(tǒng)可用性要求達到99.99999%的級別。二、高精度定位系統(tǒng)的要求

1.高精度：達到厘米級。

2.高可用性：智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試已經(jīng)從封閉的場景轉(zhuǎn)移到更開放的場景，這要求我們定位系統(tǒng)能處理更多更復(fù)雜的情況。

3.高可靠性：定位的輸出是感知、規(guī)劃與控制的輸入，如果定位系統(tǒng)出現(xiàn)偏差將會導(dǎo)致很嚴重的后果。

4.自主完好性檢測：由于系統(tǒng)的可靠性只能做到非常接近100%，但是難以達到真正的100%，這要求系統(tǒng)在無法提供準確輸出的時候，能及時的警告用戶采取措施避免發(fā)生事故，因此，要求定位系統(tǒng)保證較低的虛警率與漏警率。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車等級的提高，汽車行業(yè)對于高精度定位的需求將會越來越迫切，高精度定位服務(wù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用具有非常廣闊的前景。三、高精度定位系統(tǒng)的組成

高精度定位系統(tǒng)主要包括終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，如圖6-1-1所示。其中，終端層實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合（衛(wèi)星、傳感器及蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)）算法，保障不同應(yīng)用場景、不同業(yè)務(wù)的定位需求；網(wǎng)絡(luò)層包括5G基站、RTK基站和路側(cè)單元（RoadSideUnit,RSU），為定位終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸；平臺層提供一體化車輛定位平臺功能，包括差分解算能力、地圖數(shù)據(jù)庫、高清動態(tài)地圖、定位引擎，并實現(xiàn)定位能力開放；應(yīng)用層基于高精度定位系統(tǒng)能夠為應(yīng)用層提供車道級導(dǎo)航、線路規(guī)劃、自動駕駛等應(yīng)用，如圖3-2-1所示。三、高精度定位系統(tǒng)的組成三、高精度定位系統(tǒng)的組成

1.終端層為滿足車輛在不同環(huán)境下的高精度定位需求，需要在終端采用多源數(shù)據(jù)融合的定位方案，包括基于差分數(shù)據(jù)的GNSS定位數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、高精度地圖數(shù)據(jù)以及蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

2.網(wǎng)絡(luò)層

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)信號測量和信息傳輸，包括5G基站、RTK基站和RSU的部署。5G作為更新一代的通信技術(shù)，可以保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足高精度地圖實時傳輸?shù)男枨蟆?G基站也可完成與終端的信號測量，上報平臺，在平臺側(cè)完成基于5G信號的定位計算，為車輛高精度定位提供輔助?；?G邊緣計算，可實現(xiàn)高精度地圖信息的實時更新，提升高精度地圖的實時性和準確性。地基增強站主要完成RTK測量，地基增強站可以與運營商基站共建，大大降低網(wǎng)絡(luò)部署以及運維成本。同時可通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)RTK基站測量數(shù)據(jù)的傳輸，可實現(xiàn)參考站快速靈活部署。RSU一方面可實現(xiàn)RTK信息播發(fā)，避免傳統(tǒng)的RTK定位中終端初始位置的上報，同時RSU可提供局部道路車道級地圖、實時動態(tài)交通信息廣播。三、高精度定位系統(tǒng)的組成3.平臺層

⑴高精度地圖:靜態(tài)高精度地圖信息，如車道線、車道中心線、車道屬性變化等，此外還包含道路的曲率、坡度、航向、橫坡等參數(shù)，能讓車輛準確的轉(zhuǎn)向、制動和爬坡等，還包含交通標志牌、路面標志等道路部件，標注出特殊的點如GNSS消失的區(qū)域、道路施工狀態(tài)等。

⑵交通動態(tài)信息:交通動態(tài)信息包括道路擁堵情況、施工情況、交通事故、交通管制和天氣情況等動態(tài)交通信息。

⑶差分解算:平臺通過RTK基站不斷接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對電離層誤差、對流層誤差、軌道誤差以及多路徑效應(yīng)等誤差在內(nèi)的各種主要系統(tǒng)誤差源進行了優(yōu)化分析，建立整網(wǎng)的電離層延遲、對流層延遲等誤差模型，將優(yōu)化后的空間誤差發(fā)送給移動車輛。

⑷數(shù)據(jù)管理:數(shù)據(jù)管理包括全國行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)、海量動態(tài)應(yīng)急救援車輛位置數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、實時交通數(shù)據(jù)、POI（PointofInterest）數(shù)據(jù)等，這里的數(shù)據(jù)是經(jīng)過數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝，進行整合編譯后的運行數(shù)據(jù)。

⑸數(shù)據(jù)計算:數(shù)據(jù)計算包括路徑規(guī)劃、地圖靜態(tài)數(shù)據(jù)計算、動態(tài)實時數(shù)據(jù)計算、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等功能。三、高精度定位系統(tǒng)的組成

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層為用戶提供地圖瀏覽、規(guī)劃路線顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理等功能，以及基于位置的其他車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，例如輔助駕駛、自動駕駛等。四、高精度定位系統(tǒng)的定位方法

根據(jù)場景以及定位性能的需求不同，車輛定位方案是多種多樣的。常用的定位技術(shù)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）技術(shù)、慣性導(dǎo)航（InertialNavigationSystem,INS）技術(shù)、航跡推算（Dead-Reckoning，DR）技術(shù)、路標定位技術(shù)、高精度地圖匹配定位技術(shù)、無線電（如蜂窩網(wǎng)、局域網(wǎng)等）定位技術(shù)、視覺定位技術(shù)、同時定位與地圖創(chuàng)建（SimultaneousLocalizationandMapping,SLAM）技術(shù)等。由于任何一種單獨定位技術(shù)都有無法克服的弱點，智能網(wǎng)聯(lián)汽車通常需要組合定位技術(shù)來實現(xiàn)精準定位。組合定位技術(shù)融合了兩種或兩種以上的不同類型的定位傳感器信息，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以獲得更高的定位性能。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），又稱全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的3維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其包括一個或多個衛(wèi)星星座及其支持特定工作所需的增強系統(tǒng)，如圖3-2-2所示四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

（1）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)分類

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會公布的全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商，包括中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、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）和歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）。其中GPS是世界上第一個建立并用于導(dǎo)航定位的全球系統(tǒng)，GLONASS經(jīng)歷快速復(fù)蘇后已成為全球第二大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，二者正處現(xiàn)代化的更新進程中；GALILEO是第一個完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，正在試驗階段；BDS是中國自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)北斗衛(wèi)星定位（BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

⑵北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)服務(wù)區(qū)廣泛應(yīng)用于中國及周邊國家。廣泛應(yīng)用于船舶運輸、公路運輸、鐵路運輸、海上作業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、水文預(yù)報、森林防火、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)，以及軍事、公安、海關(guān)等有特殊指揮調(diào)度要求的單位。覆蓋范圍為東經(jīng)70°～140°左右，北緯5°～55°左右。在地球赤道面上配備了兩顆地球同步衛(wèi)星，赤道角約為60°，如圖3-2-3所示。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖3-2-4所示。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

①空間段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由35顆衛(wèi)星組成，其中地球靜止軌道衛(wèi)星5顆、中地軌道衛(wèi)星27顆、傾斜同步軌道衛(wèi)星3顆。五顆地球靜止軌道衛(wèi)星的固定位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地軌道衛(wèi)星運行在三個軌道面上，軌道面均勻分布120°，如圖3-2-5所示。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

②地面段

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面段由主控站、注入站和監(jiān)測站組成。主控站用于系統(tǒng)運行管理和控制，接收來自監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，并對其進行處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息，然后將信息傳送到注入站進行發(fā)送。注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號、控制和管理衛(wèi)星，在接收到主站調(diào)度后，向衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息。監(jiān)測站用于接收衛(wèi)星信號并將其發(fā)送到主站進行衛(wèi)星監(jiān)測，以確定衛(wèi)星軌道，并為時間同步提供觀測。衛(wèi)星定位及慣性導(dǎo)航工作原理四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

③用戶段用戶段包括北斗用戶終端和與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。接收器需要捕捉和跟蹤衛(wèi)星的信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)以一定的方式進行定位計算，最終獲得用戶的緯度、經(jīng)度、海拔、速度、時間等信息。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以為全世界各種用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和定時服務(wù)，具有短消息通信能力，最初提供了區(qū)域?qū)Ш?、定位和定時功能，定位精度為10米，測速精度為0.2m/s，定時精度為10ns。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)用戶終端系統(tǒng)最多可容納54萬/小時的用戶，具有雙向消息通信功能，用戶可一次發(fā)送40-60個漢字的短消息信息。一次可以傳輸多達120個漢字的信息。北斗系統(tǒng)具有精確的定時功能，為用戶提供20ns-100ns的時間同步精度，標準站的水平精度為100米（1σ），20米（類似于差分狀態(tài)），北斗系統(tǒng)工作頻率：2491.75MHz。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)⑵GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS定位衛(wèi)星星座有24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上，軌道傾角為55°，每一軌道面相距60°，即軌道的高度為60°。各軌道平面上衛(wèi)星間的仰角相隔90°，其中一個軌道平面上的衛(wèi)星比西部相鄰軌道平面上相應(yīng)的衛(wèi)星提前30°。GPS（GlobalPositioningSystem）是由美國國防部研制的全球首個定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，1990~1999年為系統(tǒng)建成并進入完全運作能力階段，1993年實現(xiàn)24顆在軌衛(wèi)星滿星運行。其中，24顆導(dǎo)航衛(wèi)星平均分布在6個軌道面上，保證在地球的任何地方可同時見到4~12顆衛(wèi)星，使地球上任何地點、任何時刻均可實現(xiàn)三維定位、測速和測時，使用世界大地坐標系（WGS-84）。GPS系統(tǒng)組成四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)③GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)GLONASS的空間星座由27顆工作星和3顆備用星組成，均勻地分布在3個近圓形的軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔120°，使用前蘇聯(lián)地心坐標系（PZ-90）。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GALILEO是歐盟于2002年批準建設(shè)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，計劃由分布在3個軌道平面上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星構(gòu)成，每個軌道平面上有10顆衛(wèi)星，9顆正常工作，1顆運行備用，軌道平面傾角56°，軌道高度為24126km，其民用精度較高，使用世界大地坐標系（WGS-84）。已部署或者在建的GNSS系統(tǒng)情況和技術(shù)數(shù)據(jù)，如表3-2-1所示四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（3）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位原理GNNS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理、接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來測量距離。如圖6-2-3所示。三個衛(wèi)星組成一個三角形，通過計算三個衛(wèi)星位置幾何數(shù)據(jù)，并融合同步計算結(jié)果，從而計算出當前接收器的衛(wèi)星坐標位置。通常，GPS接收器會使用第四顆衛(wèi)星的位置對前三個衛(wèi)星的位置測量進行確認，以達到更好的效果。假設(shè)我們測量到第一顆衛(wèi)星的距離為18000km，就可以把當前可能位置范圍限定在離第一顆衛(wèi)星18000km的地球表面。接下來，假設(shè)我們測量到第二顆衛(wèi)星的距離為20000km，那么我們可以進一步把當前位置范圍限定在距離第一顆衛(wèi)星18000km和距離第二顆衛(wèi)星20000km的交叉區(qū)域。然后我們再對第三顆衛(wèi)星進行測量，通過三顆衛(wèi)星的距離交匯點定位出當前的位置，如圖3-2-10所示。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只要得到衛(wèi)星幾何平面的參數(shù)及無線電傳播時間，就能計算得到智能網(wǎng)聯(lián)汽車的位置。但在實際工程應(yīng)用中，衛(wèi)星信號的傳播還受大氣電離層的、云層、樹木、高樓、城市、峽谷等遮擋、反射折射，以及多路徑干擾，這些都會影響到GPS信號傳播，從而影響到測距信息的準確度。為了降低天氣、云層對GPS信號的影響，出現(xiàn)了其他GPS技術(shù)，如差分GPS（DifferentialGPS,DGPS）。DGPS技術(shù)通過在一個精確的已知位置（基準站）上安裝GPS監(jiān)測接收機，計算得到基準站與GPS衛(wèi)星的距離，然后再根據(jù)誤差修正結(jié)果提高定位精度。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)01全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分GPS分為兩大類，即位置差分和距離差分。距離差分又分為兩類，即偽距差分和載波相位差分。目前，很多智能網(wǎng)聯(lián)汽車公司如百度、小馬等，都采用了實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)——RTK（Real-TimeKinematic）技術(shù)。RTK技術(shù)是實時處理兩個基站載波相位觀測量的差分方法，即將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機，通過求差解算坐標。RTK可使定位精度達到厘米級，這也是很多智能網(wǎng)聯(lián)汽車公司采用RTK技術(shù)定位的原因。但RTK也存在的一定的問題：基站鋪設(shè)成本較高；非常依賴衛(wèi)星數(shù)量，比如在一些橋洞和高樓大廈的環(huán)境下，可視的衛(wèi)星數(shù)量會急劇下降；容易受到電磁環(huán)境干擾。在受到遮擋時，信號丟失，沒有辦法做定位。因此目前采用RTK定位技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)商用的可行性不高，如圖3-2-11所示。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)02慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是利用慣性測量單元（IMU）的角度和加速度信息來計算載體的相對位置的一種定位技術(shù)。IMU利用陀螺儀或加速度傳感器等慣性傳感器的參考方向和初始位置信息來確定載體位置。慣性導(dǎo)航涉及力學、控制理論、計算機技術(shù)、測試技術(shù)、精密機械技術(shù)等，是一門綜合性很強的應(yīng)用技術(shù)。典型的六軸IMU由六個傳感器組成，這些傳感器排列在三個正交軸上，每根軸上都有一個加速度計和一個陀螺儀，如圖3-2-12所示。陀螺儀測量物體三軸的角速率，用于計算載體姿態(tài)；加速度計測量物體三軸的線加速度，可用于計算載體速度和位置，其外觀如圖3-2-13所示。衛(wèi)星定位及慣性導(dǎo)航工作原理四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)02慣性導(dǎo)航系統(tǒng)⑴慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎(chǔ)，測量載體在慣性參考系的加速度和角加速度信息，再將這些測量值對時間進行一次積分，求得運動載體的速度、角速度，之后進行二次積分求得運動載體的位置信息，然后將其變換到導(dǎo)航坐標系，得到在導(dǎo)航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息，其工作原理框圖如圖3-2-14所示。一般情況下慣導(dǎo)會結(jié)合GPS使用，并融合經(jīng)緯度信息以提供更精確的位置信息。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)02慣性導(dǎo)航系統(tǒng)①加速度計加速度計可以測量載體的瞬時加速度信息，根據(jù)計算獲得載體的瞬時速度和位置；陀螺儀可以測量瞬時角速率或角位置信息，提供各軸（及其上加速度計）在各時刻的方向?；谏鲜鲞^程，空間載體的瞬時運動參數(shù)，包括直線運動和角運動參數(shù)，可以由IMU測量得到。慣性導(dǎo)航可以利用這些測量值來計算載體的空間位置和速度，并且通過IMU提供的三軸角速度數(shù)據(jù)，估計車輛姿態(tài)，如側(cè)傾、俯仰和航向等。常用的MEMS加速度傳感器，根據(jù)加工工藝，可分為塊狀硅微加速度傳感器和表面工藝微加速度傳感器；根據(jù)不同的測量原理，可分為壓阻式、壓電式、隧道式、電容式和熱式。MEMS加速度傳感器在車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)中早已得到普遍應(yīng)用，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，也是重要的傳感器之一。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)02慣性導(dǎo)航系統(tǒng)②陀螺儀根據(jù)陀螺轉(zhuǎn)子主軸的進動程度可分為二自由度陀螺和單自由度陀螺。根據(jù)支撐系統(tǒng)可分為滾珠軸承陀螺、液浮/氣浮和磁懸浮陀螺、撓性陀螺和靜電陀螺。根據(jù)物理原理可分為轉(zhuǎn)子陀螺、半球諧振陀螺、微機械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺，其結(jié)構(gòu)和安裝如圖3-2-15所示。陀螺儀的工作原理是轉(zhuǎn)子可以在內(nèi)部框架內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸稱為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角速度稱為旋轉(zhuǎn)角速度。內(nèi)框可以繞內(nèi)框軸相對于外框自由轉(zhuǎn)動，外框繞外框軸相對于支架自由轉(zhuǎn)動，兩個旋轉(zhuǎn)的角速度稱為牽連角速度。旋轉(zhuǎn)軸、內(nèi)框架軸和外框架軸的軸線相交于一點，稱為陀螺支點，整個陀螺可以圍繞支點任意旋轉(zhuǎn)。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)03GNSS和INS的組合應(yīng)用慣性導(dǎo)航在實現(xiàn)過程中，慣性系統(tǒng)既不向載體外部發(fā)送信號，也不接收來自外部的信號，是一種完全自主的導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信號還可用于協(xié)助接收器天線與定位導(dǎo)航衛(wèi)星對準，從而減少干擾對系統(tǒng)的影響。對于導(dǎo)航載波相位測量，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠很好地解決衛(wèi)星定位導(dǎo)航周期跳變和信號丟失后全周模糊度參數(shù)的重新計算問題。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要缺點主。要是定位誤差隨著時間的推移而累積，經(jīng)過長時間的工作，累積誤差會有不同程度的變化。INS利用安裝在載體上的慣性器件敏感載體的運動，輸出載體的姿態(tài)和位置信息。具有很強的自主性、保密性、靈活性。機動性強，具備多功能參數(shù)輸出，但是導(dǎo)航精度隨時變化，它不能長時間單獨工作，必須連續(xù)校準。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)03GNSS和INS的組合應(yīng)用GNSS由于需要接受足夠數(shù)量的衛(wèi)星才能夠?qū)崿F(xiàn)定位，受各種物理、電磁信號等遮擋影響比較大。從GNSS和INS的優(yōu)缺點來看，兩者具有很強的互補性。在短時間內(nèi)INS的誤差比GNSS小，但長時間使用時，必須通過GNSS離散測量值進行修正，通過抓取系統(tǒng)漂移量，達到快速估計狀態(tài)參數(shù)與收斂的目的。當衛(wèi)星定位導(dǎo)航信號受到高強度干擾或衛(wèi)星系統(tǒng)接收機故障時，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可獨立進行導(dǎo)航定位；另外，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有定位精度高、數(shù)據(jù)采樣率高等特點，能在短時間內(nèi)為衛(wèi)星定位導(dǎo)航提供輔助信息，利用這些輔助信息，接收機可以保持較低的跟蹤帶寬，從而提高系統(tǒng)獲取衛(wèi)星信號的能力。當衛(wèi)星定位導(dǎo)航信號條件顯著改善以允許跟蹤時，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收器提供有關(guān)初始位置、速度等信息，以便快速重新獲取導(dǎo)航代碼和載波。GNSS是一種相對準確的定位傳感器，但更新頻率較低，不能滿足實時計算的要求。INS的定位誤差會隨著運行時間的增加而增大，但由于它是一種高頻傳感器，可以在短時間內(nèi)提供穩(wěn)定的實時位置更新。四、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)04SLAM自主導(dǎo)航系統(tǒng)同時定位與地圖構(gòu)建，通常是指在機器人或者其他載體上，通過對各種傳感器數(shù)據(jù)進行采集和計算，生成對其自身位置姿態(tài)的定位和場景地圖信息的系統(tǒng)。SLAM起源于機器人領(lǐng)域，其問題可以描述為：機器人在未知環(huán)境中開始啟動，并嘗試從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)自身位姿估計和地圖匹配進行自身定位，然后在自身定位的基礎(chǔ)上實現(xiàn)運動中拓展地圖，最終實現(xiàn)全局機器人的自主定位和導(dǎo)航。一般來講，SLAM系統(tǒng)通常都包含多種傳感器和多種功能模塊。而按照核心的功能模塊來區(qū)分，目前常見的智能網(wǎng)聯(lián)汽車SLAM系統(tǒng)一般具有兩種形式：基于激光雷達的SLAM和基于視覺的SLAM。激光SLAM系統(tǒng)通過對不同時刻兩片點云的匹配與比對，計算激光雷達相對運動的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對機器人自身的定位。激光雷達距離測量比較準確，誤差模型簡單，在強光直射以外的環(huán)境中運行穩(wěn)定，點云的處理也比較容易。同時，點云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使機器人的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對成熟，落地產(chǎn)品更豐富。以谷歌汽車為例，車輛攜帶有GPS，通過GPS對位置進行判斷，并以激光雷達SLAM點云圖像與高精度地圖進行坐標配準，匹配后確認自身位姿。五、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施。中國高度重視北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，自20世紀80年代開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，形成了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。第一步，建設(shè)北斗一號系統(tǒng)。第二步，建設(shè)北斗二號系統(tǒng)。第三步，建設(shè)北斗三號系統(tǒng)。按照計劃，2035年，我國還將建設(shè)更加泛在、更加融合、更加智能的綜合定位導(dǎo)航授時體系。北斗將以更強的功能、更優(yōu)的性能服務(wù)全球。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自提供服務(wù)以來，已在交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，融入國家核心基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。北斗與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的融合發(fā)展，正在構(gòu)建以北斗時空信息為主要內(nèi)容的新興產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，并正在成為北斗產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新引擎和助推器，推動著生產(chǎn)生活方式變革和商業(yè)模式的不斷創(chuàng)新。五、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展未來，中國北斗將持續(xù)推進海內(nèi)外應(yīng)用推廣，不斷深化衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度服務(wù)與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的繼續(xù)融合，加快衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域與高端制造業(yè)、軟件業(yè)的融合，推動生產(chǎn)方式和發(fā)展模式的變革，服務(wù)國民經(jīng)濟和社會信息化發(fā)展。北斗也將助推智能網(wǎng)聯(lián)汽車向自動駕駛、無人駕駛方向快速發(fā)展。課后練習03一、填空題1.對實時動態(tài)高精度定位精度一般要求達到

，實時性要求

以上。2.定位系統(tǒng)用來提供車輛的

、

等信息。3.高精度定位系統(tǒng)主要包括

、

、

和

。4.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)由

、

和

三部分組成。二、選擇題1.平臺層可實現(xiàn)功能模塊化，主要包括（）。A.高精度地圖B.數(shù)據(jù)管理C.交通動態(tài)信息D.差分解算2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由（）國家自主研發(fā)的。A.美國B.俄羅斯C.中國D.歐盟3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由（）顆衛(wèi)星組成。A.35B.36C.37D.38二、簡答題1.GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)2.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)3.伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)謝謝項目三智能網(wǎng)聯(lián)汽車高精度定位與導(dǎo)航系統(tǒng)認知車輛導(dǎo)航系統(tǒng)Annualworksummary2導(dǎo)入智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)是在自有相關(guān)導(dǎo)航設(shè)備與高精度地圖、高精度定位的基礎(chǔ)上，充分利用高精度地圖提供的靜態(tài)、準靜態(tài)、動態(tài)道路信息為自動駕駛的實現(xiàn)提供相應(yīng)輔助。目錄01教學目標02教學內(nèi)容03課后練習教學目標0103能闡述導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。01能描述導(dǎo)航系統(tǒng)的作用。02能說出車輛導(dǎo)航系統(tǒng)組成。01通過學習車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，樹立創(chuàng)新意識，促進全面發(fā)展。02通過學習我國我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合，引導(dǎo)學生樹立大局意識、核心意識。知識目標素質(zhì)目標04能說明我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合。教學內(nèi)容02一、導(dǎo)航系統(tǒng)的作用

傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的作用是對汽車進行實時導(dǎo)航定位,根據(jù)車輛位置選擇合適的駕駛路線,輔助駕駛?cè)饲巴康牡亍＼囕v導(dǎo)航系統(tǒng)涉及衛(wèi)星技術(shù)、DR圖像采集、GIS或電子地圖技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、顯示技術(shù)、接口技術(shù)和應(yīng)用軟件技術(shù)等領(lǐng)域,是通信與信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、車輛自動定位技術(shù)和計算機技術(shù)的綜合應(yīng)用。該系統(tǒng)包括安裝在車輛上的導(dǎo)航定位器、慣性導(dǎo)航裝置、無線電導(dǎo)航裝置、衛(wèi)星導(dǎo)航定位器、GPS/DR/GIS集成導(dǎo)航定位儀,以及電子地圖數(shù)據(jù)庫或GIS信息地圖。必要時,車輛可以與交通監(jiān)控中心通信,并使用數(shù)據(jù)庫記錄車輛和行駛路線的歷史狀態(tài)信息，如圖3-3-1所示一、導(dǎo)航系統(tǒng)的作用

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)置衛(wèi)星天線,用于接收由環(huán)繞地球的定位衛(wèi)星中至少三顆發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,結(jié)合存儲在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中的電子地圖,通過衛(wèi)星信號確定的位置坐標與此相匹配,確定車輛在電子地圖中的準確位置,從而得到最佳的駕駛方向、前方道路以及各類興趣點(如加油站、餐廳、酒店等)信息,為駕駛?cè)胩峁┑缆分敢约疤峁┑貓D中的各類信息。導(dǎo)航系統(tǒng)中的全局路徑規(guī)劃方法,根據(jù)起始點和目標點,通過拓撲化的地圖數(shù)據(jù),尋找兩點間所有可能的連接通路(經(jīng)路),通過對交通情況、駕駛?cè)嗽O(shè)置等,選擇最優(yōu)路徑,提供給駕駛?cè)苏_的導(dǎo)航，如圖3-3-2所示。二、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)組成

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)包括安裝在車輛上的導(dǎo)航定位器、慣性導(dǎo)航裝置、無線電導(dǎo)航裝置、衛(wèi)星導(dǎo)航定位器、GPS/DR/GIS集成導(dǎo)航定位儀等以及電子地圖數(shù)據(jù)庫或GIS信息地圖。必要時，車輛可以與交通監(jiān)控中心通信，并使用數(shù)據(jù)庫記錄車輛和路線的歷史狀態(tài)信息。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)置衛(wèi)星天線，用于接收由環(huán)繞地球的定位衛(wèi)星中至少三顆發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合存儲在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的電子地圖，通過衛(wèi)星信號確定的位置坐標與此相匹配，進行確定汽車在電子地圖中的準確位置，從而得到最佳的駕駛方向、前方道路以及各類興趣點信息。為駕駛?cè)颂峁┑缆分敢?，以及地圖中各類信息的提供，如圖3-3-3所示。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)三、導(dǎo)航系統(tǒng)的要求

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的不斷發(fā)展,對導(dǎo)航系統(tǒng)也不斷提出更高的要求:1.定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車具體的功能要求,需要提供車道級甚至厘米級的高精度定位。2.地圖信息地圖信息需要更加豐富、精確的道路環(huán)境信息,比如道路中交通元素的形狀、位置特征等,以實現(xiàn)輔助環(huán)境感知、車道級路徑規(guī)劃等功能。3.路徑規(guī)劃算法路徑規(guī)劃算法的要求更高。需要規(guī)劃出高精度、連續(xù)的軌跡。相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航的全局路徑規(guī)劃算法,路徑5規(guī)劃算法需要增加車道級的路徑規(guī)劃、路口軌跡的連接以及輔助環(huán)境感知信息的提取等,同時還要考慮駕乘人員意圖、個性等因素,做出更加智能的決策。三、導(dǎo)航系統(tǒng)的要求

未來的智能網(wǎng)聯(lián)汽車導(dǎo)航系統(tǒng),將能夠充分利用日益完善和持續(xù)發(fā)展的車載傳感器、智能交通設(shè)施、衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及云技術(shù)等,對由自車感知、無線通信等方式獲取的信息進行融合和分析,充分地理解環(huán)境、駕駛?cè)艘鈭D和車輛狀態(tài),實現(xiàn)更加安全、智能、舒適的全局路徑規(guī)劃,并能有效協(xié)作自動駕駛系統(tǒng)理解和認識環(huán)境,輔助駕駛?cè)嘶騾f(xié)同自動駕駛系統(tǒng)完成車輛預(yù)定的任務(wù)，如圖3-3-4所示。四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)在高精度地圖、高精度定位的基礎(chǔ)上,充分利用高精度地圖提供的靜態(tài)、準靜態(tài)及動態(tài)道路信息,以及利用車載傳感器獲取的動態(tài)信息,通過更加智能、精確、豐富信息的路徑規(guī)劃算法,為自動駕駛的實現(xiàn)提供道路指引，如圖3-3-5所示。

通常采用的組合導(dǎo)航有：衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合；衛(wèi)星導(dǎo)航與無線電導(dǎo)航的組合；多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的組合；衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航與地理信息系統(tǒng)的組合等。未來也必將會有新的導(dǎo)航手段和組合方式出現(xiàn)，推動組合導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展。四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合1.GNSS和INS的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)加上地基增強系統(tǒng)對車輛的定位精度很高，一般可達厘米級。但是衛(wèi)星定位系統(tǒng)也存在缺陷，一是衛(wèi)星接收機若受到建筑物阻擋或在地下隨道中，就不能有效接收位置信息；二是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的位置更新頻率大約為10Hz（100ms刷新一次位置信息，對于126km/h的車速，行駛距離達3.5m），不能滿足車輛的實時定位要求，自主式自動駕駛要求數(shù)據(jù)刷新的時間間隔不能大于10ms（對于126km/h的車速，10ms行駛距離為0.35m）。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新頻率高，可達1kHz，每1ms可刷新一次車輛位置信息（對于126km/h的車速，1ms行駛距離是3.5cm）。但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也存在缺陷，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的行駛距離經(jīng)過兩次積分產(chǎn)生，定位誤差隨時間的累積而增大，其定位精度只能在很短的時間內(nèi)有效。四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合1.GNSS和INS的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新頻率高的優(yōu)點，可以彌補衛(wèi)星定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新頻率低的缺陷，滿足車輛的實時性定位要求；利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位精度高的優(yōu)點，定期地（100ms）校準慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位信息，可以消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積定位誤差。GNSS與INS組合導(dǎo)航的優(yōu)勢有：可發(fā)現(xiàn)并校準慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度；彌補衛(wèi)星導(dǎo)航的信號缺損問題，提高導(dǎo)航能力；提高衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測能力，提高組合導(dǎo)航的可靠性；可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機對衛(wèi)星信號的捕獲能力，提高整體導(dǎo)航效率；增加觀測冗余度，提高異常誤差的監(jiān)測能力，提高系統(tǒng)的容錯功能；提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，提高完好性。四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合2.GNSS、INS及高精度地圖的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車在實際應(yīng)用中，一般采用多傳感器融合的定位，既做到優(yōu)勢互補，也提高了穩(wěn)定性，增強了定位精度。L4無人車運營商常用的定位方案中多使用多線束的激光雷達和高精度的GPS/IMU，這些高精密的傳感器能夠提供豐富的信息，但其成本十分高昂，并且也無法滿足車規(guī)級汽車的要求。四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合2.GNSS、INS及高精度地圖的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)⑴百度Apollo2.0的多傳感器融合定位自動駕駛數(shù)據(jù)將包括具有高分辨率圖像和像素級別標注的RGB視頻，具有場景級語義分割的密集三維點云、基于雙目立體視覺的視頻和全景圖像。數(shù)據(jù)集中提供的圖像為通過采集系統(tǒng)每米采集一幀的方式采集，分辨率為3384x2710。百度數(shù)據(jù)采集車是配備了高分辨率相機和Riegl采集系統(tǒng)的中型SUV。采集場景包括不同城市的不同交通狀況的道路行駛數(shù)據(jù)，平均每張圖中移動障礙物的數(shù)量從幾十到上百不等。（例如，單張圖像中多達162輛交通工具或80名行人）除了采集數(shù)據(jù)之外，百度還會用自己的視覺感知算法給每一幀畫面中的像素做相應(yīng)的語義分割。當前支持的語義分割種類已經(jīng)達到25項，包括車輛、行人、自行車、摩托車、道路、交通標識等等。這樣的分割有助于開發(fā)者可以在這個數(shù)據(jù)集中直接訓練以及驗證自己的自動駕駛算法。換言之這套數(shù)據(jù)集是可以讓開發(fā)者直接拿來就用的，而不用再做初始的數(shù)據(jù)解析。其高精度定位在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用。四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度定位的融合2.GNSS、INS及高精度地圖的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)⑴百度Apollo2.0的多傳感器融合定位四、我國導(dǎo)航系統(tǒng)與高精地圖、高精度