GNSS+IMU卫惯高精定位产品介绍

Summary

• 了解GNSS卫星定位和IMU定位的原理、主要技术及差异
• 行业主要软、硬件方案、验证方案、供应商

名词解释：

• GNSS：Global Navigation Satellite System 全球卫星导航系统
• IMU：Inertial Measurement Unit 惯性测量单元
• DR：Dead Reckoning 航迹推算
• TCM：Tightly Coupled Algrithm 紧耦合算法
• LCA：Loose Coupled Algrithm 松耦合算法
• OSR：Observation Space Representation 观测空间域
• SSR：State Space Representation 状态空间域
• PL：Protection Level
• AL：Alarm Limit
• Fix：固定解
• Float：浮点解
• GT：Ground Truth 真值设备
• CEP：Circular Error Probable 圆概率误差

1. 概念澄清：

Q1：GPS、卫星定位、GNSS是一个事儿吗？
A1：GNSS = (GPS美国、Glonass俄罗斯格洛纳斯、Beidou中国北斗、Galileo欧洲伽利略、QZSS日本准天顶……）

Q2：双天线、双频天线？双频天线（L1+L2 or L1+L5）如何选？
A2：

Q3：松耦合、紧耦合（紧组合）算法？
A3：

Q4：定位结果准不准，如何确定？如果跟基准相比，那什么是基准？如何确定基准就是基准？
A4：

Q5：路上经常看到车顶的蘑菇头天线宝宝是什么？
A5：

Q6：没声音再好的戏也出不来，那没有卫星信号怎么定位？
A6：

Q7：如何确认质量、安全？什么是完好性？
A7：

1. 有关卫星高精定位那些事儿（应用场景：开阔环境）
1. 一句话总结如何利用卫星定位：

车载天线接收卫星信号，根据卫星信号输入，计算误差；将误差发送给车端进行融合解算（消除误差），从而实现绝对定位（经纬度坐标）

1. 定位原理

最少四颗卫星做高精定位：

• 距离L = 速度v * 时间t
• 三星确定空间：三线确定距离，定位3D空间2个点（保留近地点，舍去远地点）
• 一星确定时间：时间戳精度

1. 什么是OSR（藕色肉） Vs. SSR(酸酸乳)？
1. OSR

1. SSR(需接收机硬件芯片支持L-Band，出海运营所需)

1. OSR与SSR对比

1. 硬件
2. 天线
1. 常见车载天线的位置

1. 车载天线的形态
1. 鲨鱼鳍天线长啥样？

1. 盒式天线长啥样？

1. 陶瓷天线长啥样？（天线的核心，其他都是浮云）

1. 双频天线 ≠ 双天线 ：

• 双频天线：L1+L2 or L1+L5 (通常建议L1+L5，天线选型要与GNSS芯片波段匹配)

• 双天线：加快低速时车身定姿

1. IMU（应用场景：有遮挡环境）
1. 什么是IMU（I am You）？

• 三轴陀螺仪
• 三轴加速度计
• 三轴磁力计（磁力计的原理跟指南针原理类似，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

1. 加速度计（感知xyz方向的加速度）

1. 陀螺仪（感知xyz方向的车身姿态）

yaw()：航向，将物体绕Y轴旋转（localRotationY）

pitch()：俯仰，将物体绕X轴旋转（localRotationX）

roll()：横滚，将物体绕Z轴旋转（localRotationZ）

1. 市面上主要IMU型号对比

量程、温漂、零偏稳定性、输出频率等参数为IMU选型需重点考虑参数

主要厂商： 博世（Bosch）、意法半导体（STMicroelectronics）、InvenSense、(TDK)
6DOF 代表型号：MPU6050，ICM20608
9DOF 代表型号：MPU9250,ICM20948,BNO055

1. IMU如何做定位

• 应用场景：有遮挡场景，如：隧道、地下车库、林荫路等
• 工作方式：DR（Dead Reckoning）航迹推算：根据 t 时刻车身的加速度，推算 t+1 时刻的位置
• 弊端：误差累积，一般在自动驾驶场景需求：跑车100m、200m的RMS累积误差控制在XXm范围内

1. IMU标定和测试
1. SMT EMS工厂：

带温箱转台测试

线性加速度模拟转台

1. 整车下线绕8字：
1. 加减速
2. 转弯

1. 软件算法类型：

• 纯RTK (即：GNSS）
• 纯DR (即：IMU）
• RTK + DR (即：GNSS + IMU融合定位）
• 其中若采用高通芯片，自带DR算法，命名为QDR （黑盒）

1. 什么是紧组合算法和松组合算法？
1. 松组合算法：

将INS和GPS接收机各自输出的位置/速度解算值做差，差值作为组合导航融合滤波器的输入，从而通过滤波器来估计出INS的误差，再利用估计误差来对惯导结果进行修正，最终得到松耦合导航的输出结果

1. 紧组合算法：

目前实现紧组合算法量产的供应商不多，很多供应商经常忽悠
紧耦合结构利用伪距/伪距率来实现导航子系统耦合
GPS跟踪环路进入稳定跟踪后提取/计算出伪距/伪距率；INS 经解算后的定位结果，根据卫星星历计算的卫星位置和速度，推算出相应卫星的伪距、伪距率。
再次，把 INS和 GPS 对应的伪距/伪距率进行比较后得到两子系统伪距/伪距率偏差，作为组合导航融合滤波器的观测量，通过融合滤波器生成包含 INS 定位位置/速度/姿态及惯性器件（陀螺仪和加速度计）和接收机时钟误差在内的误差状态
最后，利用滤波估计误差状态去修正 INS 定位信息并输出该信息，输出的信息即为组合导航定位信息

1. 简单理解松、紧组合算法区别：

松耦合算法：GNSS解算后的结果，与IMU结算后的结果，进行卡曼滤波，得出最终定位解
紧耦合算法：GNSS与IMU解算过程中，不断互相校验、纠正、最后再经过卡曼滤波输出定位解

1. 常见软件输出配置

GPS的定位输出频率1-10Hz，IMU可输出频率为50Hz或100Hz，IMU可以弥补GPS的输出频率劣势

1. 输出定位解格式要求：

NMEA-0183 （GGA、GMC、GSA等，定位解以经纬度及时间戳ms表示），示例GPGGA如下:

1. 和高精地图，剪不断理还乱的关系？

GNSS+IMU 输出定位解，输入给地图模块，进行融合处理，最终输出融合定位解给外部应用

1. 地图覆盖：

除西部无人区外，需覆盖全国高速公路30万公里（往返）、全国高架快速路

1. 更新频率：

常规季度、重点城市月度、北上广深超级大城市双周别

1. 测科院联编：

国家测科院强制要求：高精地图需根据GCJ02火星坐标要求，对位置数据进行偏转、抖动后方可以使用，且不能保存直接位置高度信息（行业擦边球方案：基于天桥、电线杆等参考物，做高度差delta标记）

1. 联编细节：

外部网络禁用、私人电脑禁用、代码开放给测科院老师、禁用USB（翻箱倒柜找出年代久远的CD-ROM RW机）、跑车收集数据、联编后程序销毁

1. 主要问题：

测科院联编申请、批准流程较长、不确定性高、企业被按地摩擦，耗时至少两到三个月以上，常成为OEM开放日程规划中需重点关注的环节。

1. 高程信息：
2. 验证
1. 车辆环境搭建（GT、杆臂）
1. 车体坐标系转换、天线相位中心

1. 场景
1. 开阔 （无遮挡的高速路、快速路、平原等）

1. 开阔除外场景（高速路上的龙门架、等）

1. 半开阔（林荫路、行驶在大的公交车旁边等场景）

1. 城市峡谷（验证多径效应，尤其玻璃幕墙）

1. 遮挡（隧道、林荫路等）

1. 路线

1. 数据后处理

1. 质量、安全等要求：
1. 精度

• CEP默认50%
• CEP68=1m：表示以1m半径画圆，打100个点，有68个点在圆内
• CEP95和997对于自动驾驶来说，具有参考意义

1. 解的状态

0：不可用
1：有解
2：D-GPS 伪距
4：RTK Fix 固定解
5：RTK Float 浮点解
通常会考虑固定率（即：所有的定位解，有多少比例的可以固定的解）

1. 失锁后恢复时间
2. 完好性
3. 安全
1. 功能安全
2. 信息安全

1. GNSS定位在汽车行业应用趋势和主要待解决问题：
1. 北斗三B2a、B1c频点

北斗三代频点的适配成为大趋势

1. OSR -> SSR

基于观测空间域的技术转向状况空间域的技术应用

1. 冷启动/卫星失锁快速定位的需求

通过A-GNSS等加速定位技术，提升“信号丢失”后，快速恢复“信号”的时间

1. 单频 -> 双频 （L1+L2 or L1+L5）

1. 精密授时

1. 功能安全
2. 完好性

• 完好性Integrity：导航系统在不能用于导航服务时及时向用户提出告警的能力
• 10-6/h(百万） -> 10-7/h

1. 供应商

• 由于部分供应商在不同业务领域有拓展、如下分类仅供参考
• 天线：Rosenberg、原田、日安、大陆（苏州）、金乙昌、天宝Trimble（常做真值天线用）
• 改正数服务：千寻、六分、中移动
• GNSS芯片：U-blox、高通、移远
• IMU：Bosch、ST、Invensense、松下、导远、新纳
• 系统方案：Bosch、恒润、均胜、中海达、华测、北斗星通（与NovAtel合作代理）
• 真值设备：迈普POS320、迈普M41、RS100C、牛津RT3000、诺瓦泰SPAN-ISA-100C
• 高精地图：高德、百度、四维图新