高階自動(dòng)駕駛量產(chǎn)元年：淺談“高精度組合導(dǎo)航”市場趨勢

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)駕駛公司則開始自研GNSS和IMU算法。

作者 ｜ 林小夕

編輯 ｜ 肖瑩  

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)前景和市場趨勢。

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)高精度車輛探測識(shí)別、跟蹤、距離和速度估計(jì)、路面分割、車道線檢測。

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)刻在地面待測點(diǎn)上安置衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，可以測定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。

可由以上四個(gè)方程即可解算出待測點(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)勢在于全天候使用，觀測點(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。

優(yōu)勢：計(jì)算簡單，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：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)駕駛多場景落地，定位市場前景可期

自動(dòng)駕駛場景非常豐富，包括Robotaxi、Robobus、干線物流、港口、礦山、低速配送、清掃等場景。不同的場景對(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、清掃等場景簡單，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、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L2＋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。

目前來看，以蔚小理、哪吒為首的造車新勢力自動(dòng)駕駛布局較為迅速，而傳統(tǒng)主機(jī)廠如吉利、上汽、長安、長城、廣汽等也在跟進(jìn)。

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）市場的主流玩家包括導(dǎo)遠(yuǎn)、華測、移遠(yuǎn)、戴世、北斗星通、北云等，導(dǎo)遠(yuǎn)和華測拿到的量產(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，華測定點(diǎn)了比亞迪、長城、哪吒、路特斯、一汽紅旗、小米，北斗星通拿到長安的定點(diǎn)。

各家的核心能力均不相同，導(dǎo)遠(yuǎn)自研算法和IMU；華測算法自研，GNSS和IMU外購；北斗星通自研GNSS和算法，IMU外購；北云自研GNSS和算法，IMU外購。

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)航市場有三個(gè)發(fā)展趨勢：

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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＊感謝行業(yè)特約作者林小夕為《賽博汽車》供稿，讓我們共同推動(dòng)自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展！

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