厘米级GPS系统 推动自动驾驶汽车发展
发布时间:2017-02-27   作者:Steven Ashley
  • 在许多无人驾驶原型车中,摄像头、激光雷达和雷达组将协同工作,提供支持安全冗余的360°传感。
  • 如今,V2V和V2I通信系统的优化将助力超高精度GPS系统的发展。
  • 2015年,德克萨斯大学奥斯汀分校的工程师展示了精密“厘米级”GPS全球定位软件在智能手机上的应用,用户可通过虚拟现实头盔观看3D地图。
  • Swift Navigation公司基于软件定义的新型Piksi Multi双频GNSS接收器,可以提供快速的“厘米级”定位服务,公司称这款产品的成本不高。

如今,在各种先进技术的支持之下,汽车和卡车的真实工况性能和稳健安全表现都有了大幅的提升。不过,除了常见的高级驾驶员辅助系统 (ADAS)、基于人工智能的机器学习技术、V2V/V2I通信、高分辨率3D街道地图以及数字双控制系统外,未来还有哪些技术将逐步突显,助力自动驾驶汽车的发展呢?

 

专家认为,新一代GPS(全球定位系统)卫星导航系统有潜力发展成为一种颠覆性技术。该技术可以精准定位车辆或卡车的实时位置,为自动驾驶汽车提供可靠性冗余误差不会超过5厘米。这种设计很有必要,因为随着时间的推移,传感器总有一天会出现某种程度的退化,甚至完全报废,也正是因为这个原因,汽车设计师总是会在汽车上部署多个传感器。

 

一旦“厘米级”GPS系统的成本下降至单价30美元以内,这种技术就可以作为一种有效的可靠性冗余,广泛应用于大量汽车中。

 

精确GPS

 

最近,科技市场分析机构ABI Reserch发布了一份针对超高精度卫星导航技术的预测报告,称低成本、高精度的GPS/GNSS(全球导航卫星系统)接收器可能将很快成为现实。

 

ABI公司首席分析师PatrickConnolly表示,到2021年,精密GPS将逐步登陆无人驾驶汽车、无人机,甚至智能手机。

 

“现在,汽车行业正在评估比较各种相互竞争的技术,但我们认为未来的汽车行业将逐步采用一种混合性措施,也就是说混合采用传感器、传感器融合和精确GNSS系统。”Connolly指出,“考虑到现阶段GPS接收器的单价已经下降至50美元以下,我们认为,未来的定位技术服务市场将得到一定发展,比如一些中高端车型内采用的人工现实和抬头显示器等。”此外,V2V通信也有可能有力推动自动驾驶汽车的发展。

 

Connolly表示,GPS只是作为备用,并不是主传感器。精密卫星导航功能预计可以提供可靠性冗余,为自动驾驶汽车的安全系统提供有力补充。Connolly指出,当然了,全球定位系统(GPS)也有一些自身固有的问题,比如信号阻塞、多路径干扰等等,但如果价格合适,这种定位系统绝对可以成为SAE 4级和5级自动驾驶车辆的有力助手。

 

GPS的工作原理

 

简单来说,GPS/GNSS卫星将按照设定轨道环绕地球运行,并向地面传送卫星和信号信息。接着,GPS接收器将接收到这部分数据,并利用“三边测量”的方法计算用户位置。

 

从本质上讲,GPS接收器可以比较信号的发送和接收时间,而后利用这种时差,或者说是“飞行时间”计算卫星的距离。GPS系统将从至少4颗卫星接收测距数据,其中3颗用于定位,1颗用于确定接收器的时钟偏移。

 

奥斯丁市德克萨斯大学副教授、该校无线电导航实验室主任Todd Humphreys表示,大多数手持GPS接收器均使用单频GPS信号,可以将定位误差控制在3m之内,而商用级映射接收器的误差大约在1m之内。

 

Humphreys教授解释说,测量级差分定位系统的精度最高,在工作时需要基站和探测器的支持,至少需要从4颗卫星接收信号。

 

Humphreys表示,即使附近没有基站,双频接收器仍可以通过一种名为“精准单点定位”的技术,综合利用精准卫星钟差、辅助“历元间”分析及电离层状态模型等外部信息,将精度控制在厘米级别。

 

Humphreys解释道,“但问题是,精准单点定位的效率很低,大概需要几十分钟才能收敛不到10CM的区域。”另一种定位方法是RTK定位。

 

传感器协助

 

ABI的Connolly指出,精密GNSS系统可通过多种手段将精度控制在1m之内,其中包括利用一个参考站网络。他表示,现阶段最大的问题并不是成本,而是“如何利用参考站提供的补充位置信息或其它来源,支持RTK或PPP定位的修正,进而实现可靠卫星导航系统的全球覆盖。这项工程耗资巨大,目前并无法看到清晰的投资回报。

 

工程师和技术人员想知道传感技术优化的潜力,以及这能将怎样减轻车辆自动控制系统在机器学习方面的负担。“如果你能用到更好的传感技术,你就能更轻松地解决更多与ADAS技术有关的问题。”Humphreys表示,举个例子,如果出现雨雪、大雾遮挡道路标记或道路边沿,甚至是在夜间视野不佳的情况,车辆的传感器和图像识别系统均有可能表现不佳。

 

Humphreys表示,下一代GPS就相当于地面上的“仪表飞行”技术”。除了成本更低外,“GPS系统的另一大‘优势’就是能够极大地减少这些系统计算修正所需的时间。”

 

去年,德州大学奥斯丁分校的创业公司Radiosense展示了精密卫星-导航定位系统在智能手机上的应用,获得了三星的项目支持。不过,Humphreys表示,这种解决方案很“脆弱”。

 

公司团队使用了多种复杂的信号处理技术,来处理数据输入并降低源自多路信号与射频信号阻塞的误差。目前,这家公司正在测试一款低成本的车道偏离预警系统,该系统可以从分布在市内多个位置的十几个基站获得实时修正。

 

下一代预测性GPS

 

如今,定位技术领域的竞争非常激烈,各路选手同场竞技,既有众筹创业公司,也有谷歌和阿里巴巴等互联网巨头。ABI公司称,目前的主要选手包括精密接收器供应商NovAtel、天宝导航(Trimble Navigation)、消费接收器制造商u-Blox、Skytraq Broadcom、高通(Qualcomm)意法半导体(ST Microelectronics),以及创业公司North Surving、NVS技术、REACH和SwiftNavigation公司。

 

举例而言,总部位于加州的Swift Navigation公司刚刚发布了最新Piksi Multi GNSS接收器。公司业务发展副总裁Rob Hrance表示,这款基于软件定义的接收器支持双频操作,能够以较低的成本提供快速RTK收敛和可靠的“厘米级”精密定位服务。

 

另外,一家名为EXO Technologies的以色列创业公司则开发了一种基于软件的技术。公司联合创始人及首席营销官Isaac Zafarani称,这种技术能够进行预测性修正,从而降低系统对互联功能的依赖,避免产生额外的计算量。他表示,EXO设备提供的卫星定位数据更方便,也就是说收集时间更短。

 

“我们绝大部分的GPS接收器均应用了实时修正,因此可以将精度控制在5到10cm。”Zafarani表示,“另外,我们的数据可通过互联网提供,支持全球覆盖。”

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