2020智能网联汽车高精度卫星定位白皮书.pdf

智能网联汽车高精度卫星定位白皮书（2020 年版）中国智能网联汽车产业创新联盟自动驾驶地图与定位工作组2021 年 05 月目目录录引 言.1一、卫星导航定位系统发展概况.31.1 全球四大卫星导航定位系统.31.2 卫星导航定位技术概述.61.3 全球卫星导航产业现状.111.4 我国卫星导航产业结构与现状.12二、智能网联汽车定位系统产业发展概况.142.1 智能网联汽车定义.142.2 智能网联汽车分级及产业链.152.3 智能网联汽车政策法规.192.4 智能网联汽车中定位系统的意义与作用.212.5 智能网联汽车定位系统概述.23三、已量产的车载卫星定位应用方案.273.1 基于卫星的车载定位技术.273.2 车载卫星定位应用案例分析.35四、智能网联汽车对高精度卫星定位的新需求.414.1 高精度定位的必要性概述.414.2 高精度定位与高精度地图.454.3 高精度授时与车联网系统.484.4 高精度定位的指标需求.49五、智能网联汽车高精度卫星定位系统的探索性方案.535.1 智能网联汽车高精度卫星定位系统的关键问题.535.2 与新型电子电气架构的结合.685.3 满足功能安全的新设计.715.4 定位系统零部件的新设计.745.5 智能网联汽车高精度卫星定位在 L3/L4 车型上的应用.865.6 北斗三号系统带来的新机遇.122六、智能网联汽车卫星定位测试的现状.1266.1 智能网联汽车中对卫星定位测试的需求.1276.2 高精度卫星定位中的测试要点.1316.3 北斗三号测试要点.1416.4 智能网联汽车卫星定位测试的发展趋势.141七、未来趋势与建议.1437.1 智能网联汽车高精度卫星定位发展趋势.1447.2 智能网联汽车高精度卫星定位发展建议.147八、主要贡献单位.149第 1 页 共 152 页引引 言言汽车的电动化、智能化、网联化、共享化正在加速下一代汽车产业变革的到来，智能网联汽车已成为全球汽车产业发展的重要战略方向。当前，国内外大部分主机厂都在积极进行 L3 级自动驾驶车型的量产准备，均将2022年前后作为L3级自动驾驶汽车量产的时间节点，今年部分主机厂已宣称推出了具有 L3 级自动驾驶功能的智能网联汽车。2020 年，我国自主建设、独立运行的北斗三号全球卫星导航系统正式开通，各相关行业单位均在大力推广北斗系统的应用。智能网联汽车是北斗系统应用的一个重要领域，当前的车载定位和导航功能已经普遍应用，但高精度车规级定位技术尚未广泛应用，存在多种技术路线之争，高精度定位方案的技术实现与市场量产之间的矛盾尤为突出。从自动驾驶分级可以看出，L3 级自动驾驶是自动驾驶技术的分水岭，L3 级之前的自动驾驶系统仍然为辅助功能，对高精度定位非硬性需求；从 L3 级开始标志着进入自动驾驶阶段，车辆的部分控制权甚至全部控制权会被交给系统，自动驾驶车辆对定位的精度要求必须达到亚米级甚至厘米级，因此，L3 级及以上自动驾驶车辆离不开安全、稳定、可靠的高精度位置信息。但是，对于 L3 级及以上等级自动驾驶车辆，从环境感知、决策执行到网联通信等诸多环节，均存第 2 页 共 152 页在不同技术方案和路线，不确定性和投入风险较大。其中，高精度定位技术方案的技术实现与市场量产之间的矛盾尤为突出。比如：高精度卫星定位在车辆整体高精度定位解决方案中所占的重要程度和权重未知，满足要求的高精度定位综合方案成本与量产车型架构、功能安全需求暂时不匹配，高精度卫星定位的软硬件部分在不断演进的电子电气架构中所处的位置尚不确定等。本白皮书旨在解决 L3 级及以上高级别智能网联汽车高精度卫星定位的相关问题，介绍了当前智能网联汽车主流高精度定位方案，从主机厂对 L3 级及以上自动驾驶车辆高精度卫星定位的指标需求，分析了智能网联汽车高精度卫星定位技术方案及未来发展趋势，探索了对功能安全的需求以及与电子电气架构的位置关系，提出了高精度卫星定位在 L3 级及以上自动驾驶量产中的解决方案，介绍了智能网联汽车卫星定位测试现状，为后续智能网联汽车高精度定位相关标准的制定及方案选择提供参考，共同推动我国智能网联汽车行业发展。第 3 页 共 152 页一一、卫星导航定位、卫星导航定位系统系统发展概况发展概况1.1 全球四大卫星导航定位系统全球四大卫星导航定位系统全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），是能为地球表面或近地空间任何地点提供全天候定位、导航、授时（PNT）的空基无线电导航定位系统。2007 年，联合国将美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System，Galileo）以及我国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation SatelliteSystem，BDS）确定为全球四大卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗系统建设按照“三步走”发展战略：2000 年，建成北斗一号系统，向中国提供有源服务；2012 年，建成北斗二号系统，向亚太地区提供无源服务；2020 年，建成北斗三号系统，向全球提供无源服务。计划 2035年，以北斗系统为核心，建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时 PNT 体系。2020 年 6 月 23 日，北斗三号全球卫星导航系统最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。2020 年 7 月 31 日，习近平总第 4 页 共 152 页书记向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成，北斗迈进全球服务新时代。北斗三号系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，由 24 颗地球中圆轨道卫星（MEO）、3 颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和 3 颗地球静止轨道卫星（GEO）组成，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显。北斗三号系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。北斗系统具备导航定位和通信数传两大功能，提供七种服务：面向全球范围，提供定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）三种服务；在中国及周边地区，提供星基增强表表 1.1-1 北斗系统服务规划北斗系统服务规划服务类型服务类型信号信号/频段频段播发手段播发手段全球范围定位导航授时（RNSS）B1I、B3I3GEO+3IGSO+24MEOB1C、B2a、B2b3IGSO+24MEO全球短报文通信（GSMC）上行：L下行：GSMC-B2b上行：14MEO下行：3IGSO+24MEO国际搜救（SAR）上行：UHF下行：SAR-B2b上行：6MEO下行：3IGSO+24MEO中国及周边地区星基增强（SBAS）BDSBAS-B1C、BDSBAS-B2a3GEO地基增强（GAS）2G/3G/4G/5G移动通信网络、互联网络精密单点定位（PPP）PPP-B2b3GEO区域短报文通信（RSMC）上行：L下行：S3GEO注：中国及周边地区即东经 75 度至 135 度，北纬 10 度至 55 度第 5 页 共 152 页（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）四种服务。北斗系统服务规划如表 1.1-1 所示。GPS 系统由美国国防部负责建设运营，目前在轨服务卫星 32 颗，整个星座由 6 个均匀分布、倾角为 55的轨道面组成，轨道周期为11h58min。目前，GPS 主要信号为 L1、L2 和 L5，其中 L1C 和 L5C为兼容互操作信号。GLONASS 由前苏联设计建设，由 24 颗均匀分布在 3 个轨道面上的卫星组成，其轨道高度约为 19,140km，轨道倾角为 64.8，轨道周期 11h16min。GLONASS 主要采用频分多址信号（FDMA），新一代 GLONASS 将支持码分多址信号（CDMA）。Galileo 由欧盟发起，由欧空局（ESA）和欧洲卫星导航局（GSA）共同运作的全球导航卫星系统。整个星座计划由 30 颗（其中 3 颗备用）轨道高度为 23,222km 的 MEO 卫星组成。卫星均匀分布在三个倾角为 56的轨道面上，轨道运行周期为 14h05m。目前在轨 26 颗，正常服务 24 颗。卫星导航系统具有高精度、高动态、实时性、连续性、全天候、全球性等特点，并由三个部分组成，分别是空间段、地面段和用户段。空间段就是部署在太空中的导航卫星星座，向地面连续的广播无线电导航信号；地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，负责监控管理导航卫星；用户段就是用户接收设备包括北斗及第 6 页 共 152 页兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。全球卫星导航系统进入多星座多频模式，GNSS 兼容互操作是发展的趋势。同一颗卫星导航定位芯片可以同时接收多个不同系统和频点的信号，目前全球在轨卫星超过 130 颗，用户在任何时刻都可以接收 30 颗以上的导航卫星，大大提高了卫星导航系统的定位精度、可用性和连续性。1.2 卫星导航定位技术概述卫星导航定位技术概述全球卫星导航定位系统定位基于动态空中后方距离交会原理。用户接收设备在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号，测量出至三颗卫星的距离，分别以卫星为球心，距离为半径画球面，三个球面相交得到两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户自身位置。由于用户接收设备和卫星两者间存在时钟误差，会使得卫星和接收设备之间的测量距离产生误差，实际在解定位方程时可把时钟差当作一个未知量，因此方程中其实含有四个未知变量（三维位置坐标和时钟差），所以目前接收设备需要获得 4 颗及以上卫星的伪距离测量，才可以求解出其自身的空间坐标。基于北斗/GNSS 的应用技术主要包括两大类：一是以提升用户GNSS 接受设备启动效率、GNSS 长周期应用连续性可靠性为目标的辅助定位技术，主要包括辅助 GNSS 技术（A-GNSS）：结合第 7 页 共 152 页GSM/GPRS/LTE/5G 与传统卫星定位，利用全球若干 GNSS 观测站搜集全星座星历信息，并利用 GSM/GPRS/LTE/5G 传送卫星辅助信息至用户以缩减北斗/GNSS 接受设备的热启动时间，可实现若干秒首次捕获 GNSS 星历信号；长周期星历技术：利用 GNSS 轨道钟差长周期预报技术，实现 GNSS 长周期（一般为 7 天）轨道钟差预报，并通过通信 链 路 传 送 至 导 航 用 户 设 备，实 现 在 无 人 区、山 区 等 无GSM/GPRS/LTE/5G 网络信号覆盖环境下的 GNSS 星历及卫星信号接收，实现基本定位服务。二是以提升用户定位精度为目标的高精度应用技术，传统的普通单点定位的精度在米级甚至十米以上，为提高卫星导航系统的定位精度，满足用户对高精度定位的需求，出现了高精度卫星定位技术。主要包括以基于网络 RTK 技术的连续运行参考站系统（CORS）为代表的地基增强技术、以美国广域增强系统（WAAS）为代表的区域星基增强系统以及基于实时精密单点定位技术（Precise Point Positioning，PPP）的商业全球星站差分增强技术。1.2.1 差分定位技术差分定位技术差分定位技术利用两台接收机（一般称为基准站接收机与移动站接收机）同时观测卫星信号，利用误差的空间相关性（即在一定基线距离条件下，两台接收机所观测的同一颗卫星其误差基本相同）进行差分计算，有效地消除或降低两站接收机间的公共误差部分，包括星第 8 页 共 152 页钟误差、星历误差、电离层误差和对流层误差，从而提高了接收机定位精度。差分定位技术可分为：伪距差分 RTD（Real Time Differential）与载波相位差分 RTK（Real Time Kinematic）。（1）伪距差分技术伪距差分技术是差分定位方案中使用最成熟的技术。其原理是：基准站接收机通过卫星信号解码得到伪距测量值，然后再利用基准站的已知坐标及卫星星历信息，计算出基准站到卫星的真实几何距离，求出该距离与伪距测量值的差值即伪距测量误差，基准站利用数据链将此差值发送给移动站接收机，移动站接收机利用此差值修正其伪距，再进行定位解算，获得其准确位置。此技术可实现亚米级定位精度。（2）载波相位差分技术载波相位差分技术的原理是：基准站和移动站的接收机不断的对相同的卫星进行监测，并且移动站在接收观测到可视卫星信号的同时，基准站通过数据链将载波相位测量值实时发送给移动站接收机，移动站接收机将自身的载波相位测量值与所接收的载波相位测量值实时进行数据处理，解算出自身的空间坐标，完成高精度定位，载波相位差分的定位精度可达到厘米级。1.2.2 精密单点定位技术精密单点定位技术精密单点定位（PPP）技术由美国喷气动力实验室（JPL）Zumberge第 9 页 共 152 页于 1997 年提出，在技术的提出与实现为基于实时 PPP 的商业全球星站差分增强技术发展提供了基础。PPP 技术集成了 GNSS 标准单点定位和相对定位的技术优点，已发展成为一种新的 GNSS 高精度定位方法。PPP 技术仅使用单个接收机即可提供高精度定位，PPP 解决方案依赖于从连续运行参考站（CORS）网络生成的 GNSS 卫星时钟和轨道校正，通过卫星或互联网将其发送给用户，无需地面基站即可获得分米级或厘米级的实时定位。PPP 技术的主要局限性在于它较难解决载波相位整周模糊度，而是使用对它们的估计值，这导致需要较长的初始化时间来解决任何局部误差，如大气条件、多径和星座几何形状等，初始化时间一般在 5-30 分钟。PPP 技术原理示意图如图 1.2-1 所示。当前较为成熟的为 Trimble 公司 RTX、OmniSTAR、英国 Subsea7公司的VERPOS、美国NavCom公司StarFire系统、NovAtel TerraSTAR等。图图 1.2-1PPP 技术原理示意图技术原理示意图第 10 页 共 152 页1.2.3 PPP-RTK 技术技术PPP-RTK 技术综合了 PPP 和 RTK 技术的优势，是未来高精度卫星定位技术的发展趋势。PPP-RTK 技术基于空间状态域表达（SSR），利用广域基准站生成高精度轨道、钟差、偏差等信息，利用区域增强站生成区域大气延迟（电离层、对流层等），通过链路（卫星、互联网等）提供给用户以实现快速收敛高精度定位。PPP-RTK 提供的高精度大气延迟改正信息及偏差参数，在用户端可实现瞬时模糊度收敛及固定，实现与网络 RTK 相媲美的定位效果。PPP-RTK 技术比标准PPP 缩短了收敛时间，一般在 1-10 分钟的范围内，在某些应用中，甚至可以在几秒钟内完成。PPP-RTK 技术所需的地面基准站点的数量比 RTK 技术要少很多，一般网络 RTK 基准站点间距离为 30-60km左右，PPP-RTK 技术所需基准站点间距离约为 100-200km。近年来，由于对地面基准站点数量建设的要求较低以及具有基于状态空间表示（SSR）的单向通信优势，PPP-RTK 得到越来越多关注。与此技术路线相近的服务有天宝 RTX Fast、NovAtel TerraSTAR X、日本 QZSS 的 CLAS、Sapcorda SAPA 服务。国内公司正按此技术路线开展服务研发与建设。卫星高精度定位技术演进路线如图 1.2-2 所示。综上，卫星导航定位技术经历了三代发展，目前逐步进入第四代：第一代以标准伪距单点定位（SPP）、伪距差分定位（RTD）为代表，第 11 页 共 152 页图图 1.2-2 卫星高精度定位技术演进卫星高精度定位技术演进单点定位精度一般为 1-10 米。第二代以单站 RTK 技术、精密单点定位技术为代表，精度可实现亚米到厘米级定位。第三代以网络 RTK技术、精密单点定位技术为代表，可提供局部范围、广域范围分米到厘米级精密定位。第四代为广域区域统一的精密定位技术，即PPP-RTK，可实现广域范围、无源、实时高精度定位。1.3 全球卫星导航产业现状全球卫星导航产业现状全球卫星定位导航市场发展迅速，GNSS 市场未来十年仍将稳定增长。从全球来看，包括设备收入、增强服务收入以及与 GNSS 直接相关的增值服务等在内的国际市场保持了良好增长态势，预期未来十年还将稳定增长。据欧洲全球导航卫星系统局(GSA)发布GNSS 市场报告（2019）显示，2019 年全球 GNSS 设备总销量超过 17 亿台/套，GNSS 终端社会保有量为 64 亿台/套，全球 GNSS 市场服务总收入达到 1500 亿欧元。预计 2029 年，GNSS 设备销量会达到 28 亿第 12 页 共 152 页台/套，保有量达到 95 亿台/套，设备和服务收入增长到 3244 亿欧元，2019-2029 年 CAGR 为 8%。亚太地区是 GNSS 最具增长活力的市场，亚太地区的 GNSS 终端保有量将达到 51 亿台，占全球总量的 53.5%，产值更是将达到 1060 亿欧元，约占全球总产值的 1/3。交通场景占比达到 55%，主要营收来自于车内导航系统（IVS）和高级驾驶辅助系统（ADAS）。1.4 我国卫星导航产业结构与现状我国卫星导航产业结构与现状我国北斗卫星导航系统组网完成，市场规模快速增长。近年来，北斗卫星定位服务得到快速广泛的应用。自 2011 年以来，我国卫星导航与位置服务产业总产值增长迅速，根据中国卫星导航定位协会发布的2020 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书数据显示，2019 年中国卫星导航与位置服务产业总体产值达 3450 亿元，较 2018年增长 14.4%。其中，与卫星导航技术研发和应用直接相关的，包括芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备、基础设施等在内的产业核心产值增速下降明显，同比仅增长 9.1%，为 1166 亿元，在总产值中占比为 33.8%，北斗应用进一步普及，对核心产值的贡献率超过 80%。同时，据相关产业调研和统计分析，随着“北斗”和“北斗”应用的深入推进，由卫星导航衍生带动形成的关联产值继续保持较高。目前，我国卫星导航与位置服务领域企事业单位数量保持在第 13 页 共 152 页14000 家左右，从业人员数量超过 50 万。截至 2019 年底，业内相关上市公司（含新三板）总数为 46 家，上市公司涉及卫星导航与位置服务的相关产值约占全国总产值的 9。目前，我国卫星导航与位置服务产业结构趋于成熟，已形成包括卫星导航基础产品、应用终端、运行服务等较为完整的卫星导航产业体系，国内产业链自主可控、良性发展的内循环生态已基本形成，正在从行业应用拓展到大众应用，呈现快速发展局面。高精度应用是卫星导航系统发展的趋势之一，国内市场需求不断攀升。我国高精度卫星导航定位应用始于上世纪末，外国厂商向中国市场推广其成熟的高精度 GPS 产品和方案。通过引进国外技术和自主研发，我国高精度卫星导航定位设备已实现核心技术自主化，性能指标与国际水平相当。2019 年，北斗高精度卫星定位芯片性能再上新台阶，22 纳米双频定位芯片已具备市场化应用条件，全频一体化高精度芯片也已经进入投产阶段。国产高精度卫星导航设备的国内市场份额从不到 10%升至 90%以上，其中国产高精度板卡和天线销量占比分别达到国内市场总量的 30%和 90%数据来源2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书，已经主导了国内市场。2019 年国内各类高精度接收机终端销量超过 20 万台/套，其中国产高精度接收机销量已占到 50以上；高精度天线出货量 31 万只，其中国内生产的天线超过 24.4 万只；高精度相关产品销售收入从 2010 年的 11第 14 页 共 152 页亿元人民币增长到2019 年的74.8亿元人民币，复合增长率达23.7，应用领域也在不断扩大，比如地质灾害监测、驾考驾培、农业拖拉机、测绘无人家、自动驾驶汽车等。随着中国北斗卫星导航系统建设步入快车道，相关关键技术全面突破，北斗卫星导航定位在应用方面更是遍地开花，除交通、海事、电力、民政、气象、渔业等传统行业外，北斗应用也走向普通民众生活，共享单车，双频北斗高精度智能手机等落地产品日益丰富。二二、智能网联汽车定位系统产业发展概况、智能网联汽车定位系统产业发展概况2.1 智能网联汽车定义智能网联汽车定义当前，以智能化、网联化为重要特征的全球新一轮科技革命和产业变革正蓬勃兴起，人工智能与新一代信息技术的快速发展将推动汽第 15 页 共 152 页车产业和出行方式发生深刻的变化。从狭义上讲，智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络、人工智能等技术，实现车与X（车、路、人、云等）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车。从广义上讲，智能网联汽车是以车辆为主体和主要节点，融合现代通信和网络技术，使车辆与外部节点实现信息共享和协同控制，以达到车辆安全、有序、高效、节能的新一代多车辆节能汽车。2.2 智能网联汽车分级及产业链智能网联汽车分级及产业链我国智能网联汽车分级从技术层面划分为智能化和网联化两个方面。智能化是指车辆依靠自身配置的多种传感器（GNSS/IMU、摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等），能够自主感知获取和分析车辆内外部信息，为驾驶员提供辅助决策或者进行自主决策处理；网联化是指车辆采用新一代移动通信技术（LTE-V、5G 等），实现车辆位置信息、车速信息、外部信息等车辆信息之间的交互，并由控制器进行计算，通过决策模块计算后控制车辆按照预先设定的指令行驶，进一步增强车辆的智能化程度和自动驾驶功能。“智能化+网联化”融合发展，以系统最终代替人类实现全部自动驾驶任务为终极目标。第 16 页 共 152 页2020 年 03 月 9 日，工业和信息化部发布 汽车驾驶自动化分级推荐性国家标准报批稿，并于 2021 年 1 月 1 日起实施。汽车驾驶自动化分级 将汽车自动驾驶分为六级：0 级驾驶自动化（应急辅助）、1 级驾驶自动化（部分驾驶辅助）、2 级驾驶自动化（组合驾驶辅助）、3 级驾驶自动化（有条件自动驾驶）、4 级驾驶自动化（高度自动驾驶）和 5 级驾驶自动化（完全自动驾驶）。驾驶自动化等级与划分要素的关系如表 2.2-1 所示：表表 2.2-1 智能网联汽车网联化等级智能网联汽车网联化等级分级名称车辆横向和纵向运动控制目标和事件探测与响应动态驾驶任务接管设计运行条件0 级应急辅助驾驶员驾驶员及系统驾驶员有限制1 级部分驾驶辅助驾驶员和系统驾驶员及系统驾驶员有限制2 级组合驾驶辅助系统驾驶员及系统驾驶员有限制3 级有条件自动驾驶系统系统动态驾驶任务接管用户（接管后成为驾驶员）有限制4 级高度自动驾驶系统系统系统有限制5 级完全自动驾驶系统系统系统无限制aa排除商业和法规因素等限制智能网联汽车产业是汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新型产业形态。智能网联汽车涉及汽车、信息通信、交通等多领域技术，其技术架构较为复杂，2016 年节能与新能源汽车技术路线图提出了“三横两纵”式技术架构。“三横”是指智能网联汽车主要涉及的车辆关键技术、信息交互关键技术和基础支撑关键技第 17 页 共 152 页术，“两纵”是指支撑智能网联汽车发展的车载平台和基础设施，基础设施包括交通设施、通信网络、大数据平台、定位基站等，将逐步向数字化、智能化、网联化和软件化方向升级，支撑智能网联汽车发展。2019 年以来启动了路线图编制更新，对技术架构进行了完善，在 2020世界智能网联汽车大会上发布了智能网联汽车技术路线图 2.0，最新技术架构如图 2.2-1 所示。例如，在车辆关键技术中增加了系统图图 2.2-1智能网联汽车智能网联汽车“三横两纵三横两纵”技术架构技术架构设计技术，具体有电子电气架构、人机交互、计算平台技术；对信息交互关键技术进行了比较大的更新完善，提出了专用通信与网络技术、大数据云控基础平台技术、车路协同技术、智能道路技术；在基础支撑关键技术中补充增加了人工智能技术与安全技术，后者包括了信息安全、功能安全和预期功能安全。第 18 页 共 152 页智能网联汽车的出现带来的是一种新的商业模式、新的产业生态。随着 ICT 技术、大数据、AI、云技术的高速发展，打破了汽车行业传统的产业链结构，新型科技公司及新的供应商关系不断出现，传统 Tier1 及新型科技公司等供应商们正在积极谋求与车企共同开发的合作关系，各方跨界合作动作频繁，智能网联汽车产业链上的企业之间正在通过深度合作，优势互补，形成新型战略合作伙伴关系，而不是单纯的采购与供应关系，上下游供应的界限不断模糊。经过几年的发展，智能网联汽车产业链形态已逐步清晰，形成了上、中、下游的产业协同关系。其中上游包括感知系统、决策系统、执行控制系统、通信系统等关键系统，其中，激光雷达、毫米波雷达、定位导航（卫星定位、惯性导航、寻迹定位）等属于复杂环境感知系统；中游包括自动驾驶解决方案商、智能网联汽车整车制造等环节；下游包括出行服务、物流服务、数据增值、平台运营等应用服务商。根据智能网联汽车技术路线图 2.0，到 2025 年，PA（部分自动驾驶）、CA（有条件自动驾驶）级智能网联汽车有望占当年汽车市场销量超过 50%，HA（高度自动驾驶）级智能网联汽车开始进入市场，C-V2X 终端新车装配率达 50%，网联协同感知在高速公路、城市道路节点（如交叉路口、匝道口）和封闭园区实现成熟应用，具备网联协同决策功能的车辆进入市场。在高速公路、专用车道、停车场等限定场景及园区、港口、矿区等封闭区域实现 HA 级智能网联汽第 19 页 共 152 页车的商业化应用。到 2030 年，PA、CA 级智能网联汽车占当年汽车市场销量接近 70%，HA 级占比超过 20%。到 2035 年，高速快速公路、城市道路的基础设施智能化水平满足 HA 级智能网联汽车运行要求，各类高度自动驾驶车辆广泛运行于中国广大地区。2.3 智能网联汽车政策法规智能网联汽车政策法规智能网联汽车产业的发展离不开各方政策的大力支持。国外方面，近几年，美国、日本、欧洲等国家和地区都相继出台了促进智能网联汽车发展的政策法规，为智能网联汽车的发展扫除障碍，构建有利的发展环境。美国交通部发布自动驾驶汽车 1.0-4.0，同时各州出台政策，允许自动驾驶汽车在加州开放道路展开测试，并远程监控，2020年发布了面向 2025 年的智能交通发展规划。欧洲在智能网联汽车方面的发展相对比较保守，先后出台了通往自动化出行之路：欧盟未来出行战略通用数据保护条例自动驾驶测试法（草案）等政策法规，并依托现有辅助驾驶和自动驾驶技术，启动 AdaptIVe 研究项目、Horizon2020 计划和 C-ITS 战略，布局拥堵辅助、自动泊车、协同式卡车列队等技术研发。日本在 2018 年相继颁布了自动驾驶相关制度整备大纲和自动驾驶汽车安全技术指南，分别就 L3级自动驾驶事故责任和 L3/L4 级自动驾驶的安全条件做出明文规定，打造自动驾驶系统零人身事故的社会，国家自动驾驶研发计划（SIP）持续深入，开展半动态和动态数据的采集和测试，逐步将测试领域从第 20 页 共 152 页高速公路延伸至社会道路，初步实现基于自动驾驶的物流和驾乘服务。我国高度重视智能网联汽车产业的发展，智能网联汽车成为关联众多重点领域协同创新、构建新型交通运输体系的重要载体，并在塑造产业生态、推动国家创新、提高交通安全、实现节能减排等方面具有重大战略意义，已经上升到国家战略高度。工业和信息化部、交通运输部、科学技术部、发展改革委、公安部等部委出台一系列规划及政策推动我国智能网联汽车发展。我国在智能网联汽车产业方面的部分政策规划如表 2.3-1 所示。表表 2.3-1我国在智能网联汽车产业方面的部分政策规划我国在智能网联汽车产业方面的部分政策规划时间时间政策政策2017 年 4 月工信部、发改委、科技部联合印发汽车产业中长期发展规划2017 年 12 月工信部、国家标准化管理委员会共同组织制定国家车联网产业标准体系建设指南 系列文件，旨在发挥标准在车联网产生生态环境构建中的顶层设计和基础引领作用2018 年 5 月工信部、公安部、交通部三部委联合发布了智能网联汽车道路测试管理规范（试行），是我国各地具体组织开展智能网联汽车道路测试工作的指导性文件2018 年 12 月工业和信息化部关于印发车联网（智能网联汽车）产业发展行动计划，提出，将充分发挥政策引领作用，分阶段实现车联网（智能网联汽车）产业高质量发展的目标2020 年 4 月工信部印发2020 年智能网联汽车标准化工作要点，以推动标准体系与产业需求对接协同、与技术发展相互支撑，建立国标、行标、团标协同配套新型标准体系为重点，促进智能网联汽车技第 21 页 共 152 页术快速发展和应用，充分发挥标准的引领和规范作用，支撑我国汽车产业转型升级和高质量发展2020 年 2 月发改委正式印发智能汽车创新发展战略，指出到 2025 年，中国标准智能汽车的技术创新、产业生态、基础设施、法规标准、产品监管和网络安全体系基本形成。实现有条件自动驾驶的智能汽车达到规模化生产，实现高度自动驾驶的智能汽车在特定环境下市场化应用2020 年 7 月交通运输部组织编制 国家车联网产业标准体系建设指南（智能交通相关）（征求意见稿），推动国家车联网产业标准体系建设，为打造自主可控、具有核心技术、开放协同的车联网产业提供支撑2020 年 10 月国务院办公厅印发 新能源汽车产业发展规划(20212035 年)，提出加强新能源汽车核心技术攻关，推动北斗等卫星导航系统在高精度定位领域应用，推动新能源汽车产业高质量发展，加快汽车强国建设2.4 智能网联汽车中定位系统的意义与作用智能网联汽车中定位系统的意义与作用定位系统或称为自定位系统（Localization）在智能网联汽车中不可或缺，是智能网联汽车感知和决策的基础，其主要解决“我在哪”的问题。智能网联汽车定位系统在智能网联汽车场景中具有重要意义和作用：（1）根据场景以及定位性能的需求不同，智能网联汽车定位方案是多种多样的。在大多数的智能网联汽车应用场景中，通常需要通过多种技术的融合来实现精准定位，包括 GNSS、无线电（例如蜂窝网、局域网等）、惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,IMU）、传感第 22 页 共 152 页器以及高精度地图。其中，GNSS 是最基本的定位方法，也是提供初始绝对位置信息的唯一手段。考虑到 GNSS 技术在隧道、高架桥、地下停车场等遮挡或室内场景的不稳定（或不可用），其应用场景受限于室外环境。基于其他方式的定位是车辆定位的另一种常见方法，然而高成本和对环境的敏感性也限制了其应用前景。通常，GNSS 等单一技术难以满足现实复杂环境中车辆高精度定位的要求，无法保证智能网联汽车定位的稳定性。因此会结合其他一些辅助方法例如蜂窝网定位、惯导、雷达、摄像头、高精度地图等，通过多源数据融合保障车辆随时随地的定位精度。（2）智能网联汽车定位系统有助于高精度地图的绘制和更新。高精度定位需要有与之匹配的高精度地图才有意义。从定位技术上，对于摄像头、雷达等传感器定位，需要有相应的高精度地图进行匹配，以保证实现厘米级的定位。另外，从车联网业务上，路径规划、车道级监控和导航，也需要高精度地图与之配合才能实现。因此，为保证高精度地图数据的鲜度、精度以及信息封堵，需要根据智能网联汽车定位系统定期进行更新以保证高精度的定位性能和业务需求。因此，智能网联汽车的导航系统，在高精度地图、高精度定位的基础上，充分利用高精度地图提供的静态、准静态、甚至动态道路信息，利用车载传感器获取的动态信息，通过更加智能、精确、丰富信息的路径规划算法，为智能网联汽车的实现提供道路指引。智能网联第 23 页 共 152 页汽车的不断发展，对导航系统也不断提出更高的要求：1）定位系统根据智能网联汽车具体的功能要求，需要提供车道级甚至厘米级的高精度定位；2）地图信息需要更加丰富、精确的道路环境信息，比如道路中交通元素的形状、位置特征等，以实现辅助环境感知、车道级路径规划等功能；3）路径规划算法需要规划出高精度、连续的轨迹。相比于传统导航的米级定位精度，智能网联汽车更需要增加车道级的路径规划、路口轨迹的连接、辅助环境感知信息的提取等，而以上功能的实现必然不能缺少定位系统提供的输出定位信息。2.5 智能网联汽车定位系统概述智能网联汽车定位系统概述智能网联汽车定位技术按定位技术原理不同可分为三类：基于GNSS 信号的定位、航迹推算、环境特征匹配。2.5.1 基于基于 GNSS 信号信号基于GNSS信号的定位是指通过接收全球GNSS卫星导航信号来进行定位。普通 GNSS 单点定位精度一般在 5-10 米（据测试，实际普通 GNSS 在开阔地带单频单模单点定位精度在 2.5 米左右），远远不能满足 L3 级及以上自动驾驶定位要求需求。通过前面 1.2 节对高精度卫星定位技术的分析，为了达到更高的卫星定位精度，目前自动驾驶普遍采用 RTK 的卫星增强定位技术。该技术方案具有全球覆盖、全天候全天时可用、定位精度高、使用简便等优点，在空旷无遮第 24 页 共 152 页挡、卫星信号好的区域能够实现对车辆的厘米级定位。然而，其在使用过程中也存在一些问题，比如易受电磁环境干扰以及信号遮挡、信号多径效应、传输网络环境差的影响等，从而影响定位精度和定位系统的可用性。另外，每个 RTK 地面基准站点的覆盖距离约 40km，为了达到国内大部分面积覆盖需要建立 3000 个左右的地面基准站，初期建设难度及后期维护成本高。2.5.2 航迹推算航迹推算通过惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU），主要包含陀螺仪和加速度计，航迹推算的定位可以测量出运动物体的角速度和加速度，再对时间的积分得到运动主体移动的距离和方位，从而推算出当前位置的方法。该技术方案具有自主导航、不受外部依赖、输出频率高（大于 100Hz），可以提供短时高精度的定位结果的优点。其缺点是误差会随着时间不断累积，导致位置和姿态的测量结果偏离实际位置，因此无法用来做长时间的高精度定位，且高性能 IMU 价格昂贵。特别是，在我国部分较长公路的隧道中，会由于长时间接收不到 GNSS 卫星信号，位置误差会随着时间的积累越来越大，无法进行长时间精准定位。航位推算的另一种常见方式是使用视觉里程计或激光雷达里程计，对不同数据帧之间的旋转和平移进行估计。视觉里程计是通过车载摄像头或移动机器人的运动所引起的图像的变化，以逐步估计车辆第 25 页 共 152 页姿态的过程。其基本假设前提是环境照明充足、静态场景相对动态场景较多、有足够的纹理来提取明显的运动、连续帧之间有足够的场景是重叠的。满足这些假设条件之后才能根据相邻帧图像来估计相机的运动。视觉里程计主要方法分为特征点法和直接方法。其中，特征点法视觉里程计以提取图像中的特征点为基础，能够在噪声较大、相机运动较快时工作，但地图则是稀疏特征点；直接法根据像素的亮度信息，估计相机的运动，可以不用计算关键点和描述子，避免了特征的计算时间，也避免了特征的缺失情况。相比于特征点法只能重构稀疏特征点（稀疏地图），直接法还具有恢复稠密或半稠密结构的能力，但直接法存在着计算量大、鲁棒性不好的缺陷。视觉里程计通过提取和匹配两帧图像中的特征点获得相邻帧图像之间的位姿变化，激光里程计常用的是迭代最近点（Iterative Closest Point，ICP）算法及其衍生算法以及正态分布变换（Normal Distr