智能网联汽车概论 课件 单元4 导航系统与高精度地图

导航系统与高精度地图智能网联汽车概论1.了解并掌握全球定位导航系统的基本原理，探讨全球定位导航系统在自动驾驶汽车上的运用。2.了解并掌握高精度地图的基本原理，采集方式及其应用。3.通过我国北斗卫星导航定位系统的学习，分析定位系统与国家安全的关系，培养学生形成“科学没有国界，但科学家有国界”的意识，激发学生的为祖国的发展而奋斗的爱国情怀。学习目标学习内容导航定位系统高精度地图0102全球定位系统差分全球定位系统北斗导航定位系统惯性导航定位系统车载导航定位系统蜂窝无线定位技术高精度地图的定义高精度地图的数据采集与生成高精度地图的应用导航系统

导航定位系统智能网联汽车需要通过定位技术准确感知自身在全局环境中的相对位置以及所要行驶的速度、方向、路径等信息。定位技术主要有卫星定位、车载导航定位、蜂窝无线定位等。其中以卫星为基础的卫星导航定位系统，由于有天体导航覆盖全球的优点，所以从出现至今一直得到人们的重视。美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯（GALILEOGPS)、欧洲空间局的（GLONASS）、我国的北斗卫星导航系统（BDS）。各国的导航系统：种类：作用：（一）全球定位系统GPSGPS是由导航卫星、地面监控设备和GPS用户组成的导航卫星是由分布在6个地球椭圆轨道平面上的21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，相邻轨道之间的卫星彼此呈30°，每个轨道面上都有4颗卫星，在距离地球17700km的髙空上进行监测组成：GPS原理：GPS定位原理是根据三角测量定位来实现的，并且同时利用相关技术获取观测值。在相关接收中，卫星钟用来控制卫星发射的伪随机信号，本地时钟用来控制用户接收机的伪随机信号，两者之间有比较大的时差。果已知某点和三个点的距离，就可以确定这个点。(实际上是两个点，和三个点形成的面对称分布)这三个点假设是卫星，卫星不断的通过电磁广播发射自己的坐标和卫星当前时间，你的手机是接收机，能接受到这个信号，并且能解码广播信息计算出时间差，也就是能得到你和卫星的距离。假设卫星的坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),电磁信号的速度为c,手机的坐标为(x,y,z),时间差分别为（Δt1,Δt2,Δt3)其中x,y,z未知，其余参数已知，有如下方程组：三个方程，三个未知数，就可以解出x,y,z。GPS

实际上卫星的时间很精确，因为自带原子钟，还有一套矫正算法，你的手机是一个简单的晶体振荡器，很不精确，因为c很大，误差就比较大，假设你的手机的时间是未知的t，就是加了一个未知数，必须要增加一个方程才行。四个未知数，四个方程，就可以解出x,y,z,t。所以需要四个卫星假设卫星的坐标分别为（x1,y1,z1）,（x2,y2,z2）,（x3,y3,z3）,（x4,y4,z4）,电磁信号的速度为c,手机的坐标为(x,y,z)，四个卫星的时间分别为t1,t2,t3,t4，手机的时间为t,x,y,z,t未知，其余参数已知,有如下方程组：解出方程得到xyz即为位置信息。GPS的特点①能够全球全天候定位②覆盖范围广，能够覆盖全球98%的范围

③定位精度高

④观测时间短

⑤可提供全球统一的三维地心坐标，可同时精确测定测站平面位置和大地高程。⑥测站之间无需通视，只要求测站上空开阔（二）差分全球定位系统为了提高GPS定位精度，可以采用差分全球定位系统进行车辆的定位。差分全球导航定位系统在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。DGPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成差分全球定位系统根据DGPS基准站发送的信息方式可将DGPS定位分为三类，即位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，都是由基准站发送改正数，由移动站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。原理：（1）位置差分：位置差分要求基准站和移动站观测同一组卫星。适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。（2）伪距差分;与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。（3）相位差分：相位差分技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。（三）北斗导航定位系统北斗卫星导航定位系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航定位系统。北斗卫星导航定位系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。组成：北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星地面段包括主控站、注人站和监测站等若干个地面站用户段由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。北斗卫星导航定位系统的功能(1)短报文通信北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送4060个汉字的短报文信息。(2)精密授时北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20100ns时间同步精度。(3)定位精度水平精度100m(la),设立标校站之后为20m(类似差分状态h工作频率为2491.75MHz)。(4)最大用户数每小时540000户。北斗卫星导航定位系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。（四）惯性导航定位系统惯性导航系统是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其主要由惯性测量单元、信号预处理和机械力学编排3个模块组成。信号预处理部分对惯性测量单元输出信号进行信号调理、误差补偿并检査输出量范围等，以确保惯性测量单元正常工作惯性导航定位系统一个惯性测量单元包括3个相互正交的单轴加速度计（Accelerometer)和3个相互正交的单轴陀螺仪惯性导航定位系统平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度计等惯性测量单元通过支架平台与载体固连的惯性导航系统。惯性导航系统利用载体先前的位置、惯性测量单元测量的加速度和角速度来确定其当前位置。其中，速度v和偏移量5都可以通过对加速度a的积分得到。如下式所示，加速度a经过积分得到速度v经过二重积分得到偏移量s。相反，速度和加速度也可过通过对位移的微分而估算得到。惯性导航定位系统惯性导航定位基于一个简单的原理，那就是位置的差异可以由一个加速度的双重积分得到，可以被描述为在一个稳定坐标系下并且被明确定义的与时间相关的函数，可表述为：式中,s为初始位置，a,是在规定的坐标系中的惯性测量单元测量得到的沿运动方向的加速度。原理：（五）车载导航定位系统车载导航定位系统通常包括定位模块、数字地图和无线通信模块等。

车辆航位推算（DeadReckoning,DR)：利用载体上某一时刻的位置。根据航向和速度信息，推算得到当前时刻的位置。即根据实测的汽车行驶距离和航向计算其位置和行驶轨迹。GPS/DR组合导航定位系统由GPS以及电子罗盘、里程计和导航计算机等组成。GPS/DR组合导航定位系统是一种相对低成本的导航系统，在这个系统上进行GPS/DR数据融合，可以实现较高精度的导航定位。无线通信模块是车辆定位和导航中的关键器件。除了提供个人呼叫以外，还提供一种语音数据转换信道，以便驾驶员获得一些信息，诸如实时交通信息、天气和旅行信息等。

常用的定位技术有航位推算（DR)和GPS车载导航定位系统DR的主要原理是利用DR传感器测量位移矢量，从而推算车辆的位置。航位推算原理图如图4-7所示。其中，（xi，yi）（i=1,2…）是车辆在ti时刻的初始位置。

航向角θi和行驶距离si分别是车辆从ti，ti+1时刻的绝对航向和位移矢量长度。式中，xk，yk（k=1,2，…）是车辆在“tk”时刻的位置。车辆航位推算（DeadReckoning,DR)：

蜂窝定位是一种无线电定位，使用无线电波进行传播。现有无线定位系统基本都是采用相同或相似的定位方法和技术，绝大多数都是通过计算目标移动台的位置来定位，计算位置时需要用到的定位参数是通过测量传播于多个基站和移动台之间的定位信号获得。常用的无线定位方法主要有AOA定位、TOA定位、TDOA定位等。

（六）蜂窝无线定位技术蜂窝无线定位技术AOA定位方法也称方位测量定位方法，是由两个或多个基站接收到移动台的角度信息，然后利用其计算移动台的位置，假设有两个基站BS1和BS2,a1和a2分别是移动台MS到两个基站BSt和BS2的达到角度，则求解上式，可估算出移动台位置（x,y)。（1）TOA定位TOA是基于时间的定位方法，称为圆周定位。它是通过测量两点间电波传播时间来计算移动台的位置。原理：如果能够获取三个以上基站到移动台的传播时间，那么移动台在以（xi,yi）为圆心，以cti为半径的圆上，就能得出移动台的位置TOA定位BS1、BS2、BS3是三个基站，表示基站i与移动台MS之间的直线距离。则移动台应该位于半径为位置的坐标为Ri、圆心在基站i所在位置的圆周上。记移动台的位置坐标为（Xi，yi)，则两者之间满足如下关系。在实际无线电定位中，已知电磁波在空中的传播速度c，如果能够测得电磁波从移动台到达基站i的时间TOA为ti，则可以求出基站与目标移动台的距离Ri=cti,取i=l，2,3,构成三个方程组，可以求得移动台位置坐标（x0，y0)。原理：（2）TDOA定位TDOA定位也称双曲线定位，

它是利用移动台到达不同基站的时间不同，获取到达各个基站的时间差.建立方程组，求解移动台位置，这种定位要求各个基站时间必须同步。移动台位于以两个基站为交点的双曲线上，通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线交点即可得到移动台的二维坐标位置。（3）混合定位混合定位技术就是把各种不同的测量信息和特征值进行融合对移动台进行定位的技术。常见的混合定位技术有TDOA/AOA、TDOA/TOA、TOA/AOA、TDOA/场强定位等。场强定位的基本原理与到达时间定位原理相似，移动台利用接收到的场强值大小来求解移动台的位置。场强定位容易受到外界周围环境的影响，定位精度不高。

高精度地图（一）高精度地图的定义在汽车应用领域中，数字地图用于导航、支持并运用地图功能的先进驾驶辅助系统（ADAS),以及自动或自主驾驶（AD)。道路几何特征对于几乎所有的数字地图的应用都适用。虽然大多数汽车厂商与其供应商使用专有数据模型，但大多数都受地理数据文件（GDF)规范的影响。GDF及类似地图数据模型使用以下三种实体。要素（或物体）：点、线、面（简单要素）或点线面的不同组合（复杂要素）。要素之间的关系：如子级、父级。属性：即要素或关系的属性。高精度地图通俗来讲就是精度更高、数据维度更多的电子地图。精度更高体现在精确到厘米级别，数据维度更多体现在其包括了除道路信息之外的与交通相关的周围静态信息。高精度地图的定义同一个真实世界中的物体可能会根据不同的数组模型而有不同的表现方式。GDF数据模型和格式主要为交换格式，描述地图提供商传送数字地图的形式。2009年，部分大型汽车制造商及其一级供应商建立了导航数据标准（NDS)e.V.(e.V.是德语，即注册协会），设计并落实了通用导航地图数据模型与格式。高精度地图不同之处：

1）精度：一般电子地图精度在米级别，商用GPS精度为5米。高精度地图的精度在厘米级别。2）数据维度：传统电子地图数据只记录道路级别的数据：道路形状、坡度、曲率、铺设、方向等。高精度地图（精确度厘米级别）：不仅增加了车道属性相关（车道线类型、车道宽度等）数据，更有诸如高架物体、防护栏、树、道路边缘类型、路边地标等大量目标数据。高精度地图能够明确区分车道线类型、路边地标等细节。3）作用和功能：传统地图起的是辅助驾驶的导航功能，本质上与传统经验化的纸质地图是类似的。而高精度地图通过“高精度高动态多维度”数据，起的是为自动驾驶提供自变量和目标函数的功能。

4）使用对象：普通的导航电子地图是面向驾驶员，供驾驶员使用的地图数据，而高精度地图是面向机器的供自动驾驶汽车使用的地图数据。5）数据的实时性：高精度地图对数据的实时性要求更高。

未来的高精度地图将具备三大功能。1）地图匹配。地图匹配高精度地图在地图匹配上更多的依靠其先验信息。2）辅助环境感知将车辆位置周边的道路、交通、基础设施等对象及对象之间的关系提取出来3）路径规划高精度地图的规划能力下沉到了道路和车道级别。（二）高精度地图的数据采集与生成在高精地图时代，为了提升存储效率和机器的可读性，地图在存储时被分为了矢量和对象层。数据采集：1）实地采集。2）处理：包括人工处理、深度学习的感知算法（图像识别）等。3）后续更新：主要针对道路的修改和突发路况。原理：高精地图采集所需要的设备包括以下几种：LiDAR（激光雷达）。Camera（摄像头）。IMU（惯性测量单元，陀螺仪）。GPS（全球定位系统）。轮测距器。高精度地图采集车。ADAS地图采集车。HAD高精度地图采集车。高精度地图采集过程包括：采集：高精度地图采集员驾驶采集车以60-80km/H的速度行驶，每天至少采集150公里的高精度地图数据。自动融合、识别：这一环节是把不同传感器采集的数据进行融合，即把GPS、点云、图像等数据叠加在一起，进行道路标线、路沿、路牌、交通标志等道路元素的识别。人工验证、发布：这一环节由人工完成。自动化处理的数据还不能达到百分百的准确，需要人工在进行最后一步的确认和完善。

传统地图数据生成与输出链1）传统地图数据生成与输出链由以下部分组成处理收集的原始数据，建立适当的语义与地图特征之间的关系。2)交换格式的数据通常由导航系统供应商编译成更有效的物