《智能网联汽车概论》 课件 能力模块三 掌握高精度地图与定位系统在智能网联汽车上的应用方式

智能网联汽车概论能力模块三掌握高精度地图与定位系统在智能网联汽车上的应用方式任务一

了解智能网联汽车高精度地图的功能及应用导入高精地图相对于普通地图来说的，它提供了更高精度，内容更为丰富的地图信息，主要服务于自动驾驶。在目前的主流解决方案中，L2+、L3、L4级别的自动驾驶普遍依赖高精地图。不同自动驾驶方案对高精地图的依赖程度有所不同。目前L2+及以上自动驾驶方案普遍对高精地图是有明确依赖的。作为一名智能网联相关的地图数据采集员，在某次具体任务中，主管要求你完成你了解高精度地图功能和应用，完成地图绘制。新授Newteaching1目录一、高精度地图的基本概念二、高精度地图的采集与生产三、高精度地图模型四、高精度地图的应用一、高精度地图的基本概念高精度地图（HighDefinitionMap）也称为高分辨率地图，是指绝对精度和相对精度均在厘米级的高分辨率的导航地图。通俗来讲就是精度更高和数据维更多的电子地图；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。它是适合高度自动驾驶的地图，高精度地图要在自动驾驶环境中实现它的价值，高精度地图有它特有的地图内容。（一）高精度地图定义高精度地图对于自动驾驶系统，导航系统需要提供更高精度的行驶路径，引导车辆驶向目的地，需要将环境中尽可能丰富的信息提供给自动驾驶系统。作为存储静态、准静态交通信息的数据库，为了满足自动驾驶系统的导航、路径规划要求，高精度地图需要提供更精细、精确的交通信息。一、高精度地图的基本概念（一）高精度地图定义传统导航对地图的要求传统导航系统中，数字地图依据起始位置、目标位置为使用者规划行驶路径，辅助驾驶人驾驶。对于由驾驶人来观察环境并进行控制的车辆，道路级导航就能满足使用要求。因此，传统的导航地图通常仅需描述一些典型的道路交通特征、路口指引等道路级的导航信息，导航过程中10m级的定位精度即可满足系统要求。自动驾驶导航对地图的要求一、高精度地图的基本概念在智能网联汽车应用领域，高精度地图在高精度定位、辅助环境感知、路径规划等环节都发挥着重要作用。高精度地图中车辆与物体间相对位置信息如图所示。1.高精度定位智能网联汽车上传感器感知到的环境信息通过与高精度地图对比，得到车辆在地图中的精确位置，这是路径规划与决策的前提。（二）高精度地图的功能高精度地图中车辆与物体间相对位置信息一、高精度地图的基本概念2.辅助坏境感知在高精度地图上标注详细道路信息，辅助汽车在感知过程中进行验证。比如车辆传感器感知到前方道路上的坑洼，可以与高精度地图中的数据进行对比，如果地图中也标记了同样的坑洼，就能起到验判断的作用。3.路径规划在高精度地图上标注详细道路信息，辅助汽车在感知过程中进行验证。比如车辆传感器感知到前方道路上的坑洼，可以与高精度地图中的数据进行对比，如果地图中也标记了同样的坑洼，就能起到验证判断的作用。（二）高精度地图的功能高精度地图中车辆与物体间相对位置信息一、高精度地图的基本概念（三）高精度地图与普通地图区别项目高精度地图普通地图精度精度在厘米级别普通地图精度在10m左右、商用GPS精度在5m数据维度增加了车道属性相关数据，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，能够明确区分车道线类型、路边地标等细节。普通地图只记录道路级别的数据：道路形状、坡度、曲率、铺设、方向等。作用及功能为自动驾驶提供自变量和目标函数的功能辅助驾驶的导航功能使用对象面向车机设备面向驾驶人数据的实时性永久静态数据（更新频率约1个月)半永久静态数据（更新频率约1h)半动态数据（更新频率为1min)动态数据（更新频率为1s)永久静态数据（更新频率约1个月)半永久静态数据（更新频率约1h)二、高精度地图的采集与生产高精度地图与传统地图相比，具有不同的采集原理和数据存储结构。传统地图依赖于拓扑结构和传统的数据库，将各种元素作为对象堆放在地图上，将道路存储为路径。高精度地图的生成过程二、高精度地图的采集与生产数据采集过程：在高精度地图生产过程中，通过提取车辆上传感器采集的原始数据，获取高精度地图特征值，构成特征地图。再此基础上，进一步提取、处理和标注矢量图形，包括道路网络信息、道路属性信息、道路几何信息和道路上主要标志的抽象信息。高精度地图数据采集过程包括三个环节：实地采集、加工、后续更新。高精度地图采集过程通常称为“外业”，实地采集是制作高精度地图的第一步，主要通过采集车的现场采集来完成。采集的核心设备是激光雷达、高精度差分—惯导—卫星定位系统，它通过激光反射形成点云，完成对环境中各种物体的采集，并通过高精度定位系统记录行驶轨迹和环境中物体的高精度位置信息。二、高精度地图的采集与生产1.实地采集二、高精度地图的采集与生产2.加工

通常称为“内业”，加工是指通过对采集到的数据进行加工，提取高精度地图所需要表达的信息，并形成高精度地图数据库。加工的过程包括人工处理、深度学习的感知算法等。高精度地图综合数据内容采集二、高精度地图的采集与生产2.加工

采集的设备越精密，采集的数据越完整，就可以降低算法的不确定性；收集到的数据不完整，就需要更复杂的算法来补偿数据缺陷，且容易产生更大的误差。因此，实地采集所用到的设备成本高昂，目的是保证获取数据的精确性，以及提高采集数据的利用率。二、高精度地图的采集与生产通常随着时间的变化，道路会由于破损、翻修、规划等种种原因发生变化。为保证高精度地图中信息的可靠性和有效性，需要对地图进行周期性，或者由一定原因触发的更新。可以采取的高精度地图更新方式有：众包方式、与政府实时交通处理部门合作等。（3）后续更新高精度地图更新二、高精度地图的采集与生产（3）后续更新图商端/地图于中心的高精度地图升级1用户端高精度地图的更新升级2高精度地图的更新升级内容分为两个方面：二、高精度地图的采集与生产静态高精度地图整体需要定期甚至实时更新，动态高精度地图依赖自动驾驶和车路协同体系，采集模式如下：（1）图商端/地图于中心的高精度地图升级数据采集模式采集方法重复采模式定期重新采集，采用产业化重装备规模化采集生产的模式，其核心是产业化的自动测量技术（外业采集），和基于AI技术的自动化和半自动化原始数据处理成图技术（内业处理）。低成本专业众包模式目前高精度地图的更新手段，主流图商一般都采用低成本的与业采集工具方式，比如基于电动三轮车安装与门的前后左右摄像头、低线束激光雷达、低成本卫星定位及惯导终端组成的一套众包高精度地图采集车，成本可控制在5-30万元范围内，配备给图商分布在全国各地的常规外业采集队伍，这样能极大地降低采集成本和提高更新响应速度。这种低成本的采集车需要配套完善的后台数据处理中心，即一套基于AI的视频图像、激光点云、轨迹点的综合大数据分析处理平台，结合既有的产业重装备规模化采集得到的高精度地图，甚至是普通导航地图，就能够形成基本符合自动驾驶所需的高精度地图，并且随着众包数据的不断积累增多，其输出的高精度地图就能越来越接近现实道路的变化情况，从而实现高精度地图的快速更新。用户产生数据模式（UGC）初创公司将此种更新模式称为前装模式。该模式针对最终用户的反馈数据，但是它有一个假设前提的，即：L3及以上的自劢驾驶车辆已经大规模普及、并且都能把实时位置和行车传感器如视频等数据传回给它的后台，并基于其后台的人工智能高精度地图分析提取技术来形成高精度地图和变化情况，进而反馈给基础高精度地图。二、高精度地图的采集与生产高精度地图数据容量庞大，服务于海量用户终端（自动驾驶车），因此用户终端的高精度地图如何保持与现实道路的一致同步，事关自动驾驶的安全。自动驾驶车端的高精度地图使用方法一般采用在线模式，自动驾驶的发展初期也可能部分沿用旧的离线预装模式。在线模式主要连接地图于中心，也可能随着V2X体系发展而连接智能路侧设备和边缘计算网格。车端在获取地图于中心的地图更新升级时需要采取一定策略，减少数据传输量，缩短车辆获取数据的时间。（2）用户端高精度地图的更新升级二、高精度地图的采集与生产（2）用户端高精度地图的更新升级更新模式更新特点预装+增量更新1.预装+增量更新的模式是传统的成熟的数据更新模式；2.出厂前将完整版数据一次性安装到设备上，定期提供增量更新版本进行数据更新；3.更新周期分为季度更新、月度更新、周更新、日更新，目前图商致力于日更新。4.采用线下模式，数据更新需要车辆返回专业服务点完成，效率低下，时效性差，严重影响高精度数据的可信度。更新策略：1.为了减少地图数据的传输，需要将地图数据预装到设备中，对于变化周期较长的数据可以优先考虑预装。2.线下预装、线上更新：当地图数据发生变化时，地图云中心将变化的增量信息发送给车辆，车辆在接收到数据后，将数据融合进入地图数据中。3.当地图云中心发现重大数据变化可能引发行车安全时，采取主动发送强制更新，此时车辆端属于被动强制更新。4.其他的一般更新时，车辆根据需要进行主动请求更新。二、高精度地图的采集与生产（2）用户端高精度地图的更新升级更新模式更新特点在线全量更新1.采用完全在线模式，无需出厂前将完整版高精度地图数据安装到设备上；2.车辆端实时根据行驶过程中当前位置向地图云中心请求指定路径或一定范围内所有可通行路径对应的数据，云中心根据请求条件实时抽取数据回传到车辆端；3.依赖于移动网络通讯，对通讯传输速率、稳定性和并发访问容量有极强的要求；4.该模式彻底解决用户端高精度地图更新的问题，不需要人为更新就是最好的更新。5.全量更新模式中将地图数据分割成多个小的区域，每一个小区域内包含该区域完整地图数据。6.随着5G发展成熟，将可能成为主流模式，伴随5G-V2X的发展，全量数据还可能由云中心预分发给道路边缘的计算节点，再由边缘计算节点分发给车辆，极大分解了地图云中心的压力。二、高精度地图的采集与生产（2）用户端高精度地图的更新升级更新模式更新特点车端—边缘网格—云端协同车端—边缘网格—云端协同是一种理想化地图更新模式。1.优势：融合了高精度地图的变化检测、内容更新的上行生产过程，以及与分级下发新版数据的下行更新升级过程的一体化混合模式。2.车端-边缘计算端：随着基础设施完善，道路周边提供边缘计算网格，边缘计算网格提供通讯能力和计算能力；终端通过与边缘计算网格进行通讯，边缘网格与云端通讯，这样形成分层计算能力，提高数据循环效率，解决信息孤岛，解决终端计算能力不足，云端计算压力集中问题。3.云端：云端负责数据融合及预测，云端接收全部边缘网格上报的数据，并对数据进行检查、分析、融合，预测。云端将融合和预测的数据分发到边缘计算网格。4.云端-边缘计算-车端：边缘计算网格起到云端与终端的纽带作用；边缘计算网格接收终端上报的数据，对数据进行初步处理，将处理后的数据发送到云端；边缘计算网格接收云端分发的融合结果和预测数据，并将数据分发到终端。5.车端：终端从边缘计算网格接收数据，用于自动驾驶，过程中继续对道路数据进行采集提取；终端对数据进行对比，将变化的数据报告到边缘计算网格；如此，形成循环闭环。高精度地图通常通过三个层次来完整表达真实道路信号，第一个层次是参考线，它代表我们传统导航地图的道路；第二个层次是车道标线，它代表车道信息；第三个层次是与路网车道相关的对象，比如限速标牌。所以，在定义高精度地图数据模型时通常分为道路模型、车道模型和对象模型三大块。三、高精度地图模型道路模型对象模型车道模型高精度地图模型三、高精度地图模型1.道路模型1.道路参考线

为了实现和提高路径规划功能，需要将道路的结构进行抽象，形成以顶点与边组成的拓扑图形结构，图形中的边以弧形线段表示，线段由一系列顺序的点表示线的基本形状走势。2.道路连通性除道路参考线外，高精度地图还应描述道路的连通关系，联通关系通过顶点确定，道路模型除了几何属性还包括车道数量、道路等级、功能属性等。道路模型三、高精度地图模型1.道路模型3.相关数据1）参考线几何信息；2）参考线联通关系；3）道路属性：道路方向、道路形态、道路等级、车道数量等；4）道路坡度、曲率、航向。道路模型数据可以满足道路级别的路径规划，以及ADAS应用场景下对油门、刹车、方向的预先控制规划。道路模型2.车道模型车道模型记录了车道的行驶参数、车道的边线（标线）、停止线、车道与道路拓扑的关系、车道中心线、车道属性、车道中心线与参考线关联关系、车道边线（标线）与车道中心线关联关系。如图所示。车道属性如车道方向、车道类型、车道通行限制、车道限速等车道中心线之间的连通关系。车道模型三、高精度地图模型3.对象模型对象模型是记录道路和车道行车空间范围边界区域内要素的，模型属性包括对象位置、形状及属性值。这些图形要素包括路牙、护栏、立交、隧道、龙门架、交通标牌、可变信息标牌、轮廓标、收费站/杆、交通灯、墙面、箭头、文本、符号、警示区、导流区等。对象模型中的数据通常用于辅助环境感知，并辅助于高精度定位。三、高精度地图模型四、高精度地图的应用

1.高精度地图在自动驾驶中的应用高精度地图数据中提供道路甚至车道的曲率值，当车辆转弯时可以根据曲率进行提前减速，控制传感器甚至前照灯转向辅助。高精度地图也提供隧道等详细信息，车辆在进入前可以提前开启前照灯或调整传感器感光参数。高精度地图提供了坡度，能够辅助车辆控制加速踏板节省能源。如图所示：高精度地图提供了坡度，能够辅助车辆控制加速踏板节省能源。高精度地图提供了各种交通标志和提示信息标牌的精确位置及形状能够辅助车辆进行高精度定位。高精度地图的限速信息精确到车道，能够为车辆提供精准的限速信息，智能网联汽车用以精准控制执行器操作。车辆可以根据高精度地图进行自主变道。高精度地图还能为车辆提供各种危险区域，车辆可以提前做出应急方案。四、高精度地图的应用

1.高精度地图在自动驾驶中的应用高精度地图的充分运用可以助力智能网联汽车获取各方面的先验传感参数，为自动驾驶提供诸多数值化的决策依据。高精度地图对于L4、L5级别的智能网联驾驶是必选项，对于L3是可选项，对于L1、L2基本不需要；智能网联汽车的自动化、智能化程度越高，对高精度地图的依赖越大。四、高精度地图的应用

2.高精度地图的先验感知特征

高精度地图能够辅助汽车超视距感知，当车辆道路环境被其他物体遮挡，或者转弯，或者超出汽车电子设备感知范围时，高精度地图能够帮助车辆对行进方向进行环境的感知。

高精度地图能够辅助车辆快速识别道路环境周边固定物体及车道标线。高精度地图能够提高自动驾驶车辆数据处理效率，自动驾驶车辆感知重构周围三维场景时，可以利用高精度地图作为先验知识减小数据处理时的搜索范围。四、高精度地图的应用

辅助感知高精度地图提供有车道标线、地面箭头、符号、文字、路边护栏、路沿、电话亭、标志标牌等信息，自动驾驶车辆可以根据当前位置在高精度地图中快速检索出周边的上述信息，形成基础已知固定环境，同时通过各类传感器的实际探测比对最终得到准确的固定环境感知。

2.高精度地图的先验感知特征四、高精度地图的应用

高精度地图能够辅助车辆进行高精度定位。高精度地图包含了丰富的对象数据，汽车通过传感器对道路周边进行感知，提取出道路周边的要素并与地图中对象进行匹配，地图中的对象拥有精确的位置和形状信息，通过车辆与要素间的距离修正车辆GPS定位的位置。其辅助高精度定位原理与GPS定位相似。车辆只要识别出至少三个要素，就可以通过车辆与三个要素的距离画球面，三个球面相交点就是车辆所在可能位置，再通过GPS定位信息确定最终位置。

3.高精度地图基础上的高精度定位高精度地图定位四、高精度地图的应用

具体的辅助高精度定位原理是：GPS是自动驾驶必备的位置传感器、但是在无基站差分的场景下的定位精度通常都是米级，在城市工况下，由于建筑遮挡精度更差，这样的精度是法满足自动驾驶需求的。而高精度地图的引入使得基于GPS获取高精度位置成为可能。通过基于高精度地图的辅助感知，自动驾驶车辆能准确知道周边的物体（对象）的简精度位置坐标，同时通过传感器得到车辆与周边物体的相对距离，自动驾驶车辆即可基于探测到的物体（对象）高精度坐标和相对距离反算出车辆的高精度位置坐标，从而实现对自身位置的持续修正。

3.高精度地图基础上的高精度定位四、高精度地图的应用

所谓V2X，全称为vehicletoeverything，即车对外界的信息交换。车联网通过整合全球定位系统（GPS）导航技术、车对车交流技术、无线通信及远程感应技术奠定了新的汽车技术发展方向，实现了手动驾驶和自动驾驶的兼容。V2X是智能网联汽车在网联化方面的基础。4.高精度地图在V2X中的作用高精度地图在V2X中的作用四、高精度地图的应用在V2X环境中，V2X系统与高精度地图分工合作，通过路侧基础设施（信号灯、标识牌等路侧单元）与车辆进行通信，车辆能够直接获取道路基础环境信息，并能够利用基础设施进行高精度定位。高精度地图主要用于车道规划和辅助对不能发射信号的基础设施的感知，如路肩、隔离带等。高精度地图云中心可以通过与基础设施中的道路边缘计算网格进行通信，实现信息的收集与分发。道路边缘计算网格与车辆进行实时通信，车辆从道路边缘计算网格获取道路环境信息，并上报车辆传感器识别变化的信息，道路边缘计算网格经过初步处理后将数据发送到高精度地图云中心，云中心综合多方证据信息进行处理，提前预测道路环境变化，并将可能引起道路交通恶化的预测信息发送给边缘计算网格通知车辆，车辆可以提前做出决策。4.高精度地图在V2X中的作用随堂讨论2Practiceontheclass随堂讨论1、请查阅2015年工信部印发的《中国制造2025》文件，写出相应时间节点的发展目标。2、请查阅2020年2月24日由国家发改委、中央网信办、工信部等11个部委联合印发的《智能汽车创新发展战略》文件，写出相应时间节点的战略愿景。1.各组派代表阐述资料查询结果。2.各组就各自的查询结果进行交流，并分享技巧。智能网联汽车概论

能力模块三掌握高精度地图与定位系统在智能网联汽车上的应用方式任务二

了解智能网联汽车导航定位系统的类型及应用新授Newteaching1目录一、GPS全球导航定位系统二、北斗卫星导航定位系统三、惯性导航系统

GPS是由导航卫星、地面监控设备和用户设备组成的，如图所示。一、GPS全球导航定位系统

全球导航定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。（一）GPS系统的组成GPS系统的组成一、GPS全球导航定位系统（一）GPS系统的组成

1.导航卫星

GPS的空间部分的24颗工作卫星组成一个GPS卫星组，其中21颗是导航卫星，3颗是活动卫星。24颗卫星以55°的轨道倾角绕地球运行，形成6个地球椭圆轨道面，每个轨道面上都有4颗卫星。各轨道平面的升交点赤经相差60度，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30度。一、GPS全球导航定位系统

1.导航卫星

这些卫星每12h环绕地球一圈，在地球上的任何地方、任何时间都可以观测到4颗以上的GPS卫星，保持定位的精度从而提供连续的全球导航能力。导航卫星如图所示，导航卫星的任务是发射导航和定位信号，用户可以使用这些信号来实现导航。导航卫星（一）GPS系统的组成地面监控设备由1个主控站、4个注入站和6个监测站组成，它们的任务是实现对导航卫星的控制。主控站拥有许多以计算机为主体的设备，用于收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站，并进行卫星轨道和时钟校正参数计算，调整卫星运行姿态，纠正卫星轨道偏差，同时还协助、指挥、管理空间卫星和地面监控设备，监控卫星对用户的指令发送。注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。监测站为主控站提供卫星的观测数据。一、GPS全球导航定位系统2.地面监控设备（一）GPS系统的组成用户设备主要由卫星导航接收机和卫星天线组成。它的主要功能是根据一定的卫星截止角捕获被测卫星，并跟踪这些卫星的运行情况。GPS接收机的主要功能是捕获按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪卫星运行；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理；测量出信号传播的时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文；实时计算出测站的三维信息，甚至三维速度和时间。GPS数据处理软件的主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行预处理，并对处理的结果进行平差计算、坐标旋转和分析综合处理，计算出用户所在位置的三维坐标、速度、方向和精确时刻等。一、GPS全球导航定位系统3.用户设备（一）GPS系统的组成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。GPS用户终端可以同时跟踪4颗GPS卫星，并捕获其信号，这里，将两时钟之间的时差作为未知量，使其和观测点坐标共同组成一个四元方程组，所得的解就是观测点的经纬度坐标和时差，使用这种方法进行定位可以得到较高的定位精度。这个观测值通常被称为伪距观测量。此观测值被称为伪距的原因是：第一，它是以地表和卫星之间的距离为变量的函数；第二，由于大气效应和时钟误差的影响，与实际的距离之间存在偏差。一、GPS全球导航定位系统（二）GPS定位原理一、GPS全球导航定位系统

（三）GPS系统的特点全球全天候定位因为GPS卫星的数目较多，且分布均匀，能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天候的导航定位能力，用户不用发射信号，因而能满足多用户使用。实时导航利用GPS定位时，在1s内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大的意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息。覆盖范围广利用GPS定位时，在1s内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大的意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息。定位精度高GPS相对定位精度在50km以内可达6～10m，100～500km可达7～10m，1000km可达9～10m。一、GPS全球导航定位系统

（三）GPS系统的特点观测时间短20km以内的相对静态定位仅需15～20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距15km以内时，流动站观测时间只需1～2min；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。提供全球统一的三维地心坐标GPS系统建立在WGS-84坐标系中，可同时精确测定测站平面位置和大地高程。测站之间无需通视GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，这既可大大减少测量工作所需的经费和时间，也使选点工作更灵活，可省去经典测量中的传算点、过渡点等的测量工作。

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，如图所示。二、北斗卫星导航定位系统

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。（一）北斗卫星导航定位系统的组成北斗卫星导航定位系统的组成二、北斗卫星导航定位系统

北斗卫星导航系统空间段由35颗卫星组成，其中地球静止轨道卫星5颗、中地轨道卫星27颗、倾斜同步轨道卫星3颗。五颗地球静止轨道卫星的固定位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地轨道卫星运行在三个轨道面上，轨道面均匀分布120°。1.空间段（一）北斗卫星导航定位系统的组成

北斗卫星定位系统地面段包括主控站、注入站和监测站组成。2.地面段二、北斗卫星导航定位系统（一）北斗卫星导航定位系统的组成

北斗卫星定位系统地面段包括主控站、注入站和监测站组成。2.地面段0301主控站用于系统运行管理和控制，接收来自监测站的数据，并对其进行处理，生成卫星导航信息和差分完整性信息，然后将信息传送到注入站进行发送。02注入站用于向卫星发送信号、控制和管理卫星，在接收到主控站调度后，向卫星发送卫星导航信息和差分完整性信息。监测站用于接收卫星信号并将其发送到主控站进行卫星监测，以确定卫星轨道，并为时间同步提供观测。二、北斗卫星导航定位系统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。接收器需要捕捉和跟踪卫星的信号，并根据数据以一定的方式进行定位计算，最终获得用户的纬度、经度、海拔、速度、时间等信息。北斗卫星定位系统可以为全世界各种用户提供全天候、高精度、高可靠性的定位、导航和定时服务，具有短消息通信能力，最初提供了区域导航、定位和定时功能，定位精度为10米，测速精度为0.2m/s，定时精度为10ns。3.用户段（一）北斗卫星导航定位系统的组成二、北斗卫星导航定位系统北斗导航系统用户段（一）北斗卫星导航定位系统的组成二、北斗卫星导航定位系统北斗一代和北斗二代定位系统都是采用伪距法进行导航定位。该方法的基本定位思想是三球交汇定位原理。北斗一代系统由于其观测量较少并且其工作方式是有源定位，使得北斗一代与北斗二代在定位原理和精度有所不同。（二）北斗卫星定位原理北斗二代是典型的RNSS系统。北斗二代系统定位原理与GPS类似，至少需要4颗卫星，其测算距离，确定用户位置。二、北斗卫星导航定位系统2.北斗二代卫星定位原理（二）北斗卫星定位原理1.北斗一代卫星定位原理北斗一代卫星导航定位系统的定位原理是基于三球交汇原理进行定位，以两颗卫星的已知坐标为球心，两球心至用户的距离为半径，可画出两个球面，用户机必然位于这两个球面交线的圆弧上。另一个球面是以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面，三个球面的交汇点即为用户位置。二、北斗卫星导航定位系统（三）北斗卫星导航定位系统的特点精密授时最大用户数每小时可以供540000户。没有通信盲区，覆盖范围大定位与短报文通信保密性强自主系统，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。定位精度准确，更新快水平精度100m（1σ），设立标校站之后为20m（类似差分状态），工作频率为2491.75MHz。具有精密授时功能，可向用户提供20～100ns时间同步精度。在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。同时具备定位与通信功能，用户终端具有双向报文通信功能三、惯性导航系统惯性测量单元惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)，简称为惯导，是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量，基于惯性测量单元（IMU）测量的角速度和加速度信息，使用软件对信息进行数据分析的自主式导航系统，如图所示为惯性测量单元（IMU）。具体来说，惯性导航系统属于一种推算导航系统，即从一已知点的位置根据连续测得的运动载体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。三、惯性导航系统（一）惯性传感器分类惯性传感器分为两大类：测量角速度的陀螺仪和测量加速度的线加速度计。1.陀螺仪分类陀螺仪又分为机械干式、液浮、半液浮、气浮角速度陀螺仪，挠性角速度陀螺仪，MEMS硅、石英角速度陀螺仪（含半球谐振角速度陀螺仪等），光纤角速度陀螺仪，激光角速度陀螺仪等。2.线加速度计分类线加速度计又分为机械式线加速度计，挠性线加速度计，MEMS硅、石英线加速度计（含压阻、压电线加速度计），石英挠性线加速度计等。三、惯性导航系统惯性导航系统通常由惯性测量单元（IMU）、计算机、控制显示器等组成。惯性测量单元（IMU）包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。一般情况，一个IMU包含了3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪，也可能包含磁力计，如表所示IMU的组合形式。1.惯性测量单元（IMU）自由度组成测量内容6DOF3轴加速度计+3轴陀螺仪线性+旋转速率9DOF3轴加速度计+3轴陀螺仪+3轴磁力计线性+旋转速率+磁场10DOF3轴加速度计+3轴陀螺仪+3轴磁力计+气压计线性+旋转速率+磁场+高度（二）惯性导航系统组成三、惯性导航系统惯性测量单元自由度示意图1.惯性测量单元（IMU）（二）惯性导航系统组成三、惯性导航系统加速度计示意图输出电压输入电压电位计弹簧感受轴线感受轴线1.惯性测量单元（IMU）（1）加速度计用来测量瞬时加速度信息，根据计算获得载体的瞬时速度和位置。（二）惯性导航系统组成三、惯性导航系统1.惯性测量单元（IMU）（2）转动运动，可以测量瞬时角速率或角位置信息，提供各轴（及其上加速度计）在各时刻的方向。如图所示，陀螺仪是一种绕支点高速旋转的物体，其结构组成一般由转子（旋转轮）、内框和外框组成。当它在高速运行时，可以直立地立在地面上而不会倾倒。这表明高速旋转的物体具有保持其旋转轴方向恒定的特性。陀螺仪（二）惯性导航系统组成三、惯性导航系统目前，惯性导航技术已经实现了高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化，陀螺仪精度不断提高，漂移高达6°～10°/h。另外，RLG、FOG、MEMS等新型固态陀螺仪技术的成熟，也推动惯性导航系统在各领域得到了广泛的研究和应用。2.计算机控制显示器显示各种导航参数，实现功能。3.控制显示器计算机根据测得的加速度信号计算出速度和位置数据。（二）惯性导航系统组成三、惯性导航系统

惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的：一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动。根据测量数据，可以得到以下测量过程：如果能够测到加速度，通过加速度对时间的两次积分能够获得位移，以此实现位置定位；如果能够测量到角速度，通过积分可以获取位置信息，将它们结合在一起可以获得物体的实际状态。（三）惯性导航传感器工作原理惯性导航传感器工作原理惯性导航传感器能够测量高精度位置、速度、姿态信息。