GNSS（二），自动驾驶定位团队的保护伞

　　在GNSS的定位、导航、授时三大功能中，定位功能无疑是出镜率最高的那为＂奶油小生＂。其定位精度大多数情况下直接决定了汽车驾驶自动化系统可以实现的级别；而定位可靠性则决定了车辆开到沟里与撞上马路牙子的几率。
　　本文将以GNSS的定位功能为主角，讨论影响其定位精度的因素、提升定位精度的方法以及提升定位可靠性的措施等内容。
　　载波相位定位
　　目前常用的单纯依靠GNSS定位的技术方案有伪距定位和载波相位定位两种。在上一篇文章中已经介绍过伪距定位原理，其＂拙劣＂的定位精度简直＂不堪入目＂，而与其齐名的另一位兄弟＂载波相位定位＂，体魄上更加强健、灵魂上也更加有趣。
　　北斗三代B1频点载波的中心频率为1575.42MHz，换算成波长约为190mm。如果我们可以测量载波发射时刻和接收时刻的相位，通过计算两者之间相位差（包括传播过程中经历的N个整数周期的载波相位），并与波长相乘便可求出卫星和接收机之间的距离。而按照测距精度为载波波长的1/10~1/100计算，理论上可以实现新闻报道里宣传的毫米级定位。
　　对于相位差测量，接收机在信号跟踪的载波跟踪环部分，会在本地尽力复制一个相同的载波，并实现相位锁定。相位锁定即意味着接收机在任意时刻接收到的载波相位与本地产生的载波相位相同。而通过计算接收机在某一时刻的本地载波相位与本地初始相位之差，便可求得载波相位差。
　　但是我们知道，波长190mm远远小于卫星和接收机之间的距离，因此从发射到接收，中间还存在N个整数载波波长的差别。这个N被称为整周模糊度，如何准确地求得N值也成为载波相位定位方法的关键。而这里没办法像伪距测量那样通过增加求解卫星数量来求解整周模糊度，因为每个卫星与接收机之间的整周模糊度都不同。
　　整周模糊度N的求解一直是研究的热点问题，诞生了有快速模糊度结算法、整周模糊度函数法、经典待定系数法、三差法和伪距法等一系列方法。载波相位存在的整周模糊度求解问题，使得此方法数据处理过程复杂。难而正确的道路带来的好处就是，使用载波相位定位方法的精度实际上可控制在3m左右，比伪距定位方法的10m左右定位精度要友好不少。
　　误差来源
　　无论是伪距定位还是载波相位定位，其实际定位精度都在米级，这也是单纯依靠GNSS定位精度的极限了，离自动驾驶渴求的厘米级定位精度还有很长的路要走。那究竟是哪些误差的存在让单纯依靠GNSS的定位精度一直登不了＂大雅之堂＂呢？
　　（1）与卫星相关的误差。卫星根据星历计算出来的位置与速度与实际位置和速度存在一定的误差，也被称为星历误差；卫星原子钟的频偏、频飘导致与地面更精准时钟之间仍存在一定的时钟误差；卫星信号从内部电路产生到离开发射天线存在内部的传播时延。
　　（2）传播路径上的误差。载波在电离层传播时，传播速度的变化、传播路径的弯曲等因素会导致电离层传播延迟的产生；载波在对流层传播时，传播路径也会弯曲，同样也存在对流层传播延迟；经某些物体表面反射后到达接收机的载波与直接来自卫星的载波叠加干扰后产生的多径效应。
　　（3）与接收机有关的误差。接收机上廉价的石英钟，想不产生误差都难；外界环境影响而产生的测量误差；接收机相位中心与天线参考点之间的中心偏差；载波进入接收机后进行内部处理产生的延时误差。
　　差分定位
　　针对上述误差，有些基于当前的技术水平我们无能无力，但有些我们可以通过建模及估计方法进行消除或削弱。而在消除或削弱误差的方法中，差分绝对算是力能扛鼎的那位。
　　像星历误差，电离层误差、对流层误差、接收机钟差等类型误差，可以认为对一定半径范围内的接收机来说都是相同的。如果我们安插一名根正苗红的接收机来计算出这些误差，并将误差广播给一定半径范围内的小伙伴，那么共同富裕便不是奢望。
　　差分定位可以分为位置差分、伪距差分和载波相位差分三类。三类差分定位的工作原理基本都是相同的，都是由基准站计算并广播差分数据，接收机收到差分数据后对其测量结果进行修正，以获得精确的定位结果。所不同的是，三类差分发送的差分数据的具体内容不一样，可实现的定位精度也不同。差分定位的通信链路示意图如下图所示。
　　一、位置差分
　　位置差分是一种比较简单的差分方法。基准站一方面已知自己的精准三维坐标，另一方面通过接收卫星信号可以解算出另一个三维坐标。基准站计算两个三维坐标之间的误差，并将此误差数据作为差分数据，通过无线网络广播出去，接收机收到此差分数据后进行自身三维坐标的修正。
　　由上可知，位置差分方法中的差分数据是三维坐标层面的误差。使用此方法时需要一定半径范围内的接收机观测并使用与基准站相同的一组卫星。且接收机的定位精度将随离基准站的距离增加而降低。采用此种方式的定位精度可以控制在5m左右。
　　二、伪距差分
　　从GNSS的所有应用领域来说，伪距差分应该是目前应用最广，技术比较成熟的差分方法。基准站一方面通过接收卫星信号并计算得到伪距值，另一方面利用基准站的已知精准坐标以及从卫星星历中解算出来的卫星坐标，计算出基准站到卫星的真实距离。真实距离与伪距值相减即可得到伪距测量误差。基准站利用无线网络将此误差值作为差分数据发送给一定半径范围内的接收机，接收机利用此差分数据修正伪距值，再进行定位解算，从而获得其准确位置。
　　伪距差分方法中的差分数据是伪距层面的误差。此种方法不要求接收机与基准站观测并使用完全相同的卫星，因为一定区域的所有卫星的伪距差可以看成是一样的。但是此种方法和位置差分方法一样，精度都会随着基准站距离的增加而降低。试验数据显示，基准站20km半径范围，定位精度可达到亚米级。
　　三、载波相位差分
　　提起载波相位差分，大家可能觉得还有点陌生，但是如果提起它的江湖外号RTK（Real Time Kinematic），自动驾驶圈内无人不竖起大拇指。RTK是一种可以实时处理两个载波相位观测量的差分方法。基准站和接收机不断的对相同的卫星进行监测，并且在基准站捕获到卫星载波信号后，会通过无线网络将载波相位测量值实时发送给接收机。接收机将自身捕获的载波相位测量值与基准站发送过来的载波相位测量值进行求差，并进行自身三维坐标的解算。
　　载波相位差分方法中的差分数据是载波相位层面的误差。和位置差分一样，要求基准站和接收机观测和使用的是同一组卫星。同样存在精度随离基准站距离的增加而降低的问题。但基于载波相位层面的差分可以降低或消除绝大部分误差，在基准站半径30km范围内的定位精度可达到厘米级。目前在自动驾驶定位领域的地位等同于丐帮中的洪日庆。
　　定向功能
　　在自动驾驶领域，车辆不仅需要实时知道自己在哪里行驶，还需要实时知道在朝哪个方向开（也就是车辆的姿态），以便可以准确预测接下来的行驶轨迹。在哪里行驶是定位的事，而朝哪个方向开则是定向的事。面向自动驾驶领域的主流车载接收机，无一例外也都提供了双天线定向功能的支持。
　　实现定向功能的硬件基础前一篇已有介绍，需要车载接收机硬件上具备双天线卫星信号接收及处理能力。而车辆的姿态可通过固定在车辆上的两个天线的基线向量确定，所以求得基线向量是解算车辆姿态的前提。
　　目前进行车辆姿态测量的方法有两种，一种是伪距测量，一种是载波相位测量。由于载波相位测量精度要远高于伪距测量精度，且能有效的消除接收机钟差和卫星钟差，因此自动驾驶领域车载接收机产品绝大多数采用载波相位测量方法。
　　在载波相位测量方法中，主天线和从天线在相同时刻对一组相同的卫星进行测量，并将两天线的载波相位观测值做差分处理，之后利用载波相位整周模糊度解算算法得到从天线相对于主天线的精确相对位置（基线长度：即主从天线相位中心之间的距离），经过坐标转换，便可求得方位角（基线向量与正北之间的夹角）和俯仰角（基线向量与水平面之间的夹角）。
　　多星多频接收技术
　　一、多星接收技术
　　无论是BDS还是GPS，整个系统在轨道上也就二三十颗工作卫星，而具体到地球某一固定位置的头顶可见卫星数量就更少了。理论上，地球上任意地点、任何时刻头顶可见BDS卫星数量为10颗左右，GPS为8颗左右。虽然都满足大于等于4颗的最低定位数量需求，但你无法保证每颗可见卫星都有非常好的信号质量，你也无法保证车辆行驶过程不会有高楼或高山遮挡你的卫星信号。
　　为了充分发挥全球不同卫星导航系统的作用，诞生了互帮互助的多星接收技术，即接收机可同时接收处理全球不同卫星导航系统中的卫星信号。这样一来，地球任意地点、任意时刻头顶可用卫星数量直接翻好几倍，而接收机也就有充足的底气去选择那些信号质量满足要求的卫星来参与定位解算。
　　目前世界上在建或已经建成的卫星导航系统主要有全球卫星导航系统（GPS/BDS/GLONASS/GALILEO），区域卫星导航系统（QZDD/IRNSS），以及卫星增强系统(WAAS/MSAS/EGNOS/GAGAAN/NIGCOM SAT-1)三类，如下表所示。
　　（图片来源：https://www.bynav.com/cn/resource/bywork/healthy-work/755.html）
　　目前市面上比较先进的接收机可以支持五星接收技术，而这五星分别是GPS、BDS、GLONASS、GALILEO和QZSS。
　　二、多频接收技术
　　GNSS作为军民两用产品，军用和民用领域使用的是完全不同的载波。而在民用领域，为了较好的消除电离层折射延迟，一般也会选择两个或两个以上的载波进行信号调制，每一个载波频段也被成为一个卫星频点。不同GNSS的频点也是不尽相同，下表列出五种常用GNSS所采用的频点及对应中心频率信息。
　　（表格数据来源：https://www.bynav.com/cn/resource/bywork/healthy-work/755.html）
　　如果接收机可以接收处理同一GNSS不同频点，可以大大消除电离层对电磁波信号的延迟影响，提高抗干扰的鲁棒性。目前市面上比较先进的接收机可支持十六个频点接收处理。
　　十六频接收和上文介绍的五星接收技术合起来就是大名鼎鼎的＂五星十六频＂技术。同样的环境有人畅测无阻，有人无语泪流，这是某家厂商形容五星十六频与前一代四星十一频技术的巨大差异，而如此巨大差异的根因用四个字概括就是＂星多任性＂。
　　小结
　　GNSS在自动驾驶领域的存在感略低，整天不是抬头思考就是埋头干活，很少主动去＂撩妹＂，更别提什么花边新闻。以至于他的损友们每每夸赞自己的优点时总是拿GNSS的缺点做对比，比如IMU总喜欢嘲笑GNSS定位数据输出频率太低，而自己可以是他的十几二十倍；比如里程计总是强调自己是GNSS被遮挡时的救星，可以用来进行短时航迹推算；比如激光雷达时不时透露通过点云配准方法，可以提供比GNSS更高精度的定位结果。
　　但是大家可能忽略了一个事实，在自动驾驶定位领域，GNSS才是你们素颜时的样子（除Tesla）。其他传感器再优秀，也仅是在GNSS被遮挡、定位数据更新频率低的时候提供一些变美的胭脂水粉，属于锦上添花。但无锦何来花，GNSS作为自动驾驶领域低调有内涵的代表，撑起了高精度定位的整片天空，也撑起了多数自动驾驶公司下一阶段＂全无人＂测试运营的雄心壮志。
　　参考资料
　　GNSS接收机主要性能指标
　　https://mp.weixin.qq.com/s/foEaHrrfthHip2QGGDT7oA
　　划重点 | 讲了这么多卫星,你懂卫星授时吗?
　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/410358938
　　专业科普丨GPS定位中的误差源及削弱方法
　　https://mp.weixin.qq.com/s/zpcxAVNz3vlQNGJgZic67w
　　学习笔记——GNSS定位
　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/180476704
　　RTK厂家宣传支持五星十六频，那么什么是五星十六频？
　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/438952969
　　基于双天线的RTK-GPS定向方法
　　https://www.doc88.com/p-5068772300962.html