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高階自動(dòng)駕駛量產(chǎn)元年:淺談「高精度組合導(dǎo)航」市場(chǎng)趨勢(shì)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-07-12     來源:賽博汽車     瀏覽次數(shù):1823
核心提示:組合導(dǎo)航廠商正在做緊耦合、低成本產(chǎn)品,而車企及自動(dòng)駕駛廠商則開始自研GNSS和IMU相關(guān)算法。 2022年,被稱為是高級(jí)別自動(dòng)駕
       組合導(dǎo)航廠商正在做緊耦合、低成本產(chǎn)品,而車企及自動(dòng)駕駛廠商則開始自研GNSS和IMU相關(guān)算法。
2022年,被稱為是高級(jí)別自動(dòng)駕駛量產(chǎn)的元年。

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

       今天就來分析以一下「高精度組合導(dǎo)航」的技術(shù)前景和市場(chǎng)趨勢(shì)。

       01 高精定位不可或缺,衛(wèi)導(dǎo)+慣導(dǎo)最佳組合

       自動(dòng)駕駛技術(shù)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(dòng)駕駛的智能決策提供依據(jù)。

       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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合在厘米級(jí)精度實(shí)現(xiàn)車輛定位;利用交通場(chǎng)景物體識(shí)別技術(shù)和環(huán)境感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度車輛探測(cè)識(shí)別、跟蹤、距離和速度估計(jì)、路面分割、車道線檢測(cè)。

       定位模塊,也就是我們說的組合導(dǎo)航系統(tǒng),主要基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)、慣性測(cè)量單元(IMU),結(jié)合高精度地圖及多種傳感器數(shù)據(jù),使得定位系統(tǒng)可提供厘米級(jí)綜合定位解決方案。

       在所有的定位模塊中,只有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供絕對(duì)位置,其他傳感器實(shí)現(xiàn)的都是相對(duì)定位。

       車道級(jí)定位,特別是在自動(dòng)駕駛汽車上下匝道、高架橋的高程信息,對(duì)地圖匹配非常重要。

       除了位置外,衛(wèi)星導(dǎo)航還可提供精準(zhǔn)的時(shí)間信息、速度信息,這些都是高階自動(dòng)駕駛不可或缺的。

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

       衛(wèi)星導(dǎo)航可在WGS84坐標(biāo)系下輸出緯度經(jīng)度高程等信息,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2020年完成全球組網(wǎng),宣告著北斗可以在全球范圍內(nèi)提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。

       衛(wèi)星導(dǎo)航的定位原理,是通過衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息,用戶接收到這些信息后,經(jīng)過計(jì)算求出衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的三維位置、運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。

       通過幾何關(guān)系的運(yùn)算可理解為,假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī),可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t,再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式:

       四個(gè)方程式中x、y、z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),Vto為接收機(jī)的鐘差為未知參數(shù),其中di=c△ti,(i=1、2、3、4),di分別為衛(wèi)星i到接收機(jī)之間的距離,△ti 分別為衛(wèi)星i的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間,xi 、yi 、zi為衛(wèi)星i在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo),Vti為衛(wèi)星鐘的鐘差,c為光速。
衛(wèi)星導(dǎo)航

       可由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z 和接收機(jī)的鐘差Vto,從而確定接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和高程信息。

       而由于大氣層中的對(duì)流層和電離層對(duì)電磁信號(hào)的干擾,通常經(jīng)過解算這種定位精度只能達(dá)到米級(jí)別。

       要想實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的定位精度還需用其他手段來進(jìn)行輔助,通常的手段有地基增強(qiáng)系統(tǒng)(RTK載波相位實(shí)時(shí)差分定位)、精密單點(diǎn)定位PPP、星基差分系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)共模誤差的消除。

       衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于全天候使用,觀測(cè)點(diǎn)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(huán)境影響非常大,包括電磁干擾、多路徑等均會(huì)對(duì)其精度產(chǎn)生影響,最重要的一點(diǎn)是不能有遮擋,為了彌補(bǔ)這樣的問題,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最親密的伙伴。

       慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供移動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)信息,是完全自主的導(dǎo)航方式,慣性導(dǎo)航定位的缺點(diǎn)在于,測(cè)量誤差會(huì)隨時(shí)間累加而越來越大。

       衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航組合應(yīng)用,剛好可以對(duì)雙方的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。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(shí),GNSS信號(hào)用于導(dǎo)航信息的最優(yōu)估計(jì),并用最優(yōu)估計(jì)結(jié)果反饋修正INS,使其保持高精度;在GNSS不可用時(shí),INS單獨(dú)工作,輸出慣性導(dǎo)航解。

       這種組合方案目前已經(jīng)在國產(chǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,結(jié)果表明在GNSS工作良好區(qū)域或短時(shí)間失鎖時(shí),該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出精度都較好,一般不低于GNSS精度。

       但是,當(dāng)載體進(jìn)行高動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)或GNSS接收機(jī)受環(huán)境干擾影響而長(zhǎng)時(shí)間不能工作時(shí),該系統(tǒng)的精度將隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(dǎo)航算法

       優(yōu)勢(shì):計(jì)算簡(jiǎn)單,便于實(shí)現(xiàn);兩系統(tǒng)獨(dú)立工作,導(dǎo)航信息有一定冗余度。

       不足:精度不高,動(dòng)態(tài)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(hào)(包括原始數(shù)據(jù)偽距、偽距率)用于修正INS;另一方面INS信號(hào)在衛(wèi)星星歷的輔助下,也計(jì)算載體相對(duì)于GNSS衛(wèi)星的偽距和偽距率,并用該信息輔助GNSS信號(hào)的接收和碼環(huán)鎖相過程,增強(qiáng)GNSS信號(hào)的快速捕獲和抗干擾能力,以提高GNSS的接收機(jī)精度和動(dòng)態(tài)性能和工作可靠性。

       在GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星可觀測(cè)數(shù)據(jù)少于4顆時(shí)仍然能夠輸出有用信息,而如果此時(shí)在松組合中遇到同樣的情況GNSS的輸出信息是不可用的。

       優(yōu)勢(shì):精度高,適用高動(dòng)態(tài)環(huán)境。

       不足:算法復(fù)雜,設(shè)計(jì)難度大。

       02 自動(dòng)駕駛多場(chǎng)景落地,定位市場(chǎng)前景可期

       自動(dòng)駕駛場(chǎng)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(chǎng)景。不同的場(chǎng)景對(duì)組合導(dǎo)航產(chǎn)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(chǎng)景較為開闊,但震動(dòng)較大,要求對(duì)產(chǎn)品硬件抗震和軟件算法的濾波。

       港口場(chǎng)景環(huán)境多變,遮擋嚴(yán)重,需要加UWB、標(biāo)識(shí)、輪速傳感器等做多傳感器融合。

       低速配送、清掃等場(chǎng)景簡(jiǎn)單,變化小,對(duì)組合導(dǎo)航產(chǎn)品精度要求較低,更多依賴SLAM算法。

       而Robotaxi場(chǎng)景最為復(fù)雜,前期算法對(duì)組合導(dǎo)航精度要求較高。

       組合導(dǎo)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(chǎn)品分為光纖IMU和MEMS IMU,光纖級(jí)別的IMU器件精度普遍比MEMS級(jí)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(chǎn)品的真值。

       MEMS級(jí)別的組合導(dǎo)航是目前L4自動(dòng)駕駛的主流。L4自動(dòng)駕駛廠商普遍能接受的價(jià)格也從大幾千元級(jí)別、萬元級(jí)別最高可達(dá)十多萬元不等。

       核心的產(chǎn)品供應(yīng)商主要包括北斗星通、華測(cè)、導(dǎo)遠(yuǎn)、NovAtel、北云、戴世、星網(wǎng)宇達(dá)等。

       現(xiàn)階段,L4級(jí)別自動(dòng)駕駛應(yīng)用的組合導(dǎo)航產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)來看,組合導(dǎo)航產(chǎn)品廠商各家逐步做緊耦合、低成本的產(chǎn)品。

       而自動(dòng)駕駛廠商逐步涉及GNSS和IMU相關(guān)算法,只需要外購GNSS模塊和IMU模塊,目前已經(jīng)有部分頭部廠商應(yīng)用了自研的組合導(dǎo)航算法。

       2022年也稱為L(zhǎng)2+行泊一體的元年,多家企業(yè)發(fā)布了量產(chǎn)方案,應(yīng)用場(chǎng)景也陸續(xù)從高速領(lǐng)航輔助駕駛做到城區(qū)領(lǐng)航輔助駕駛。

       國內(nèi)L2+應(yīng)用組合導(dǎo)航產(chǎn)品是從2017年上汽榮威MAR WELL XPro 1000輛demo的項(xiàng)目開始,2020年,小鵬打造的NGP解決方案,同樣應(yīng)用了組合導(dǎo)航產(chǎn)品。
       
       組合導(dǎo)航產(chǎn)品的主流方案是外置的P-box方案,只需要單GNSS天線,現(xiàn)階段L2+量產(chǎn)P-box方案相較于L4應(yīng)用的組合導(dǎo)航產(chǎn)品主要有兩個(gè)特點(diǎn),一個(gè)是低成本,另外一個(gè)是車規(guī)級(jí)。

       低成本這塊目前主機(jī)廠普遍能接受的成本需要控制在千元以內(nèi),但同時(shí)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量、耐久性等有著更高要求,需要通過一系列的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

       具體來看,GNSS芯片或者IMU芯片要求過AECQ100,模組過AECQ104,P-box產(chǎn)品要過功能安全I(xiàn)SO26262,同時(shí)要滿足車規(guī)級(jí)的生產(chǎn)體系16949,由此可見量產(chǎn)對(duì)組合導(dǎo)航產(chǎn)品的要求更為苛刻。

       目前,高精度組合定位系統(tǒng)(P-Box)市場(chǎng)的主流玩家包括導(dǎo)遠(yuǎn)、華測(cè)、移遠(yuǎn)、戴世、北斗星通、北云等,導(dǎo)遠(yuǎn)和華測(cè)拿到的量產(chǎn)定點(diǎn)項(xiàng)目較多,導(dǎo)遠(yuǎn)和小鵬、理想、北汽等車企達(dá)成合作,華測(cè)定點(diǎn)了比亞迪、長(zhǎng)城、哪吒、路特斯、一汽紅旗、小米,北斗星通拿到長(zhǎng)安的定點(diǎn)。

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

       整體來看,組合導(dǎo)航市場(chǎng)有三個(gè)發(fā)展趨勢(shì):

       其一,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為P-BOX只是產(chǎn)品的中間形態(tài),最終會(huì)朝著器件化演進(jìn),向域控制器集成化發(fā)展。

       其二,部分車企、自動(dòng)駕駛廠商已經(jīng)開始布局GNSS和IMU相關(guān)算法,并落地應(yīng)用。

       其三,功能安全是目前組合導(dǎo)航產(chǎn)品的難點(diǎn),現(xiàn)階段P-BOX設(shè)備基本上都沒過功能安全的認(rèn)證。但智能網(wǎng)聯(lián)汽車對(duì)功能安全的產(chǎn)品要求已經(jīng)走在路上,工信部于2021年7月發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理的意見》中明確提到了具有自動(dòng)駕駛功能的汽車產(chǎn)品,應(yīng)滿足功能安全、預(yù)期功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全的要求。

       隨著高級(jí)別自動(dòng)駕駛的規(guī)模量產(chǎn),高精度定位市場(chǎng)前景可期。與此同時(shí),自動(dòng)駕駛規(guī);涞兀矊(dòng)組合定位產(chǎn)品的價(jià)格和安全質(zhì)量越來越成熟。 
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