智能网联汽车概论课件：智能网联汽车导航定位技术

智能网联汽车概论智能网联汽车导航定位技术汽车导航定位概述卫星定位技术惯性导航定位技术地图匹配定位技术组合定位定位系统

一、汽车导航定位概述导航、定位、导航定位的概念及其关系导航：采用监测和控制物体从一个地方转移到另一地方，在转移的过程中保证路线和运动的准确性。定位：利用仪器设备产生二维或三维的坐标进行物体位置信息的确定。导航定位：利用电、磁、光、力学等科学原理与方法，通过测量与运动物体每时每刻位置有关的参数，实现对运动物体的定位，并正确地从出发地沿着规划的路线，安全、准确、经济地引导到目的地。关系：定位是导航的第一步，导航是定位的一个连续过程，导航涉及路径规划和决策引导。因此，定位是导航的关键。

一、汽车导航定位概述

1.卫星定位技术卫星定位技术在任何驾驶条件下，自动驾驶车辆均依赖于精准的位姿信息，包括位置、速度和姿态等。收集这些信息需要整合多种复杂技术，其中全球导航卫星系统(GNSS)功不可没。当下GNSS包含了多套卫星导航定位系，能为自动驾驶车辆提供更精准的位置信息。

一、汽车导航定位概述惯性导航定位是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其由陀螺仪、加速度传感器及软件构成，通过测量运动载体的角速度和加速度数据，并将这些数据对时间进行积分运算,从而得到运动载体的速度、位置和姿态。在汽车驶入深山隧道时，汽车上安装的惯性导航系统的定位导航作用会非常显著。2.惯性导航定位

一、汽车导航定位概述3.地图匹配定位地图匹配定位是指在智能网联汽车运行的局部环境中，通过对周边环境中特殊物体的图像识别或特征匹配，与事先保存的地图信息进行比对获得环境物体和自车的局部相对位置。

一、汽车导航定位概述4.组合定位组合定位是多传感器多卫星信息的融合技术，是将卫星定位、惯性导航定位和地图匹配定位融合在一起，以弥补单一定位方式的不足，大幅提升了定位精度。

二、卫星定位技术卫星导航定位系统是星基无线电导航系统，为全球海陆空各类军民载体提供位置、速度和时间信息。这些信息都具有全天候且高精度等特征，因而又被称作天基定位、导航和授时系统。二、卫星定位技术1.全球导航卫星定位系统美国的全球定位系统(GPS)中国的北斗卫星导航系统(BDS)俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)卫星定位系统欧洲空间局的伽利略(GALILEO)卫星定位系统

二、卫星定位技术概念：全球定位系统是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统。优点：全天候、全局定位缺点:收环境影响大、更新周期长、定位精度低1.全球导航卫星定位系统1）全球定位系统二、卫星定位技术北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这四项原则。1.全球导航卫星定位系统2）北斗卫星导航系统二、卫星定位技术北斗卫星导航系统为经济社会发展提供重要时空信息保障，是中国实施改革开放40余年来取得的重要成就之一，是新中国成立70年来重大科技成就之一，是中国贡献给世界的全球公共服务产品。1.全球导航卫星定位系统2）北斗卫星导航系统3.格洛纳斯全球卫星导航系统是苏联时期建设的导航系统，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。卫星定位技术二、卫星定位技术1.全球导航卫星定位系统3）格洛纳斯全球卫星导航系统伽利略卫星导航系统是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，也是一个正在建设中的全球卫星导航系统。目的是使欧洲摆脱对美国GPS的依赖，打破其垄断地位。二、卫星定位技术1.全球导航卫星定位系统4）伽利略卫星导航系统二、卫星定位技术指一些其他已完成或正在建设的区域卫星导航系统，如日本的准天顶卫星系统、印度的区域导航卫星等。印度的区域导航卫星二、卫星定位技术1.全球导航卫星定位系统5）区域卫星导航系统星基增强系统（SBAS）是由美国实施选择可用性政策而发展起来的。SBAS也主要由空间段、地面段和用户段构成。地基增强系统（GBAS）综合使用了各种不同效果的导航增强技术。主要包括精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术，最终实现其增强卫星导航服务性能的功能。二、卫星定位技术1.全球导航卫星定位系统5）星基增强系统6

)地基增强系统2.GNSS定位原理根据后方交会定位原理，要实现GNSS定位，需要解决两个问题:一是观测瞬间卫星的空间位置。二是观测站点和卫星之间的距离，即卫星在某坐标系中的坐标为此首先要建立适当的坐标系来表征卫星的参考位置，而坐标又往往与时间联系在一起。因此，GNSS定位是基于坐标系统和时间系统进行的。二、卫星定位技术概念：卫星导航系统中，坐标系统用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地面观测站的位置以及处理定位观测数据。分类：地理坐标系、惯性坐标系、地球坐标系、地心坐标系和参心坐标系二、卫星定位技术2.GNSS定位原理1)坐标系统和时间系统GPS卫星定位原理图如图所示，利用时间差乘以光速测得某点

P到三颗卫星S1的距离为r1、r2、r3，那么P点所在空间可能位置集缩到三个球面的交点。排除一个不在地面的点，就得到唯一的确定位置。但确定球面半径是利用卫星信号传输到接收终端的时间差，所以需要第4颗卫星提供相对零点作时间的参照系。2.二、卫星定位技术2.GNSS定位原理2)卫星定位原理卫星导航系统的误差从来源上可以分为四类:与信号传播有关的误差、与卫星有关的误差、与接收机有关的误差以及与地球转动有关的误差。二、卫星定位技术2.GNSS定位原理3)GNSS数据误差差分GNSS的基本原理主要是在一定地域范围内设置一台或多台接收机，将一台已知精密坐标的接收机作为差分基准站，基准站连续接收GNSS信号，与基准站已知的位置和距离数据进行比较，从而计算出差分校正量。根据差分校正的目标参量的不同，差分GNSS主要分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。二、卫星定位技术3.差分GNSS定位技术1. 二、卫星定位技术位置差分示意图将坐标测量值与基准站实际坐标值的差值作为差分校正量，通过数据链路发送给车辆，与车辆的测量值进行差分改正。由于基准站与流动站必须观测同一组卫星，通常流动站与基准站间距离不超过100km。3.差分GNSS定位技术1)位置差分伪距差分示意图

通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的几何距离，并将其与观测所得的伪距比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其伪距修正值，然后将所有卫星的伪距修正值传输给流动站，流动站利用此误差来改正ＧNSS卫星传输测量伪距。二、卫星定位技术3.差分GNSS定位技术2)伪距差分载波相位差分技术的根本是实时处理两个测站的载波相位，与其他差分技术相比技术中基准站不直接传输关于GNSS测量的差分校正量，而是发送GNSS的测量原始值。实时动态(RTK)是一种利用接收机实时观测卫星信号载波相位的技术。结合了数据通信技术与卫星定位技术，采用实时解算和数据处理的方式，能够实现为流动站提供在指定坐标系中的实时三维坐标点，在极短的时间内实现高精度的位置定位。常用的RTK定位技术分为常规RTK和网络RTK。二、卫星定位技术3.差分GNSS定位技术3)

载波相位差分常规RTK示意图（I）常规RTK基准站通过数据通信链路将自己所获得的载波相位观测值及站坐标实时播发给在其周围工作的动态用户。流动站数据处理模块则通过动态差分定位的方式，确定流动站相对于基准站的位置，并根据基准站的坐标得到自身的瞬时绝对位置。二、卫星定位技术网络RTK示意图（2）网络RTK通过长时间GNSS静态相对定位等方法可以精确得到基准站的坐标，基准站GNSS接收机按一定采样率进行连续观测，通过数据通信链路将观测数据实时传送给数据处理中心，数据处理中心首先对各个站的数据进行预处理和质量分析，然后对整个基准站网的数据进行统一解算，实时估计出网内的各种系统误差的改正项(电离层、对流层和轨道误差)，并建立误差模型。二、卫星定位技术三、惯性导航定位技术惯性导航定位系统主要模块1.惯性导航定位系统－主要模块惯性导航定位系统是一种利用惯性传感器测量载体的角速度信息，并结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航定位系统。其主要由3个模块组成:惯性测量单元、信号预处理单元和机械力学编排模块。三、惯性导航定位技术

惯性测量单元结构图一个惯性测量单元包括3个相互正交的单轴加速度计和3个相互正交的单轴陀螺仪惯，惯性测量单元结构如图所示。信号预处理部分对惯性测量单元输出信号进行信号调理、误差补偿并检查输出量范围等，以确保惯性测量单元正常工作。1.惯性导航定位系统－结构单元三、惯性导航定位技术

惯性导航系统分类如图所示，惯性导航系统根据机械力学编排形式的不同，可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。1.惯性导航定位系统－分类三、惯性导航定位技术

惯性导航定位系统的原理2.惯性导航定位系统原理惯性导航定位系统是一种以陀螺仪和加速度计为感知元件的导航参数解算系统，应用，航迹递推算法提供位置、速度和姿态等信息，可以说是一个由惯性测量单元和积分器组成的积分系统。三、惯性导航定位技术加速度传感器和陀螺仪结合是就是惯性测量单元(IMU）一个测量速度，一个测量方向。IMU的一个重要特征在于它以高频率更新，其频率可达到10000Hz，所以IMU可以提供接近实时的位置信息。

IMU产品2.惯性导航定位系统原理三、惯性导航定位技术人在黑暗中走小碎步IMU的工作过程和人在黑暗中走小碎步很相似。在黑暗，由于人对自己步长的估计和实际走的距离存在误差，走的步数越来越多时估计的位置与实际的位置相差会越来越远。如图所示，第一步时，估计位置(黑颜色小人所在位置)与实际位置(白颜色小人所在位置)还比较接近；但随着步数增多，估计位置与实际位置的差别越来越大。图中的小人只朝一个方向移动，是一维的，推广到三维，就是惯性测量单元的工作过程。2.惯性导航定位系统原理三、惯性导航定位技术人在黑暗中走小碎步并修正GPS或BDS和IMU的融合是智能网联无人驾驶汽车一种重要的定位技术。结合上述，人在黑暗中走小碎步的过程，GPS的作用就类似于摸到东西之后对自己位置进行的修正，IMU的作用就类似于小碎步，不断地对自己的位置进行推算。不断地修正和不断地推算，就能保证自己的定位相对准确。2.惯性导航定位系统原理三、惯性导航定位技术GPS和IMU数据融合原理在智能网联无人驾驶汽车系统中，GPS的更新频率一般为10Hz，IMU的更新频率一般为100Hz。两者共同工作时，可以给出频率100Hz的定位输出。2.惯性导航定位系统原理三惯性导航定位技术GPS位置修正和IMU位置预测控制器上的软件对信息的处理流程在时间维度上类似图4-21所示。在0~100ms的周期中，使用IMU进行9次位置的估计，待新的GPS定位数据进来时，则进行修正，以此实现高频率的定位结果输出。GPS与IMU相辅相成地实现了无人驾驶汽车的准确定位。2.惯性导航定位系统原理三、惯性导航定位技术无人驾驶汽车的路径跟随有了100Hz的准确定位，智能网联汽车在处理路径跟随问题时，就能像图4-22所示的一样，保持极高频率的定位和控制。每走一小步，便重新进行转向盘转角的计算，进而控制汽车沿着既定的轨道行驶。2.惯性导航定位系统原理3.惯性导航定位系统的特点及应用三、惯性导航定位技术优点:不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统，隐蔽性好；不受外界电磁干扰影响，可全天候在全球任何地点工作，能提供位置、速度、航向和姿态角数据；所产生的导航信息连续性好而且噪声低，数据更新率高，短期精度和稳定性好。缺点:由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；每次使用之前需要较长的初始对准时间，目前设备的价格较昂贵；不能给出时间信息。四、地图匹配定位技术地图匹配效果示意图1.地图匹配定位系统1）地图匹配定位系统简介地图匹配定位技术是指将自动驾驶车辆行驶轨迹的经纬度采样序列与高精度地图路网匹配的过程。如图4-23所示，由于各种原因导致自动驾驶车辆定位信息存在误差，尽管车辆行驶在中间车道上，但定位结果与实际情况存在偏差，利用地图匹配定位技术可将车辆定位信息纠正回正确车道，提高定位精度。四、地图匹配定位技术地图匹配原理示意图地图匹配定位是在已知车辆的位姿信息条件下进行高精度地图局部搜索的过程。利用车辆装载的GNSS和INS做出初始位置判断，确定高精度地图局部搜索范围。将激光雷达实时数据与预先制作好的高精度地图数据变换到同一个坐标系内进行匹配，匹配成功后即可确认车辆定位信息。1.地图匹配定位系统2）地图匹配定位原理四、地图匹配定位技术高精度地图高精度地图是地图匹配定位有效应用的重要前提，也是智能驾驶系统自主导航、自动驾驶的重要前提。2.高精度地图1）概述四、地图匹配定位技术高精度地图与普通电子地图的区别高精度地图与普通电子地图的区别主要有以下几方面:精度、使用对象、数据维度、作用和功能、数据的实时性、高精度地图＝高鲜度＋高精度＋高丰富度。2.高精度地图1）概述四、地图匹配定位技术高精度地图信息可分为道路信息、规则信息、实时信息三部分。2.高精度地图2）高精度地图信息分类