5G+北斗天作之合助力智能驾驶
01 智能驾驶背景分析
1.1 智能驾驶对高精度定位的需求
汽车的电动化、智能化、网联化、共享化正在加速下一代汽车产业变革的到来,智能网联汽车已成为全球汽车产业发展的重要战略方向。当前,国内外大部分主机厂都在积极进行L3级自动驾驶车型的量产准备,均将2022年前后作为L3级自动驾驶汽车量产的时间节点,今年部分主机厂已宣称推出了具有L3级自动驾驶功能的智能网联汽车。
图1自动驾驶
从自动驾驶分级可以看出,L3级自动驾驶是自动驾驶技术的分水岭,L3级之前的自动驾驶系统仍然为辅助功能,对高精度定位非硬性需求;从L3级开始标志着进入自动驾驶阶段,车辆的部分控制权甚至全部控制权会被交给系统,自动驾驶车辆对定位的精度要求必须达到亚米级甚至厘米级,因此,L3级及以上自动驾驶车辆离不开安全、稳定、可靠的高精度位置信息。但是,对于L3级及以上等级自动驾驶车辆,从环境感知、决策执行到网联通信等诸多环节,均存在不同技术方案和路线,不确定性和投入风险较大。
1.2 高精度定位对于智能驾驶的必要性
在全工况下提供准确安全可靠的高精度定位信息,是智能网联汽车安全行驶的重要前提。精准的车辆定位信息能够帮助车辆更好的使用高精度地图,并为决策规划、运动控制模块提供有效的参数信息。高精度定位模块是智能网联汽车的核心模块,也是车辆自主导航、自动驾驶的重要支撑。
车辆自主导航方面,目前最常见的单频卫星定位系统的定位精度一般在5-10米,对一些重要的应用场景造成较大的困扰。比如车辆无法区分行驶在主路上还是辅路上,车辆处于高架上还是高架下的道路等,车辆缺高精度的定位信息,将对车辆的安全行驶造成较大的安全隐患。
对于自动驾驶车辆,尤其是L3及以上级别的自动驾驶车辆,对高精度定位的需求是刚性的,不可或缺的是对车辆定位的需求主要体现在三个方面:精度、可靠性和实时性。定位精度要求达到厘米级,并且,在复杂场景下,如高架桥、隧道等具有较高的定位可靠性。对定位的实时性也具有较高的要求,定位的实时性不好,会降低定位的精度。例如,一辆时速72公里的汽车,每一毫秒行驶的距离是2厘米,如果它的延迟能达到10毫秒,仅仅是延迟带来的定位误差就会达到0.2米。
02 5G+北斗高精度定位天作之合
北斗系统是国家着眼安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的时空基础设施,2020年,北斗系统实现全球组网,为全球用户提供定位导航等服务,全球定位精度可达到五至十米,授时精度可达到十到二十纳秒。各相关行业单位均在大力推广北斗系统的应用。
5G作为新一代信息通信技术演进升级的重要方向,是实现万物互联和网络智能的关键基础设施、经济社会化转型的重要驱动力量。相对于4G,5G将以一种全新的网络架构,提供峰值10Gbps以上的带宽、毫米级时延和超高密度连接,实现网络性能新的提升,开启万物互联新时代。
车载终端要实现精准位置感知,高精度定位不可或缺。目前,就室外来说,在卫星信号接收不到或卫星信号不稳定的高架桥下、隧道、林荫遮挡和城市峡谷等各类复杂场景,容易导致不精确,通过构建“5G+北斗”高精度定位网络,能够提供厘米级定位服务,丰富5G生态应用,以此打造全场景高精度的位置感知,从而实现在这些场景下的稳定可靠精准定位,未来北斗高精度将进一步赋能智慧城市、智慧交通和互联网的发展。
图2 5G+北斗应用于智能驾驶
5G与北斗的融合可以实现天地一体、通导一体,促进万物互联与精准协同,将成为新基建迈向数字化、智能化,实现升级改造不可或缺的重要支撑,是自动驾驶对于亚米级甚至厘米级的定位精度需求的重要保障。
03 5G+北斗高精度定位的实现方案
为实现北斗快速、高精度定位,当前主要采用网络辅助信息+差分BDS等技术手段,通过移动通信运营基站提供的网络辅助定位信息,可以实现北斗快速定位。差分BDS系统由参考站、数据中心、数据链和用户设备等部分组成。参考站、数据中心和用户设备之间的连接都依靠数据链,差分BDS系统的连续性、可靠性也取决于数据链是否畅通、可靠、有效和安全,是否具有高速率、大容量、低误码率的数据传输能力。因此,数据链在差分BDS系统中起着关键性的作用。
差分BDS系统数据链通信流程可概况为,参考站首先将原始观测数据实时传输至数据中心,然后数据中心实时处理各参考站数据。用户将自身的NMEA-0183数据通过无线网络技术发送至数据中心,数据中心根据用户请求生成用户的差分改正信息,并根据无线网络通信技术将差分改正信息发送至用户设备。其数据链通信流程如下图示:
图3 差分BDS系统数据链数据流程
3.1常用的北斗高精度定位技术
载波相位差分技术RTK
载波相位动态实时接收机RTK:Real - Time Kinematic,其原理是:基准站和移动站的接收机不断的同的卫星进行监测,并且移动站在接收观测到可视卫星信号的同时,基准站通过数据链将载波相位测量值实时发送给移动站接收机,移动站接收机将自身的载波相位测量值与所接收的载波相位测量值实时进行数据处理,解算出自身的空间坐标,完成高精度定位,载波相位差分的定位精度可达到厘米级。其工作原理如下:
图4 DGNSS/RTK接收机工作原理框图
精密单点定位技术PPP
精密单点定位(PPP)技术由美国喷气动力实验室(JPL)Zumberge于1997 年提出,在技术的提出与实现为基于实时PPP的商业全球星站差分增强技术发展提供了基础。PPP技术集成了GNSS标准单点定位和相对定位的技术优点,已发展成为一种新的GNSS高精度定位方法。
图5 PPP技术原理示意图
PPP技术仅使用单个接收机即可提供高精度定位,PPP解决方案依赖于从连续运行参考站网络生成的GNSS卫星时钟和轨道校正,通过卫星或互联网将其发送给用户,无需地面基站即可获得分米级或厘米级的实时定位。PPP技术的主要局限性在于它较难解决载波相位整周模糊度,而是使用对它们的估计值,这导致需要较长的初始化时间来解决任何局部误差,如大气条件、多径和星座几何形状等,初始化时间一般在5-30分钟。
辅助北斗快速定位技术A-BDS
A-BDS即辅助北斗定位技术,它可以提高北斗卫星定位系统的性能。通过移动通信运营基站A-BDS可以快速地定位。在卫星定位信号传播条件较差的环境中,例如一座城市,卫星定位信号可能会被许多不规则的建筑物、墙壁或树木消弱。在这样的条件下,A-BDS系统可通过运营商基站信息来进行快速定位。A-BDS的基本思想是通过在卫星信号接收效果较好的位置上设置若干参考卫星定位接收机,利用A-BDS服务器通过与终端的交互获得终端的粗略位置,然后通过移动网络将该终端需要的星历和时钟等辅助数据发送给终端,由终端进行BDS定位测量。A-BDS技术具有定位时间短、耗电量低、灵敏度高等显著优势。
图6 A-BDS系统工作原理示意图
北斗地基增强系统
北斗地基增强旨在建立以北斗为主、兼容其他卫星导航系统的高精度卫星导航服务体系。利用北斗/GNSS高精度接收机,通过地面基准站网,利用卫星、移动通信、数字广播等播发手段,在服务区内提高1-2米、分米级和厘米级实时高精度导航定位服务。
北斗星基增强系统
北斗星基增强系统是北斗卫星导航的重要组成部分,通过地球静止轨道卫星搭载卫星导航增强信号转发器,可向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多组修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。
星基增强系统和地基增强系统相结合,可形成更高效的卫星导航高精度定位服务网络,构建了国土测绘、海洋勘测、精准农业、灾害监测、无人机和无人驾驶等专业应用及汽车导航等大众化应用的高精度位置服务基础环境。
3.2 北斗高精度定位技术演进路线
卫星高精度定位技术演进路线如下:
图7 卫星高精度定位技术演进路线
综上,卫星导航定位技术经历了三代发展,目前逐步进入第四代:第一代以标准伪距单点定位(SPP)、伪距差分定位(RTD)为代表,图1.2-2卫星高精度定位技术演进单点定位精度一般为1-10米。第二代以单站RTK 技术、精密单点定位技术为代表,精度可实现亚米到厘米级定位。第三代以网络RTK技术、精密单点定位技术为代表,可提供局部范围、广域范围分米到厘米级精密定位。第四代为广域区域统一的精密定位技术,即PPP-RTK,可实现广域范围、无源、实时高精度定位。
3.3 5G融合北斗高精度定位
在上述介绍的所有的北斗高精度定位方案中,不管是北斗地基增强、星基增强还是各种新型的差分实现方案中,都需要将差分改正信息通过移动通信网络传递给用户,而传递方式则是5G的最佳实现方法。5G基站将为北斗高精度定位的实现注入新的发展功能。5G具有高速率、低延时、超高密度连接等特性。融合北斗卫星导航技术与5G通信带内定位技术,可弥补北斗室内及遮挡条件下定位性能的不足,同时,也为北斗差分定位方式中差分改正信息的传输提供了可靠的保障。
04 R&S黄金组合方案助力
5G+北斗高精度定位测试
随着智能驾驶时代的到来,传统的导航方式已经无法满足精度需求,越来越多的导航接收机都通过各种方式提高精度指标。常见的差分实现方案,不管是RTK还是PPP亦或地基增强和星基增强方案,5G都在其实现方式上扮演了差分改正信息的通信传递功能。
罗德与施瓦茨公司的黄金组合方案:SMBV100B+CMW500/CMX500,能很好地满足上述方案。
图8 5G+北斗天作之合的高精度定位黄金组合测试方案框图
> SMBV100B:高精度卫星导航模拟器,可单台仪表实现多模多频卫星导航系统测试;
> CMW500/CMX500:实现卫星导航高精度定位中差分改正信息的模拟,为解决方案提供可靠保障。
> 应用范围:包括了GNSS模块、TCU组件、整车,可提供传导和OTA不同的测试方法,也可为车联网V2X、紧急呼救eCall等提供测试解决方案。
05 小结
本文主要介绍智能驾驶时代对于高精度定位的必要性及单纯导航模式下的局限性而5G具有高速率、低延时、超高密度连接等特性,融合5G+北斗的天作之合方案,为L3级及以上智能驾驶的实现提供了可靠的性能保障。同时,介绍了当前北斗在实现高精度定位方式上的各种常见方案,包括:RTK、PPP、北斗地基/星基增强等。
罗德与施瓦茨公司的黄金组合仪表SMBV100B+CMW500/CMX500的测试方案,能够很好应对北斗在高精度测试解决方案上的难题。
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