卡迪拉克CT6超級巡航的車道級定位與日本QZSS

無人駕駛的瓶頸眾多，定位也是其中之一，特別是絕對定位。除了日本的 QZSS 衛(wèi)星系統(tǒng)能夠做到厘米級絕對定位，其他國家包括中美都不具備這個基礎(chǔ)條件。目前所有的無人車測試都是基于先驗（Prior）地圖，絕大部分是激光雷達(dá)先驗地圖，這就意味著無人車只能在某個已經(jīng)做好激光雷達(dá)先驗地圖的區(qū)域行駛。那些依靠攝像頭或雷達(dá)眾包做的關(guān)聯(lián)定位都是完全依賴概率算法的，準(zhǔn)確率和基于物理的有天地之差，同時攝像頭對光線變化異常敏感，這都是人們?yōu)榱顺杀静坏靡训耐讌f(xié)方案，牽涉到生命安全，不應(yīng)該有妥協(xié)。

基于物理的主要有衛(wèi)星和通訊兩大類。衛(wèi)星的目前已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)，代表技術(shù)是卡迪拉克超級巡航的天寶 RTX。高精度地圖配合高精度定位，不知道自己的準(zhǔn)確位置，沒有任何意義。只有做到車道級定位，才有可能在市區(qū)主動變道。特斯拉使用的是 U-BLOX 在 2014 年發(fā)布的 NEO-M8L，是一款很普通的 GPS 模塊，遠(yuǎn)做不到車道級定位，特斯拉只是一個略強的 L2?；谕ㄓ嵉挠谢诜涓C和基于短程的如 Zigbee 和 UWB。3GPP 的 Rel.14 版首次加入定位，本來計劃在 3 月底完成的 Rel.16 版將加入更多有關(guān)定位的內(nèi)容，不過被疫情打亂日程安排，估計要推到 6 月底甚至 9 月底，預(yù)計 Rel.17 版將達(dá)到車道級定位。

衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用一開始，具有高精度和標(biāo)準(zhǔn)精度之分，主要是以單頻與雙頻工作，或者是軍用和民用為分野。而其誤差來源，主要有：衛(wèi)星軌道誤差、星鐘時鐘誤差、大氣傳播誤差、設(shè)備信道誤差，以及衛(wèi)星空間幾何分布誤差等。大氣中的電離層誤差往往是具有明顯的不確定性，而且有可能成為重大誤差，所以利用雙頻設(shè)計的目的就是為了消除電離層的影響。
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美國天寶公司歷來是以高精度應(yīng)用的行業(yè)指向標(biāo)著稱，第一個商用的 GPS RTK 產(chǎn)品是天寶在 1993 年發(fā)布的。從此，RTK 技術(shù)得到了廣泛的多種多樣的應(yīng)用，如測繪測量、機械控制和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。通常的 RTK 提供厘米級精度，初始化時間為數(shù)秒。但是其明顯的局限性是需要有就近的基礎(chǔ)設(shè)施加以支撐，這些基礎(chǔ)設(shè)施就是單個參考站和無線電數(shù)據(jù)鏈，或者是網(wǎng)絡(luò) RTK（虛擬參考站系統(tǒng)，VRS），是多個參考站組成的觀測網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)組合，也就是個中央數(shù)據(jù)中心和與用戶連接通信鏈路?；趩?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1343729.html">基站，或者網(wǎng)絡(luò) RTK 的情況下，基準(zhǔn)參考站與移動用戶機之間的距離，一般不會超過 100 公里。RTK 的缺點包括帶寬有限，容易受電離層影響，不穩(wěn)定，有時靜態(tài)解時間超過數(shù)分鐘。

上表為天寶 RTX 與其他衛(wèi)星增強技術(shù)的對比，可以看出其缺點是有延遲。但是是目前唯一可以單獨在全球范圍內(nèi)使用的衛(wèi)星增強技術(shù)，如果用天寶 L2 波段衛(wèi)星方案，將不依賴于任何網(wǎng)絡(luò)。也沒有帶寬和延遲的問題，也沒有信號不穩(wěn)定的問題（天寶有專用衛(wèi)星）。

天寶 RTX 最初是為農(nóng)業(yè)服務(wù)的，覆蓋圖如上。

2011 年天寶第一次推出 RTX 技術(shù)，Trimble RTX 全球跟蹤基站網(wǎng)絡(luò)在全球部署了 120 個左右，對 GNSS 觀測值進(jìn)行實時跟蹤和存貯，將 GNSS 觀測值時發(fā)送給分別位于歐洲和美國的控制中心，控制中心對全星座精密衛(wèi)星軌道、鐘差和大氣建模，得到全球精密定位改正數(shù)。2018 年 4 月 1 日起，Trimble 公司增加了一顆覆蓋了中亞地區(qū)的衛(wèi)星。這一新的衛(wèi)星光束將擴大衛(wèi)星差分遞送的可用性，并提高整個中亞特別是中國西北地區(qū)的可靠性能。全球精密位置改正數(shù)通過 L 波段衛(wèi)星或者網(wǎng)絡(luò)的方式廣播給服務(wù)授權(quán)的終端用戶，也可以用 4G，在卡迪拉克 CT6 超級巡航上就是用 4G。刷新頻率大約是 1Hz，顯然太低了，所以 IMU 也是必須的。

天寶 RTX 分為 4 個等級，價格各不相同，硬件差別比較小?？ǖ侠擞玫目赡苁?ViewPoint RTX，且卡迪拉克由于沒有使用天寶的 L2 波段衛(wèi)星通訊，估計服務(wù)費很低。如果使用天寶的 L2 波段衛(wèi)星，像 CenterPoint 每年的費用大約 2-3 千美元。

目前支持 ViewPoint 的板卡最常見的是 BD982，價格很高，相信卡迪拉克沒有使用，應(yīng)該是天寶為其定做了板卡。BD982 在國內(nèi)可以買得到，激活服務(wù)就可以使用。

卡迪拉克 CT6 RTX 定位精度實測如上圖，通用宣稱大部分情況下可以做到 90 厘米的精度，最差也有 1.8 米左右的精度。

下一步，卡迪拉克將加入視頻增強，推測卡迪拉克不想使用天寶的 L2 波段衛(wèi)星，可能覺得服務(wù)費太高。

上圖為未來卡迪拉克的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將使用廉價的 IMU。

除了天寶的 RTX，日本的 QZSS 也可以輕松做到厘米級定位。最重要的是 QZSS 服務(wù)是免費的，至少目前完全免費。硬件方面，無需任何更改，只需要更改軟件系統(tǒng)，增加 L6 頻段解碼能力，增加成本很少。連蘋果手機都支持 QZSS。QZSS 之所以能實現(xiàn)高精度定位，主要來自兩個信道的增強，一個是 L1-SAIF，另一個是 LEX。L1-SAIF 可以達(dá)到亞米級精度，一般來說，最高 38 厘米。LEX 可以達(dá)到 2 厘米精度。L1-SAIF 不僅包含時鐘矯正、軌道矯正、電離層矯正，還包括有首次定位加速，同時還有日本本土大約 1200 個 GPS 地面觀測站網(wǎng)絡(luò)點的 GEONET 數(shù)據(jù)。

QZSS 就是準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)，保證日本上空任意時刻都有兩顆超過 70 度仰角的衛(wèi)星。北斗（二代）目前只發(fā)射了 14 顆衛(wèi)星，其中 5 顆是 GEO，也就是地球同步軌道衛(wèi)星，在地球赤道上空，在北半球這 5 顆 GEO 都是在南邊的天空上，而且衛(wèi)星仰角不高都是四五十度，所以，如果南邊被擋住的話，收星情況會很差，這也導(dǎo)致了目前北斗定位的穩(wěn)定性和連續(xù)性并不如 GPS。當(dāng)然北斗也有一些優(yōu)點，比如 GEO 的電文速率要高于 GPS，因此收齊一套完整星歷的時間要比 GPS 快，因此首次定位時間要比 GPS 快一點?？傮w上北斗和 GPS 相當(dāng)類似，單點定位精度都在 10m 以內(nèi)。如果仰角不超過 48 度，衛(wèi)星發(fā)出的信號由于受地面高層建筑物的遮擋，實際只能覆蓋城市面積的 30%，不僅覆蓋面積小，且定位精度也低。而“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”的仰角在 70 度（東京地區(qū)達(dá) 85 度），覆蓋率可達(dá) 100%。

QZSS 在 2018 年 11 月 1 日正式開通運行，首相安倍晉三親自參加開通儀式，足見重視程度。QZSS 目前有 4 顆衛(wèi)星，2020 年開始再發(fā) 3 顆衛(wèi)星，達(dá)到 7 顆衛(wèi)星。

目前 QZSS 在日本全境提供免費的亞米級定位服務(wù)。

到 2023 年，將全部提升到厘米級定位服務(wù)，并且覆蓋澳大利亞的農(nóng)業(yè)區(qū)。

日本與澳洲合作非常緊密，日本向澳洲輸出了很多無人農(nóng)業(yè)技術(shù)。