導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度地圖智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論1.了解并掌握全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，探討全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)在自動(dòng)駕駛汽車上的運(yùn)用。2.了解并掌握高精度地圖的基本原理，采集方式及其應(yīng)用。3.通過我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，分析定位系統(tǒng)與國家安全的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生形成“科學(xué)沒有國界，但科學(xué)家有國界”的意識，激發(fā)學(xué)生的為祖國的發(fā)展而奮斗的愛國情懷。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)內(nèi)容導(dǎo)航定位系統(tǒng)高精度地圖0102全球定位系統(tǒng)差分全球定位系統(tǒng)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)蜂窩無線定位技術(shù)高精度地圖的定義高精度地圖的數(shù)據(jù)采集與生成高精度地圖的應(yīng)用導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航定位系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要通過定位技術(shù)準(zhǔn)確感知自身在全局環(huán)境中的相對位置以及所要行駛的速度、方向、路徑等信息。定位技術(shù)主要有衛(wèi)星定位、車載導(dǎo)航定位、蜂窩無線定位等。其中以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由于有天體導(dǎo)航覆蓋全球的優(yōu)點(diǎn)，所以從出現(xiàn)至今一直得到人們的重視。美國的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯（GALILEOGPS)、歐洲空間局的（GLONASS）、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。各國的導(dǎo)航系統(tǒng)：種類：作用：（一）全球定位系統(tǒng)GPSGPS是由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控設(shè)備和GPS用戶組成的導(dǎo)航衛(wèi)星是由分布在6個(gè)地球橢圓軌道平面上的21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，相鄰軌道之間的衛(wèi)星彼此呈30°，每個(gè)軌道面上都有4顆衛(wèi)星，在距離地球17700km的髙空上進(jìn)行監(jiān)測組成：GPS原理：GPS定位原理是根據(jù)三角測量定位來實(shí)現(xiàn)的，并且同時(shí)利用相關(guān)技術(shù)獲取觀測值。在相關(guān)接收中，衛(wèi)星鐘用來控制衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機(jī)信號，本地時(shí)鐘用來控制用戶接收機(jī)的偽隨機(jī)信號，兩者之間有比較大的時(shí)差。果已知某點(diǎn)和三個(gè)點(diǎn)的距離，就可以確定這個(gè)點(diǎn)。(實(shí)際上是兩個(gè)點(diǎn)，和三個(gè)點(diǎn)形成的面對稱分布)這三個(gè)點(diǎn)假設(shè)是衛(wèi)星，衛(wèi)星不斷的通過電磁廣播發(fā)射自己的坐標(biāo)和衛(wèi)星當(dāng)前時(shí)間，你的手機(jī)是接收機(jī)，能接受到這個(gè)信號，并且能解碼廣播信息計(jì)算出時(shí)間差，也就是能得到你和衛(wèi)星的距離。假設(shè)衛(wèi)星的坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),電磁信號的速度為c,手機(jī)的坐標(biāo)為(x,y,z),時(shí)間差分別為（Δt1,Δt2,Δt3)其中x,y,z未知，其余參數(shù)已知，有如下方程組：三個(gè)方程，三個(gè)未知數(shù)，就可以解出x,y,z。GPS

實(shí)際上衛(wèi)星的時(shí)間很精確，因?yàn)樽詭г隅姡€有一套矯正算法，你的手機(jī)是一個(gè)簡單的晶體振蕩器，很不精確，因?yàn)閏很大，誤差就比較大，假設(shè)你的手機(jī)的時(shí)間是未知的t，就是加了一個(gè)未知數(shù)，必須要增加一個(gè)方程才行。四個(gè)未知數(shù)，四個(gè)方程，就可以解出x,y,z,t。所以需要四個(gè)衛(wèi)星假設(shè)衛(wèi)星的坐標(biāo)分別為（x1,y1,z1）,（x2,y2,z2）,（x3,y3,z3）,（x4,y4,z4）,電磁信號的速度為c,手機(jī)的坐標(biāo)為(x,y,z)，四個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間分別為t1,t2,t3,t4，手機(jī)的時(shí)間為t,x,y,z,t未知，其余參數(shù)已知,有如下方程組：解出方程得到xyz即為位置信息。GPS的特點(diǎn)①能夠全球全天候定位②覆蓋范圍廣，能夠覆蓋全球98%的范圍

③定位精度高

④觀測時(shí)間短

⑤可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)，可同時(shí)精確測定測站平面位置和大地高程。⑥測站之間無需通視，只要求測站上空開闊（二）差分全球定位系統(tǒng)為了提高GPS定位精度，可以采用差分全球定位系統(tǒng)進(jìn)行車輛的定位。差分全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。DGPS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和移動(dòng)站組成差分全球定位系統(tǒng)根據(jù)DGPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將DGPS定位分為三類，即位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由移動(dòng)站接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。原理：（1）位置差分：位置差分要求基準(zhǔn)站和移動(dòng)站觀測同一組衛(wèi)星。適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。（2）偽距差分;與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對精度有決定性影響。（3）相位差分：相位差分技術(shù)是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站的載波相位基礎(chǔ)上的，它能實(shí)時(shí)提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級的高精度。（三）北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，其建設(shè)與發(fā)展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進(jìn)性這4項(xiàng)原則。組成：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星地面段包括主控站、注人站和監(jiān)測站等若干個(gè)地面站用戶段由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的功能(1)短報(bào)文通信北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能，用戶可以一次傳送4060個(gè)漢字的短報(bào)文信息。(2)精密授時(shí)北斗系統(tǒng)具有精密授時(shí)功能，可向用戶提供20100ns時(shí)間同步精度。(3)定位精度水平精度100m(la),設(shè)立標(biāo)校站之后為20m(類似差分狀態(tài)h工作頻率為2491.75MHz)。(4)最大用戶數(shù)每小時(shí)540000戶。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力。（四）慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。其主要由慣性測量單元、信號預(yù)處理和機(jī)械力學(xué)編排3個(gè)模塊組成。信號預(yù)處理部分對慣性測量單元輸出信號進(jìn)行信號調(diào)理、誤差補(bǔ)償并檢査輸出量范圍等，以確保慣性測量單元正常工作慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)一個(gè)慣性測量單元包括3個(gè)相互正交的單軸加速度計(jì)（Accelerometer)和3個(gè)相互正交的單軸陀螺儀慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將陀螺儀和加速度計(jì)等慣性測量單元通過支架平臺與載體固連的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用載體先前的位置、慣性測量單元測量的加速度和角速度來確定其當(dāng)前位置。其中，速度v和偏移量5都可以通過對加速度a的積分得到。如下式所示，加速度a經(jīng)過積分得到速度v經(jīng)過二重積分得到偏移量s。相反，速度和加速度也可過通過對位移的微分而估算得到。慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航定位基于一個(gè)簡單的原理，那就是位置的差異可以由一個(gè)加速度的雙重積分得到，可以被描述為在一個(gè)穩(wěn)定坐標(biāo)系下并且被明確定義的與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，可表述為：式中,s為初始位置，a,是在規(guī)定的坐標(biāo)系中的慣性測量單元測量得到的沿運(yùn)動(dòng)方向的加速度。原理：（五）車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)通常包括定位模塊、數(shù)字地圖和無線通信模塊等。

車輛航位推算（DeadReckoning,DR)：利用載體上某一時(shí)刻的位置。根據(jù)航向和速度信息，推算得到當(dāng)前時(shí)刻的位置。即根據(jù)實(shí)測的汽車行駛距離和航向計(jì)算其位置和行駛軌跡。GPS/DR組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)由GPS以及電子羅盤、里程計(jì)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)等組成。GPS/DR組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一種相對低成本的導(dǎo)航系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行GPS/DR數(shù)據(jù)融合，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的導(dǎo)航定位。無線通信模塊是車輛定位和導(dǎo)航中的關(guān)鍵器件。除了提供個(gè)人呼叫以外，還提供一種語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信道，以便駕駛員獲得一些信息，諸如實(shí)時(shí)交通信息、天氣和旅行信息等。

常用的定位技術(shù)有航位推算（DR)和GPS車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)DR的主要原理是利用DR傳感器測量位移矢量，從而推算車輛的位置。航位推算原理圖如圖4-7所示。其中，（xi，yi）（i=1,2…）是車輛在ti時(shí)刻的初始位置。

航向角θi和行駛距離si分別是車輛從ti，ti+1時(shí)刻的絕對航向和位移矢量長度。式中，xk，yk（k=1,2，…）是車輛在“tk”時(shí)刻的位置。車輛航位推算（DeadReckoning,DR)：

蜂窩定位是一種無線電定位，使用無線電波進(jìn)行傳播。現(xiàn)有無線定位系統(tǒng)基本都是采用相同或相似的定位方法和技術(shù)，絕大多數(shù)都是通過計(jì)算目標(biāo)移動(dòng)臺的位置來定位，計(jì)算位置時(shí)需要用到的定位參數(shù)是通過測量傳播于多個(gè)基站和移動(dòng)臺之間的定位信號獲得。常用的無線定位方法主要有AOA定位、TOA定位、TDOA定位等。

（六）蜂窩無線定位技術(shù)蜂窩無線定位技術(shù)AOA定位方法也稱方位測量定位方法，是由兩個(gè)或多個(gè)基站接收到移動(dòng)臺的角度信息，然后利用其計(jì)算移動(dòng)臺的位置，假設(shè)有兩個(gè)基站BS1和BS2,a1和a2分別是移動(dòng)臺MS到兩個(gè)基站BSt和BS2的達(dá)到角度，則求解上式，可估算出移動(dòng)臺位置（x,y)。（1）TOA定位TOA是基于時(shí)間的定位方法，稱為圓周定位。它是通過測量兩點(diǎn)間電波傳播時(shí)間來計(jì)算移動(dòng)臺的位置。原理：如果能夠獲取三個(gè)以上基站到移動(dòng)臺的傳播時(shí)間，那么移動(dòng)臺在以（xi,yi）為圓心，以cti為半徑的圓上，就能得出移動(dòng)臺的位置TOA定位BS1、BS2、BS3是三個(gè)基站，表示基站i與移動(dòng)臺MS之間的直線距離。則移動(dòng)臺應(yīng)該位于半徑為位置的坐標(biāo)為Ri、圓心在基站i所在位置的圓周上。記移動(dòng)臺的位置坐標(biāo)為（Xi，yi)，則兩者之間滿足如下關(guān)系。在實(shí)際無線電定位中，已知電磁波在空中的傳播速度c，如果能夠測得電磁波從移動(dòng)臺到達(dá)基站i的時(shí)間TOA為ti，則可以求出基站與目標(biāo)移動(dòng)臺的距離Ri=cti,取i=l，2,3,構(gòu)成三個(gè)方程組，可以求得移動(dòng)臺位置坐標(biāo)（x0，y0)。原理：（2）TDOA定位TDOA定位也稱雙曲線定位，

它是利用移動(dòng)臺到達(dá)不同基站的時(shí)間不同，獲取到達(dá)各個(gè)基站的時(shí)間差.建立方程組，求解移動(dòng)臺位置，這種定位要求各個(gè)基站時(shí)間必須同步。移動(dòng)臺位于以兩個(gè)基站為交點(diǎn)的雙曲線上，通過建立兩個(gè)以上雙曲線方程，求解雙曲線交點(diǎn)即可得到移動(dòng)臺的二維坐標(biāo)位置。（3）混合定位混合定位技術(shù)就是把各種不同的測量信息和特征值進(jìn)行融合對移動(dòng)臺進(jìn)行定位的技術(shù)。常見的混合定位技術(shù)有TDOA/AOA、TDOA/TOA、TOA/AOA、TDOA/場強(qiáng)定位等。場強(qiáng)定位的基本原理與到達(dá)時(shí)間定位原理相似，移動(dòng)臺利用接收到的場強(qiáng)值大小來求解移動(dòng)臺的位置。場強(qiáng)定位容易受到外界周圍環(huán)境的影響，定位精度不高。

高精度地圖（一）高精度地圖的定義在汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)字地圖用于導(dǎo)航、支持并運(yùn)用地圖功能的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS),以及自動(dòng)或自主駕駛（AD)。道路幾何特征對于幾乎所有的數(shù)字地圖的應(yīng)用都適用。雖然大多數(shù)汽車廠商與其供應(yīng)商使用專有數(shù)據(jù)模型，但大多數(shù)都受地理數(shù)據(jù)文件（GDF)規(guī)范的影響。GDF及類似地圖數(shù)據(jù)模型使用以下三種實(shí)體。要素（或物體）：點(diǎn)、線、面（簡單要素）或點(diǎn)線面的不同組合（復(fù)雜要素）。要素之間的關(guān)系：如子級、父級。屬性：即要素或關(guān)系的屬性。高精度地圖通俗來講就是精度更高、數(shù)據(jù)維度更多的電子地圖。精度更高體現(xiàn)在精確到厘米級別，數(shù)據(jù)維度更多體現(xiàn)在其包括了除道路信息之外的與交通相關(guān)的周圍靜態(tài)信息。高精度地圖的定義同一個(gè)真實(shí)世界中的物體可能會(huì)根據(jù)不同的數(shù)組模型而有不同的表現(xiàn)方式。GDF數(shù)據(jù)模型和格式主要為交換格式，描述地圖提供商傳送數(shù)字地圖的形式。2009年，部分大型汽車制造商及其一級供應(yīng)商建立了導(dǎo)航數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（NDS)e.V.(e.V.是德語，即注冊協(xié)會(huì)），設(shè)計(jì)并落實(shí)了通用導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型與格式。高精度地圖不同之處：

1）精度：一般電子地圖精度在米級別，商用GPS精度為5米。高精度地圖的精度在厘米級別。2）數(shù)據(jù)維度：傳統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)只記錄道路級別的數(shù)據(jù)：道路形狀、坡度、曲率、鋪設(shè)、方向等。高精度地圖（精確度厘米級別）：不僅增加了車道屬性相關(guān)（車道線類型、車道寬度等）數(shù)據(jù)，更有諸如高架物體、防護(hù)欄、樹、道路邊緣類型、路邊地標(biāo)等大量目標(biāo)數(shù)據(jù)。高精度地圖能夠明確區(qū)分車道線類型、路邊地標(biāo)等細(xì)節(jié)。3）作用和功能：傳統(tǒng)地圖起的是輔助駕駛的導(dǎo)航功能，本質(zhì)上與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)化的紙質(zhì)地圖是類似的。而高精度地圖通過“高精度高動(dòng)態(tài)多維度”數(shù)據(jù)，起的是為自動(dòng)駕駛提供自變量和目標(biāo)函數(shù)的功能。

4）使用對象：普通的導(dǎo)航電子地圖是面向駕駛員，供駕駛員使用的地圖數(shù)據(jù)，而高精度地圖是面向機(jī)器的供自動(dòng)駕駛汽車使用的地圖數(shù)據(jù)。5）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性：高精度地圖對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求更高。

未來的高精度地圖將具備三大功能。1）地圖匹配。地圖匹配高精度地圖在地圖匹配上更多的依靠其先驗(yàn)信息。2）輔助環(huán)境感知將車輛位置周邊的道路、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等對象及對象之間的關(guān)系提取出來3）路徑規(guī)劃高精度地圖的規(guī)劃能力下沉到了道路和車道級別。（二）高精度地圖的數(shù)據(jù)采集與生成在高精地圖時(shí)代，為了提升存儲效率和機(jī)器的可讀性，地圖在存儲時(shí)被分為了矢量和對象層。數(shù)據(jù)采集：1）實(shí)地采集。2）處理：包括人工處理、深度學(xué)習(xí)的感知算法（圖像識別）等。3）后續(xù)更新：主要針對道路的修改和突發(fā)路況。原理：高精地圖采集所需要的設(shè)備包括以下幾種：LiDAR（激光雷達(dá)）。Camera（攝像頭）。IMU（慣性測量單元，陀螺儀）。GPS（全球定位系統(tǒng)）。輪測距器。高精度地圖采集車。ADAS地圖采集車。HAD高精度地圖采集車。高精度地圖采集過程包括：采集：高精度地圖采集員駕駛采集車以60-80km/H的速度行駛，每天至少采集150公里的高精度地圖數(shù)據(jù)。自動(dòng)融合、識別：這一環(huán)節(jié)是把不同傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，即把GPS、點(diǎn)云、圖像等數(shù)據(jù)疊加在一起，進(jìn)行道路標(biāo)線、路沿、路牌、交通標(biāo)志等道路元素的識別。人工驗(yàn)證、發(fā)布：這一環(huán)節(jié)由人工完成。自動(dòng)化處理的數(shù)據(jù)還不能達(dá)到百分百的準(zhǔn)確，需要人工在進(jìn)行最后一步的確認(rèn)和完善。

傳統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)生成與輸出鏈1）傳統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)生成與輸出鏈由以下部分組成處理收集的原始數(shù)據(jù)，建立適當(dāng)?shù)恼Z義與地圖特征之間的關(guān)系。2)交換格式的數(shù)據(jù)通常由導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商編譯成更有效的物