車載導(dǎo)航簡史：從衛(wèi)星定位地圖到高精地圖

在前面《淺談高階智能駕駛－領(lǐng)航輔助的技術(shù)與發(fā)展》中，我們介紹了領(lǐng)航輔助的功能和發(fā)展前景，而大多數(shù)主機廠實現(xiàn)領(lǐng)航輔助，都需要基于高精度地圖。今天就簡單介紹一下，車載導(dǎo)航的簡史 － 從服務(wù)人的衛(wèi)星定位地圖到服務(wù)車的高精地圖。

試著去回答一下幾個問題：

車載導(dǎo)航經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展史？

地圖圖商們發(fā)生了哪些商戰(zhàn)往事？

高精地圖有哪些難點？

高精地圖市場未來走勢？

高精地圖是不是智能駕駛的必須？

1－車載導(dǎo)航經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展史？

從服務(wù)人到服務(wù)汽車

導(dǎo)航，想象一下我們身處一個完全陌生的地方，想要去另一個地方，我們主要需要解決三個問題：1． 我在哪兒（定位） 2． 我的目的地在哪兒 3． 我要怎么過去（路徑規(guī)劃）。

要解決“我在哪兒”的問題，也就是定位。定位分為相對定位和絕對定位。在GPS出現(xiàn)之前，我們的定位方式都是相對定位，比如說基于某座山，某條路，某條河，對比前人測繪出來的地圖，來判斷我們身處什么位置。我們?nèi)粘Ｉ钪?，如果不借助?dǎo)航軟件的話，人類的思維習(xí)慣就是通過視覺觀察周圍的環(huán)境，某棟樓，某個地標(biāo)，某個車道標(biāo)志等來判斷自己所處的位置。

相對定位的局限性在于，如果視覺場景中沒有相對標(biāo)志性的物體，人類就無法判斷自己在什么位置了。比如沙漠，草原，森林，或者未開發(fā)的建筑比較少的郊區(qū)，或者城市的高樓建筑群，此時人的視覺范圍內(nèi)都是千篇一律的場景，自然無法判斷自己的位置。而GPS的出現(xiàn)就解決了這個問題。

GPS 的全稱是導(dǎo)航星測時和測距全球定位系統(tǒng)，簡稱全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）。我們經(jīng)常在文章中看到的GNSS，是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）是衛(wèi)星導(dǎo)航的統(tǒng)稱，是除了GPS以外，還包含目前俄羅斯的GLONASS、中國的北斗，歐洲的伽利略這四大導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。這個原理解釋起來比較復(fù)雜（其實我也沒太看懂），我們可以簡單理解為，天上有至少24顆衛(wèi)星，保證我們在地球任意一個位置都能至少接收到4顆衛(wèi)星的信號，通過4顆衛(wèi)星相對地球的位置，定位出我們相對于地球的絕對位置，也就是我們初中地理學(xué)過的經(jīng)度和緯度。

有了GPS以后，我們就可以實現(xiàn)電子導(dǎo)航了。第一代電子導(dǎo)航大約出現(xiàn)在2000年左右，當(dāng)時的電子導(dǎo)航地圖還需要先將所在城市的地圖下載到本地。車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)置的GPS天線收到GPS的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合儲存在車載導(dǎo)航儀內(nèi)的電子地圖，通過GPS衛(wèi)星信號確定的位置坐標(biāo)與此相匹配，進(jìn)行確定汽車在電子地圖中的位置。

第一代車載電子導(dǎo)航有兩個主要問題：

·無法實時更新。這時候的導(dǎo)航地圖基本上都是以TF卡形式本地存儲的。所以每隔一段時間需要去4S店下載更新地圖，而且每次更新還需要收費。

·由于使用離線地圖，沒有實時道路交通數(shù)據(jù)，路線規(guī)劃時無法考慮實際道路的擁堵情況。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代電子導(dǎo)航，也就是我們目前日常使用的電子導(dǎo)航，基本解決了這兩個問題。首先是本地數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，引入了大數(shù)據(jù)和云計算，規(guī)劃路線時可以考慮實時交通，還能預(yù)估路上所需時間。同時更新地圖可以通過OTA進(jìn)行，2－3個月就可以更新一次，基本滿足日常需求。

GPS的出現(xiàn)，算是解決了絕對定位的問題。但是，GPS的精度通常只有10米級。要知道標(biāo)準(zhǔn)城市道路寬度為3．5m－3．75m，雙向4車道寬度也就是15米左右。這就意味著，僅僅依靠GPS定位，只能判斷車子在哪條路上，無法判斷車子在哪條車道上，車主駕駛時就會遇到變道不及時，走錯車道等情況。所以，我們需要尋求其他技術(shù)來實現(xiàn)更精確的定位。

RTK（ RealTime Kinematic），實時動態(tài)測量技術(shù)，是以載波相位觀測為根據(jù)的實時差分GPS（RTDGPS）技術(shù)，它是測量技術(shù)發(fā)展里程中的一個突破，它由基準(zhǔn)站接收機、數(shù)據(jù)鏈、?流動站接收機三部分組成。?在基準(zhǔn)站上安置1臺接收機為參考站，?對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)和測站信息，通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給流動站，流動站GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實時解算出流動站的三維坐標(biāo)及其精度（即基準(zhǔn)站和流動站坐標(biāo)差△X、△Y、△H，加上基準(zhǔn)坐標(biāo)得到的每個點的WGS－84坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)得出流動站每個點的平面坐標(biāo)X、Y和海拔高H）。（以上來自百度百科）

是不是覺得每個字都看得懂，但連成句子以后完全看不懂？沒關(guān)系，我也看不懂。我在網(wǎng)上找了一張圖?？梢院唵卫斫鉃椋涸黾恿艘恍┕潭ǖ幕荆@些基站相當(dāng)于一個絕對定位的參考系?；靖浇囊苿游矬w可以從基站收到信號，結(jié)合自身收到的GPS信號，從而矯正自身衛(wèi)星定位結(jié)果，實現(xiàn)亞米級定位。RTK的供應(yīng)商國內(nèi)第一的就是千尋位置，全國建立超過2600個地基增強站，這個可以在很多位置可以覆蓋高精度定位。對了，千尋也是阿里巴巴投資的，持股占比41．9％。

定位問題解決了，但是我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C導(dǎo)航的時候也會發(fā)現(xiàn)，在很多地方，比如天橋，隧道，高樓，手機APP會提示GPS信號弱。這時候，就需要IMU慣性導(dǎo)航定位來輔助了。

IMU（Inertial Measurement Unit），即慣性測量單元，用于測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度。利用慣性元件（加速度計）來測量運載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運算得到速度和位置，從而達(dá)到對運載體導(dǎo)航定位的目的。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運載體內(nèi)，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。（百度百科）

簡單理解：想象你走進(jìn)了一個漆黑的隧道里，假設(shè)你估計自己每秒中跨出去一步，一步距離為0．5米，你心中默念10秒，那么你可以估算自己此時的位置距離隧道口為5米。這樣，雖然你看不見周圍物體，但依然可以知道自己大致位置。當(dāng)然，由于步長的誤差和讀秒的誤差，走得越遠(yuǎn)，跟實際位置的誤差就越大。

上面的場景是一個一維空間的運動，把這個場景替換為三維的，通過IMU得到的線速度和角速度，我們就可以知道自己在三維空間中的相對位置。這就是慣性導(dǎo)航的原理。

慣性導(dǎo)航可以實現(xiàn)對GPS的補償，在一些GPS信號比較弱，或者GPS更新頻率較低的場景下，可以實現(xiàn)一段時間內(nèi)的自主導(dǎo)航。當(dāng)然，這個時間不能太長，否則就不精確了。

而隨著自動駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，高精度地圖（High definition）需求也應(yīng)運而生。傳統(tǒng)地圖是服務(wù)于人，主要起到輔助駕駛員判斷大致位置的作用，車輛的控制還是由駕駛員來操作，因此其精度一般只需要做到10米級。而自動駕駛汽車需要精確知道車輛在路上的位置，這個位置需要精確到在哪個車道，跟路邊隔離帶，馬路牙子距離多少，這就要求地圖的精度越高越好，甚至需要做到厘米級。高精度地圖含有大量道路矢量元素信息（車道線位置、類型、寬度等）以及車道周邊的固定對象信息（交通信號燈、交通標(biāo)志、障礙物、路邊地標(biāo)等），形成對路網(wǎng)精確的三維表征（厘米級精度），比如路面的幾何結(jié)構(gòu)、道路標(biāo)示線的位置、周邊道路環(huán)境的點云模型等。高精度地圖在L3級別以上的輔助／自動駕駛承擔(dān)著重要任務(wù)：

·定位，將車載GPS、IMU、LiDAR或攝像頭等的數(shù)據(jù)和高精度地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而確定車輛的位置；

·了解路況，導(dǎo)航系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位地形、物體和道路輪廓，從而引導(dǎo)車輛行駛；尤其在傳感器受環(huán)境影響失靈的情況下（大霧、冰雹、大雨），高精度地圖仍可全天候工作，可以提供自動駕駛所需信息；

·看的更遠(yuǎn)，幫助自動駕駛車輛對超出視野范圍的路況進(jìn)行處理。另外，高精度地圖比起傳統(tǒng)地圖，新鮮度要求極高。根據(jù)博世提出來的定義，無人駕駛時代所需要的局部動態(tài)地圖數(shù)據(jù)依據(jù)更新頻率可以劃分為四類：永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1個月）、半永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為1小時）、半動態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為1分鐘）、動態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為1秒）。

說了這么多，可以簡單理解為：傳統(tǒng)地圖服務(wù)的是人，人可以根據(jù)對突發(fā)事件和信息進(jìn)行加工處理。而高精度地圖服務(wù)的是機器，計算機做出正確決策需要基于實時的準(zhǔn)確的信息的輸入，因此要求地圖的高精度，和高頻率更新。

2－地圖圖商們發(fā)生了哪些商戰(zhàn)往事？

BAT崛起

車載導(dǎo)航從進(jìn)入汽車圈開始，圖商們的廝殺也就開始了。

2000年，豐田曾向外透露，一套豐田汽車電子導(dǎo)航系統(tǒng)，在日本的售價折合人民幣1萬多元。而中國的汽車市場從2000年開始進(jìn)入一個高速增長期，從2001年的年產(chǎn)200多萬輛增長到了2009年的千萬輛級別，年均增長速度達(dá)21．6％。到2010年底，我國汽車產(chǎn)量和銷量更是雙雙突破了1800萬輛。這使得電子地圖成為一座金礦。在那個智能手機還未出現(xiàn)的年代，圖商靠著汽車生意活得非常滋潤。2013年，在導(dǎo)航前裝市場，四維圖新連續(xù)七年分走超60％的市場份額，而凱立德則在后裝市場拿到了超過70％的份額。

電子地圖這座金礦很快吸引了互聯(lián)網(wǎng)巨頭。2013年阿里收購了高德。百度地圖直接倒貼錢給手機廠商讓他們預(yù)裝百度地圖，逼得高德地圖也不得不給手機廠商補貼。

2013年8月，百度突然宣布，原本收費30元的百度導(dǎo)航APP永久免費，且對已經(jīng)付費用戶全額退款。約4小時后，高德地圖也宣布導(dǎo)航免費。免費策略直接導(dǎo)致高德2013年全年虧損1．55億元。

互聯(lián)網(wǎng)巨頭對戰(zhàn)，旁人遭殃。曾經(jīng)的導(dǎo)航巨頭凱立德堅持收費模式，一直到2016年才依依不舍的給用戶免費使用，但市場份額已經(jīng)丟光。2017年凱立德連續(xù)三年虧損，虧損額度高達(dá)1．85億元，于2018年從新三板退市。另一個導(dǎo)航一哥四維圖新，從曾經(jīng)的前裝市場70％份額，2018年下跌到38％（數(shù)據(jù)來源：新浪財經(jīng)）。

在移動互聯(lián)時代，導(dǎo)航地圖市場基本被BAT三家壟斷。

但自動駕駛的興起，使得地圖格局有了進(jìn)一步變化的可能。