作者：

　　u-blox 定位產品中心高級首席工程師 David Bartlett

　　u-blox汽車應用市場部負責人 Stefania Sesia 博士

　　自動駕駛汽車已成為當今主流媒體的熱議話題，但若要將無人駕駛車輛作為主流大眾出行工具，我們還有一些關鍵技術需要完善。

　　高精度定位就是其中一個需要重點關注的領域。為了成功制造出符合汽車工程師學會六級自動化量表中處于較高等級的車型，高精度定位技術需要隨時通過可靠的方式實現精確到厘米級的定位。

　　© SAE International

　　圖 1：汽車工程師學會六級自動化量表

　　然而，大多數現代汽車的定位系統精度仍然達不到這種水平，現在的汽車往往使用全球導航衛星系統 (GNSS) 接收機，配合慣性測量單元 (IMU) 和里程計來實現定位。即便 GNSS 衛星信號保持出色的接收效果，但如果沒有校正服務，其水平精度約 2 米到 5 米(CEP)。如果在城市或室內等更復雜的環境中，精度還會大幅劣化。

　　通過 UWB 和 V2X 彌補 GNSS 的短板

　　目前，業界正開發各種解決方案來應對 GNSS 的這一短板，但現有的各種技術都存在局限性，并沒能提供在所有環境下都可行的解決方案。因此，未來自動駕駛汽車必然將依靠多技術融合的混合解決方案來實現。

　　迄今為止，對 GNSS 結合地面無線電技術來提高汽車定位精度方面的研究仍然相對匱乏。蜂窩通信 V2X (C-V2X)、IEEE 802.11p V2X、其后繼技術 802.11bd 和超寬帶 (UWB) 均適合用于短距離測距。在 EN 302890(智能交通系統)中，V2X ITS 通信技術被列為潛在定位解決方案，而超寬帶 (UWB) 技術在室內應用以及車廠的免鑰匙門鎖等應用領域的發展勢頭十分迅猛。

　　以上技術的發展逐步成熟，可進一步探究其作為 GNSS 和 IMU補充方案的潛力，最終支持更高的車輛自主性水平。u-blox 最近進行了一項研究，評估在采用 GNSS 的混合式汽車導航解決方案中納入 IEEE 802.11p V2X 和 UWB，以對比地面無線信號測距的優劣勢。我們本次測試目標主要是研究融合技術在自動駕駛應用場景中的可行性，并分析在未來自動駕駛車輛中真正采用此類混合導航解決方案時可能的研究方向。

　　地面無線測距的工作原理

　　地面無線測距系統需要建立固定地面站網絡(在 V2X 系統中通常被稱為路邊單元 (RSU)),其中每個地面站的位置都是已知的。RSU 會回復車輛發出的 V2X 或 UWB 信號，車輛測量信號的往返時間，并據此計算出自身與RSU之間的距離。通過三個或更多相對于車輛呈現幾何分布的 RSU 執行此操作，即可確定車輛位置。

　　模擬的必要性

　　此類解決方案需要大規模 RSU 部署，而目前尚不具備這種條件。對于我們的研究而言，在城市公眾用地環境中安裝合適的地面站網絡不具備可行性，部分原因在于，有關此類環境下 UWB 的法規監管仍在不斷發展完善。因此，我們在多個私有地產周邊設立了錨點，涵蓋的環境包括空曠區域到代表城市環境的區域(例如商業園區)。我們對 UWB 和 V2X 信號在這些環境中的表現進行了廣泛的測量，從中提取噪聲等性能統計數據，并據此創建了一個針對測距性能的行為仿真模型。

　　測試方法

　　在為不同類型的環境(農村、城市和室內環境)建立行為仿真模型后，我們進行了數次真實世界的路測，其中涵蓋包括公路的高速路段、高密度城區、頻繁起停的擁堵交通環境、帶有大量彎道的環境，以及 隧道等GNSS 信號接收受限或沒有信號的地方。

　　在駕駛過程中，我們收集了 GNSS 測量值和位置真值。在確定 GNSS 測量值時，我們使用的是內置 IMU 的 u-blox NEO-M8L 模塊。為確認地面位置真值，我們使用了一個高精度實時動態 (RTK) 接收機、GNSS 增強數據服務和一個高規格 IMU。

　　我們根據環境(高密度城區、隧道、開闊鄉村等)對路測數據進行分類，以便在仿真中應用適當的噪聲模型。

　　隨后根據選擇的密度和分布規則分配 RSU 位置，并增加 2 米的隨機高度變化，以避免純平面部署。我們使用不同數量的 RSU 進行了測試，以便了解需要多少個 RSU 才能達到必要的定位精度水平。

　　隨后設置額外的仿真變量，如測距時間戳的準確性。

　　完成所有這些工作后，我們通過仿真，生成了每個測距歷元的 RSU 與真實位置之間的原始數據。之后，我們逐個樣本添加噪聲，并將由此得到仿真結果與實測中記錄的 GNSS 測量值整合。

　　主要結論

　　通過仿真，我們得以生成性能統計數據，從而方便地將混用了 GNSS+V2X 和 GNSS+UWB 的解決方案與傳統 GNSS+IMU 解決方案(與當今主流車輛中所用的解決方案相似)進行對比。

　　圖 2 展示了三種解決方案的性能：

　　圖 2：三種導航方案的測試性能結果

　　總體來看，我們發現 GNSS+V2X (IEEE 802.11p) 系統的性能與使用標準定位的傳統 GNSS+IMU(DR) 解決方案相似。在接收不到 GNSS 信號或信號強度嚴重下降的情況下，IMU 也會失去其價值，因為 IMU 依靠持續不間斷的 GNSS 信號接收來保持校準。在這里，基于 V2X 的定位解決方案對于導航是有價值的。但為了達到自動駕駛所要求的精度和完整性水平，我們還需要開展進一步工作，包括研究 IMU 在高完整性、高精度定位中的作用。圖 2：三種導航方案的測試性能結果

　　GNSS+UWB 混合系統的性能要明顯高于其他方案，接近使用基于 RTK 的 GNSS 增強服務所能達到的水平。我們的測試系統使用 0.67 Hz 的定位更新率，精度可接近 10 厘米，但我們期望未來生產級系統能達到 V2X 中廣泛使用的、更常見的 10 Hz 定位更新率。

　　將 10 Hz 的 UWB 測距系統與使用校正數據的高精度 GNSS 系統結合使用，應可在大多數情況下達到 10 厘米級別的精度。事實已經證明，使用校正數據的 GNSS 能在開放區域和高速公路上實現這種精度水平。通過在城市環境中部署 RSU 網絡，UWB 即可在難以接收衛星信號的情況下作為高精度 GNSS方案的補充。

　　但 UWB 的范圍有限，再考慮到目前與戶外使用相關的監管限制，其目前實用性有限。有鑒于此，這項技術可能比較適合室內區域微導航，比如停車場導航。

　　其他經驗啟示

　　這項研究帶來了其他一些重要經驗啟示。首先，在混合方案中除 GNSS 之外，即使只部署兩個 RSU，也有明顯的優勢。

　　第二，為保證定位系統準確測定車輛所在高度，RSU 的高度變化必不可少，尤其是在使用 V2X 技術時。為了確保車輛在有多個不同高度層級的道路上(比如多層立交橋)安全行駛，這尤為重要。

　　第三，我們成功建立了一個混合濾波器，處理來自 V2X、UWB 和 GNSS 系統的信號，并且無縫處理僅有 GNSS 的區域(未部署 RSU)和僅有陸地測距的區域(如隧道)之間的過渡。

　　第四，盡管陸地測距在這一應用領域表現出了不錯的前景，但很難避開環境和多徑效應的影響。即使是 UWB，有時也會受到非視距信號傳播的影響。

　　最后，GNSS 與陸地測距之間的精確時間校準也是一個關鍵因素。我們最初預計校準到數毫秒便足以滿足需求，但在實際中，我們發現有必要達到 100 微秒以下。

　　后續舉措

　　這項研究展示了使用短程通信測距技術補充當今車輛部署的定位技術和服務的潛力。盡管如此，要通過這項技術真正推動未來自主車輛發展，還需要滿足更多前提條件，尤其是在監管方面。例如，需要為此應用獲得在戶外使用 UWB 的許可，并且需要廣泛部署具有 UWB 功能的 RSU。此外，在部署任何類型的 RSU 時，都需要考慮到 RSU 可能會用作定位錨點，而不僅僅是通信設備。還需要為 V2X 分配更多的無線頻譜和更寬的信道，并且需要將定位基元和信號納入 V2X 標準。

　　一個值得進一步探究的相關領域是使用 UWB 測距來保護交通弱勢群體 (VRU)，如行人和騎行者。現代智能手機和汽車均采用了 UWB 技術，因此我們有機會利用這種條件，讓自主車輛更好地了解其周邊的 VRU 位置。

　　如果您想進一步了解本研究、研究方法或結論，我們很樂意與您分享。請發電子郵件至 David.Bartlett@u-blox.com 聯系我們。

　　u-blox簡介

　　瑞士 u-blox 公司 (SIX:UBXN) 是為汽車、工業和消費市場提供定位和無線通信技術的領先供應商。其解決方案能準確進行人員、車輛和機器的定位，并通過蜂窩網絡和短程通信網絡實現無線通信。憑借廣泛及多樣化的芯片、模塊和日益擴大的產品支持數據服務生態系統，u-blox 公司在幫助其客戶針對物聯網快速而成本高效地開發創新解決方案方面具有得天獨厚的優勢。u-blox 公司總部設在瑞士塔爾維爾，目前在歐洲、亞洲和美國都設有辦事處。