漫谈 | 智能网联汽车导航定位系统

1、导航定位系统概述

智能网联汽车或无人驾驶汽车的导航定位通过全球定位系统（GPS）、北斗卫星导航定位系统（BDS）、惯性导航系统、激光雷达等，获取车辆的位置和航向信息。

按照定位的方式，定位可分为绝对定位、相对定位和组合定位。

导航定位分类形式

目前，智能网联汽车的定位技术主要有全球定位系统（GPS）、差分全球定位系统（DGPS）、北斗卫星导航定位系统（BDS）、惯性导航系统（INS）以及激光雷达定位等。

智能导航定位技术

全球导航卫星系统（GNSS）包括美国的全球定位系统（GPS）、中国的北斗卫星导航定位系统（BDS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）卫星定位系统以及欧洲空间局的伽利略（GALILEO）。

全球导航卫星系统

全球四大导航系统参数比较（来源网络）

2、全球定位系统

全球定位系统（GPS）是由美国国防部建设的基于卫星的无线电导航定位系统，它能连续为世界各地的陆海空用户提供精确的位置、速度和时间信息，其最大优势是覆盖全球，全天候工作，可以为高动态、高精度平台服务。GPS由卫星、控制站和接收器三大部分组成。

GPS系统组成示意图（来源网络）

GPS特点

3、差分全球定位系统

差分全球定位系统（DGPS）是在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。DGPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成。为了提高GPS定位精度，可以采用差分全球定位系统（DGPS)进行车辆的定位。

差分全球定位系统（DGPS)组成

4、 GPS/DR组合导航定位系统

车辆航位推算（DR）方法是一种常用的自主式车辆定位技术。DR是利用载体上某一时刻的位置，根据航向和速度信息，推算得到当前时刻的位置，航位推算的误差随距离和时间积累，不能长期单独使用，可以借助于GPS系统对其定位误差进行补偿。

GPS/DR组合导航定位系统由GPS以及电子罗盘、里程计和导航计算机等组成。

GPS/DR组合导航定位系统（来源《智能网联汽车概论》）

GPS/DR组合导航定位系统是一种相对低成本的导航系统，在这个系统上进行GPS/DR数据融合，可以实现较高精度的导航定位。

实现GPS/DR组合定位的关键在于如何将两者的数据融合，关于GPS/DR组合的数据融合方法很多，最常见的就是卡尔曼滤波方法，就是将GPS和DR的定位信息综合用于定位求解，通过卡尔曼滤波来补偿修正DR系统的状态，同时滤波之后的输出又能够为DR系统提供较为准确的初始位置和航向角。

5、北斗卫星导航定位系统

北斗卫星导航定位系统（BDS）是由中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航定位系统。北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

北斗卫星导航定位系统

北斗卫星导航定位系统具有以下几大特点：

6、惯性导航系统

惯性导航系统（INS）是一种利用惯性传感器测量载体的角速度信息，并结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统。惯性导航系统一般采用加速度传感器和陀螺仪传感器来测量载体参数。惯性导航系统主要有两个作用

①填补GPS空缺：一个是在GPS信号丢失或很弱的情况下，暂时填补GPS留下的空缺，用积分法取得最接近真实的三维高精度定位。即便是北斗加GPS加GLONASS，卫星导航信号还是有很多无法覆盖的地方，所以无人驾驶汽车必须配备惯性导航系统。

②配合激光雷达：GPS+IMU为激光雷达的空间位置和脉冲发射姿态提供高精度定位，建立激光雷达云点的三维坐标系。

惯性导航系统在汽车上的应用

惯性导航的特点如下：

惯性导航系统特点

1、通信基站定位

基站作为移动通信网络不可缺少的网元，是移动终端与移动网络之间交互的重要组成部分。常用的无线定位技术包括到达角（AOA）定位法、到达时间（TOA）定位法、到达时间差（TDOA）定位法等。

①AOA

AOA定位方法也称方位测量定位方法，是由两个或多个基站接收到移动台的角度信息，然后对其计算移动台的位置。其原理如下图所示：

AOA定位原理

②TOA

TOA是基于时间的定位方法，称为圆周定位。它通过测量两点间电波传播时间来计算移动台的位置。

TOA定位原理（来源《智能网联汽车概论》

③TDOA

TDOA定位也称双曲线定位，它是利用移动台到达不同基站的时间不同，获取到达各个基站的时间差，从而计算求解。TDOA定位法是目前各种蜂窝网络中主要采用的定位方法。

TDOA原理示意图

2、高精度地图

高精度地图是指高精度、精细化定义的地图，其精度需要达到厘米级才能够区分各个车道。

高精度地图示意图

高精度地图包含的道路交通信息很丰富，可分为基础信息层、道路信息层、周围环境信息层和其他信息层，各层所包含的信息见表

道路交通信息（来源《智能网联汽车概论》）

导航地图和高精度地图的区别：

跟驾驶员的驾驶过程一样，自动驾驶需要经过感知、高精定位、决策、控制四个步骤。而在自动驾驶过程中，高精度地图起到了高精度定位、辅助环境感知、规划与决策等作用。

自动驾驶中高精度地图的作用

总而言之，智能网联汽车导航定位系统是一种先进的车辆导航技术，利用全球卫星定位系统（如GPS）和车辆间通信技术，实现了高精度的位置定位和实时导航功能，不仅可以提供准确的路线指导，还能根据交通情况和车辆状态进行智能路线优化，以提高驾驶安全和效率，为驾驶者提供便利和舒适的出行体验。