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    高階自動駕駛量產元年:淺談「高精度組合導航」市場趨勢

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-07-12  來源:賽博汽車  瀏覽次數:1631
           組合導航廠商正在做緊耦合、低成本產品,而車企及自動駕駛廠商則開始自研GNSS和IMU相關算法。
    2022年,被稱為是高級別自動駕駛量產的元年。

           隨著高級別自動駕駛功能的落地,大算力芯片、激光雷達、高清攝像頭、高精地圖已經成為不可缺少的部件。除此之外,提供高精度定位的組合導航,也起著至關重要的作用。

           今天就來分析以一下「高精度組合導航」的技術前景和市場趨勢。

           01 高精定位不可或缺,衛導+慣導最佳組合

           自動駕駛技術主要包括高精度地圖模塊、定位模塊、感知模塊、智能決策與控制模塊四大模塊。

           可以說,高精度地圖、定位、感知,都是為自動駕駛的智能決策提供依據。

           其中,利用采集和制作的高精度地圖記錄完整的三維道路信息;利用衛星導航系統與慣性導航系統組合在厘米級精度實現車輛定位;利用交通場景物體識別技術和環境感知技術實現高精度車輛探測識別、跟蹤、距離和速度估計、路面分割、車道線檢測。

           定位模塊,也就是我們說的組合導航系統,主要基于衛星導航定位系統(GNSS)、慣性測量單元(IMU),結合高精度地圖及多種傳感器數據,使得定位系統可提供厘米級綜合定位解決方案。

           在所有的定位模塊中,只有衛星導航系統可以提供絕對位置,其他傳感器實現的都是相對定位。

           車道級定位,特別是在自動駕駛汽車上下匝道、高架橋的高程信息,對地圖匹配非常重要。

           除了位置外,衛星導航還可提供精準的時間信息、速度信息,這些都是高階自動駕駛不可或缺的。

           目前,全球有四大導航系統,包括美國的GPS、俄羅斯的GLOGNSS、歐盟的Galileo以及我國的北斗。

           衛星導航可在WGS84坐標系下輸出緯度經度高程等信息,北斗衛星導航系統于2020年完成全球組網,宣告著北斗可以在全球范圍內提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。

           衛星導航的定位原理,是通過衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息,用戶接收到這些信息后,經過計算求出衛星導航接收機的三維位置、運動速度和時間信息。

           通過幾何關系的運算可理解為,假設t時刻在地面待測點上安置衛星導航接收機,可以測定GPS信號到達接收機的時間△t,再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式:

           四個方程式中x、y、z為待測點坐標,Vto為接收機的鐘差為未知參數,其中di=c△ti,(i=1、2、3、4),di分別為衛星i到接收機之間的距離,△ti 分別為衛星i的信號到達接收機所經歷的時間,xi 、yi 、zi為衛星i在t時刻的空間直角坐標,Vti為衛星鐘的鐘差,c為光速。
    衛星導航

           可由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto,從而確定接收機的緯度、經度和高程信息。

           而由于大氣層中的對流層和電離層對電磁信號的干擾,通常經過解算這種定位精度只能達到米級別。

           要想實現厘米級別的定位精度還需用其他手段來進行輔助,通常的手段有地基增強系統(RTK載波相位實時差分定位)、精密單點定位PPP、星基差分系統等來實現共模誤差的消除。

           衛星導航產品的優勢在于全天候使用,觀測點之間無需通視,并且作用范圍廣、精度高。但缺陷也十分明顯,受環境影響非常大,包括電磁干擾、多路徑等均會對其精度產生影響,最重要的一點是不能有遮擋,為了彌補這樣的問題,慣性導航系統(INS)成為衛星導航系統最親密的伙伴。

           慣性導航系統能夠提供移動載體的實時位置和姿態信息,是完全自主的導航方式,慣性導航定位的缺點在于,測量誤差會隨時間累加而越來越大。

           衛星導航和慣性導航組合應用,剛好可以對雙方的缺點進行彌補。按照信息交換或組合程度的不同,可分為松組合和緊組合。

           松組合是以INS為主,在GNSS工作時,GNSS信號用于導航信息的最優估計,并用最優估計結果反饋修正INS,使其保持高精度;在GNSS不可用時,INS單獨工作,輸出慣性導航解。

           這種組合方案目前已經在國產組合導航系統中得到了廣泛應用,結果表明在GNSS工作良好區域或短時間失鎖時,該組合導航系統的輸出精度都較好,一般不低于GNSS精度。

           但是,當載體進行高動態機動或GNSS接收機受環境干擾影響而長時間不能工作時,該系統的精度將隨系統運行時間增加而急劇下降,可靠性和抗干擾能力較差。

    高精度組合導航算法

           優勢:計算簡單,便于實現;兩系統獨立工作,導航信息有一定冗余度。

           不足:精度不高,動態特性不佳。

           相較于松組合而言,緊組合是雙向信息傳輸:即一方面GNSS信號(包括原始數據偽距、偽距率)用于修正INS;另一方面INS信號在衛星星歷的輔助下,也計算載體相對于GNSS衛星的偽距和偽距率,并用該信息輔助GNSS信號的接收和碼環鎖相過程,增強GNSS信號的快速捕獲和抗干擾能力,以提高GNSS的接收機精度和動態性能和工作可靠性。

           在GNSS導航衛星可觀測數據少于4顆時仍然能夠輸出有用信息,而如果此時在松組合中遇到同樣的情況GNSS的輸出信息是不可用的。

           優勢:精度高,適用高動態環境。

           不足:算法復雜,設計難度大。

           02 自動駕駛多場景落地,定位市場前景可期

           自動駕駛場景非常豐富,包括Robotaxi、Robobus、干線物流、港口、礦山、低速配送、清掃等場景。不同的場景對組合導航產品的要求也有一定差異,但雙GNSS天線的方案是不可或缺的。

           如礦山場景較為開闊,但震動較大,要求對產品硬件抗震和軟件算法的濾波。

           港口場景環境多變,遮擋嚴重,需要加UWB、標識、輪速傳感器等做多傳感器融合。

           低速配送、清掃等場景簡單,變化小,對組合導航產品精度要求較低,更多依賴SLAM算法。

           而Robotaxi場景最為復雜,前期算法對組合導航精度要求較高。

           組合導航的精度除了算法外主要依賴慣性器件IMU的精度,常見的IMU產品分為光纖IMU和MEMS IMU,光纖級別的IMU器件精度普遍比MEMS級別的器件精度高,目前也多用于高精度地圖采集以及作為產品的真值。

           MEMS級別的組合導航是目前L4自動駕駛的主流。L4自動駕駛廠商普遍能接受的價格也從大幾千元級別、萬元級別最高可達十多萬元不等。

           核心的產品供應商主要包括北斗星通、華測、導遠、NovAtel、北云、戴世、星網宇達等。

           現階段,L4級別自動駕駛應用的組合導航產品的發展趨勢來看,組合導航產品廠商各家逐步做緊耦合、低成本的產品。

           而自動駕駛廠商逐步涉及GNSS和IMU相關算法,只需要外購GNSS模塊和IMU模塊,目前已經有部分頭部廠商應用了自研的組合導航算法。

           2022年也稱為L2+行泊一體的元年,多家企業發布了量產方案,應用場景也陸續從高速領航輔助駕駛做到城區領航輔助駕駛。

           國內L2+應用組合導航產品是從2017年上汽榮威MAR WELL XPro 1000輛demo的項目開始,2020年,小鵬打造的NGP解決方案,同樣應用了組合導航產品。
           
           組合導航產品的主流方案是外置的P-box方案,只需要單GNSS天線,現階段L2+量產P-box方案相較于L4應用的組合導航產品主要有兩個特點,一個是低成本,另外一個是車規級。

           低成本這塊目前主機廠普遍能接受的成本需要控制在千元以內,但同時對于產品質量、耐久性等有著更高要求,需要通過一系列的標準認證。

           具體來看,GNSS芯片或者IMU芯片要求過AECQ100,模組過AECQ104,P-box產品要過功能安全ISO26262,同時要滿足車規級的生產體系16949,由此可見量產對組合導航產品的要求更為苛刻。

           目前,高精度組合定位系統(P-Box)市場的主流玩家包括導遠、華測、移遠、戴世、北斗星通、北云等,導遠和華測拿到的量產定點項目較多,導遠和小鵬、理想、北汽等車企達成合作,華測定點了比亞迪、長城、哪吒、路特斯、一汽紅旗、小米,北斗星通拿到長安的定點。

           GNSS核心玩家國內主要是和芯星通,國外是u-blox、ST;IMU主要以村田、美泰的產品為主。

           整體來看,組合導航市場有三個發展趨勢:

           其一,業內普遍認為P-BOX只是產品的中間形態,最終會朝著器件化演進,向域控制器集成化發展。

           其二,部分車企、自動駕駛廠商已經開始布局GNSS和IMU相關算法,并落地應用。

           其三,功能安全是目前組合導航產品的難點,現階段P-BOX設備基本上都沒過功能安全的認證。但智能網聯汽車對功能安全的產品要求已經走在路上,工信部于2021年7月發布《關于加強智能網聯汽車生產企業及產品準入管理的意見》中明確提到了具有自動駕駛功能的汽車產品,應滿足功能安全、預期功能安全、網絡安全的要求。

           隨著高級別自動駕駛的規模量產,高精度定位市場前景可期。與此同時,自動駕駛規;涞,也將帶動組合定位產品的價格和安全質量越來越成熟。 
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