2020智能网联汽车高精度卫星定位白皮书.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 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
7、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 Sa
8、telliteSystem,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
9、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
10、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)BDSBA
11、S-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
12、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 1
13、4h05m。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
14、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
15、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
16、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(Prec
17、ise 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
18、)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
19、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
20、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
21、.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-
22、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
23、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
24、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
25、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
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