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高阶自动驾驶量产元年:浅谈「高精度组合导航」市场趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-07-12     来源:赛博汽车     浏览次数:1652
       组合导航厂商正在做紧耦合、低成本产品,而车企及自动驾驶厂商则开始自研GNSS和IMU相关算法。
2022年,被称为是高级别自动驾驶量产的元年。

       随着高级别自动驾驶功能的落地,大算力芯片、激光雷达、高清摄像头、高精地图已经成为不可缺少的部件。除此之外,提供高精度定位的组合导航,也起着至关重要的作用。

       今天就来分析以一下「高精度组合导航」的技术前景和市场趋势。

       01 高精定位不可或缺,卫导+惯导最佳组合

       自动驾驶技术主要包括高精度地图模块、定位模块、感知模块、智能决策与控制模块四大模块。

       可以说,高精度地图、定位、感知,都是为自动驾驶的智能决策提供依据。

       其中,利用采集和制作的高精度地图记录完整的三维道路信息;利用卫星导航系统与惯性导航系统组合在厘米级精度实现车辆定位;利用交通场景物体识别技术和环境感知技术实现高精度车辆探测识别、跟踪、距离和速度估计、路面分割、车道线检测。

       定位模块,也就是我们说的组合导航系统,主要基于卫星导航定位系统(GNSS)、惯性测量单元(IMU),结合高精度地图及多种传感器数据,使得定位系统可提供厘米级综合定位解决方案。

       在所有的定位模块中,只有卫星导航系统可以提供绝对位置,其他传感器实现的都是相对定位。

       车道级定位,特别是在自动驾驶汽车上下匝道、高架桥的高程信息,对地图匹配非常重要。

       除了位置外,卫星导航还可提供精准的时间信息、速度信息,这些都是高阶自动驾驶不可或缺的。

       目前,全球有四大导航系统,包括美国的GPS、俄罗斯的GLOGNSS、欧盟的Galileo以及我国的北斗。

       卫星导航可在WGS84坐标系下输出纬度经度高程等信息,北斗卫星导航系统于2020年完成全球组网,宣告着北斗可以在全球范围内提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。

       卫星导航的定位原理,是通过卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出卫星导航接收机的三维位置、运动速度和时间信息。

       通过几何关系的运算可理解为,假设t时刻在地面待测点上安置卫星导航接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:

       四个方程式中x、y、z为待测点坐标,Vto为接收机的钟差为未知参数,其中di=c△ti,(i=1、2、3、4),di分别为卫星i到接收机之间的距离,△ti 分别为卫星i的信号到达接收机所经历的时间,xi 、yi 、zi为卫星i在t时刻的空间直角坐标,Vti为卫星钟的钟差,c为光速。
卫星导航

       可由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto,从而确定接收机的纬度、经度和高程信息。

       而由于大气层中的对流层和电离层对电磁信号的干扰,通常经过解算这种定位精度只能达到米级别。

       要想实现厘米级别的定位精度还需用其他手段来进行辅助,通常的手段有地基增强系统(RTK载波相位实时差分定位)、精密单点定位PPP、星基差分系统等来实现共模误差的消除。

       卫星导航产品的优势在于全天候使用,观测点之间无需通视,并且作用范围广、精度高。但缺陷也十分明显,受环境影响非常大,包括电磁干扰、多路径等均会对其精度产生影响,最重要的一点是不能有遮挡,为了弥补这样的问题,惯性导航系统(INS)成为卫星导航系统最亲密的伙伴。

       惯性导航系统能够提供移动载体的实时位置和姿态信息,是完全自主的导航方式,惯性导航定位的缺点在于,测量误差会随时间累加而越来越大。

       卫星导航和惯性导航组合应用,刚好可以对双方的缺点进行弥补。按照信息交换或组合程度的不同,可分为松组合和紧组合。

       松组合是以INS为主,在GNSS工作时,GNSS信号用于导航信息的最优估计,并用最优估计结果反馈修正INS,使其保持高精度;在GNSS不可用时,INS单独工作,输出惯性导航解。

       这种组合方案目前已经在国产组合导航系统中得到了广泛应用,结果表明在GNSS工作良好区域或短时间失锁时,该组合导航系统的输出精度都较好,一般不低于GNSS精度。

       但是,当载体进行高动态机动或GNSS接收机受环境干扰影响而长时间不能工作时,该系统的精度将随系统运行时间增加而急剧下降,可靠性和抗干扰能力较差。

高精度组合导航算法

       优势:计算简单,便于实现;两系统独立工作,导航信息有一定冗余度。

       不足:精度不高,动态特性不佳。

       相较于松组合而言,紧组合是双向信息传输:即一方面GNSS信号(包括原始数据伪距、伪距率)用于修正INS;另一方面INS信号在卫星星历的辅助下,也计算载体相对于GNSS卫星的伪距和伪距率,并用该信息辅助GNSS信号的接收和码环锁相过程,增强GNSS信号的快速捕获和抗干扰能力,以提高GNSS的接收机精度和动态性能和工作可靠性。

       在GNSS导航卫星可观测数据少于4颗时仍然能够输出有用信息,而如果此时在松组合中遇到同样的情况GNSS的输出信息是不可用的。

       优势:精度高,适用高动态环境。

       不足:算法复杂,设计难度大。

       02 自动驾驶多场景落地,定位市场前景可期

       自动驾驶场景非常丰富,包括Robotaxi、Robobus、干线物流、港口、矿山、低速配送、清扫等场景。不同的场景对组合导航产品的要求也有一定差异,但双GNSS天线的方案是不可或缺的。

       如矿山场景较为开阔,但震动较大,要求对产品硬件抗震和软件算法的滤波。

       港口场景环境多变,遮挡严重,需要加UWB、标识、轮速传感器等做多传感器融合。

       低速配送、清扫等场景简单,变化小,对组合导航产品精度要求较低,更多依赖SLAM算法。

       而Robotaxi场景最为复杂,前期算法对组合导航精度要求较高。

       组合导航的精度除了算法外主要依赖惯性器件IMU的精度,常见的IMU产品分为光纤IMU和MEMS IMU,光纤级别的IMU器件精度普遍比MEMS级别的器件精度高,目前也多用于高精度地图采集以及作为产品的真值。

       MEMS级别的组合导航是目前L4自动驾驶的主流。L4自动驾驶厂商普遍能接受的价格也从大几千元级别、万元级别最高可达十多万元不等。

       核心的产品供应商主要包括北斗星通、华测、导远、NovAtel、北云、戴世、星网宇达等。

       现阶段,L4级别自动驾驶应用的组合导航产品的发展趋势来看,组合导航产品厂商各家逐步做紧耦合、低成本的产品。

       而自动驾驶厂商逐步涉及GNSS和IMU相关算法,只需要外购GNSS模块和IMU模块,目前已经有部分头部厂商应用了自研的组合导航算法。

       2022年也称为L2+行泊一体的元年,多家企业发布了量产方案,应用场景也陆续从高速领航辅助驾驶做到城区领航辅助驾驶。

       国内L2+应用组合导航产品是从2017年上汽荣威MAR WELL XPro 1000辆demo的项目开始,2020年,小鹏打造的NGP解决方案,同样应用了组合导航产品。
       
       组合导航产品的主流方案是外置的P-box方案,只需要单GNSS天线,现阶段L2+量产P-box方案相较于L4应用的组合导航产品主要有两个特点,一个是低成本,另外一个是车规级。

       低成本这块目前主机厂普遍能接受的成本需要控制在千元以内,但同时对于产品质量、耐久性等有着更高要求,需要通过一系列的标准认证。

       具体来看,GNSS芯片或者IMU芯片要求过AECQ100,模组过AECQ104,P-box产品要过功能安全ISO26262,同时要满足车规级的生产体系16949,由此可见量产对组合导航产品的要求更为苛刻。

       目前,高精度组合定位系统(P-Box)市场的主流玩家包括导远、华测、移远、戴世、北斗星通、北云等,导远和华测拿到的量产定点项目较多,导远和小鹏、理想、北汽等车企达成合作,华测定点了比亚迪、长城、哪吒、路特斯、一汽红旗、小米,北斗星通拿到长安的定点。

       GNSS核心玩家国内主要是和芯星通,国外是u-blox、ST;IMU主要以村田、美泰的产品为主。

       整体来看,组合导航市场有三个发展趋势:

       其一,业内普遍认为P-BOX只是产品的中间形态,最终会朝着器件化演进,向域控制器集成化发展。

       其二,部分车企、自动驾驶厂商已经开始布局GNSS和IMU相关算法,并落地应用。

       其三,功能安全是目前组合导航产品的难点,现阶段P-BOX设备基本上都没过功能安全的认证。但智能网联汽车对功能安全的产品要求已经走在路上,工信部于2021年7月发布《关于加强智能网联汽车生产企业及产品准入管理的意见》中明确提到了具有自动驾驶功能的汽车产品,应满足功能安全、预期功能安全、网络安全的要求。

       随着高级别自动驾驶的规模量产,高精度定位市场前景可期。与此同时,自动驾驶规模化落地,也将带动组合定位产品的价格和安全质量越来越成熟。 
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