改善汽車中的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的新方法詳細剖析

無聯(lián)機的航位推算法提供了一種原來無法實現(xiàn)的基于汽車的導航方法。不論是在隧道、高樓林立的城市還是多層停車場里行駛，UDR都能提供持續(xù)的導航，并且不需要連接車輛自己的網(wǎng)絡。并且能夠在短時間的信號中斷中持續(xù)導航。

編者按：不論是對用戶還是導航系統(tǒng)的設計者，目前的衛(wèi)星導航系統(tǒng)都不盡人意。本文介紹了一種提高準確性的辦法。?

在汽車中使用“衛(wèi)星導航”的上，我們都面臨挑戰(zhàn)。

無論是工廠安裝的設備還是后裝的設備，都有其局限性。有幾個值得我們思考，其中，最明顯的是，當駕駛者這些車穿過布滿高樓大廈的城區(qū)時，導航的精度變得有限甚至很差。

在城市中，用戶通常會感受到導航系統(tǒng)的視線干擾和中斷，但城市反而是最需要精確、可靠的導航的地方。高層建筑也可以反射全球定位導航系統(tǒng)（GNSS）的信號，進一步弱化了信號清晰度。

另一個常見的情況是，當車輛穿過隧道時，導航數(shù)據(jù)就會丟失，當車輛駛出時，通常需要一段時間才能重新定位到隧道外的正確位置。

不過，別擔心，在整個汽車市場，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)開始有了創(chuàng)新。

最初只能在高端汽車中找到的汽車航位推算法（Automotive Dead Reckoning，ADR），將GNSS數(shù)據(jù)與從安裝在車身和車輪上的傳感器收集到的位置信息相結(jié)合。

通過這種方式，使用簡單的航位推測技術(shù)，就可以計算出當前位置相對于上一次GNSS定位（fix）的距離。這要求車輛自身數(shù)據(jù)網(wǎng)絡集成度要足夠高，以便在制造車輛時能進行裝配。

UDR（Untethered Dead Reckoning 無聯(lián)機的航位推算法）是一種有望能夠提供比僅僅使用GNSS更好，又能接近ADR效果的辦法，這種辦法并不需要與車輛網(wǎng)絡連接起來。UDR通過將慣性傳感數(shù)據(jù)與GNSS數(shù)據(jù)結(jié)合起來推算——參見圖1。

圖1

微機電系統(tǒng)加速度計和微機電陀羅儀用于提供角度和加速的精確測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)又會與GNSS數(shù)據(jù)結(jié)合，在GNSS信號被干擾或者失真時提供即時的定位修正。

通過記錄車輛最后的位置，例如在一個多層或地下停車場的位置，然后在車輛重新啟動的時候，能夠立即導航。下圖表示了在一個被高建筑物包圍的一個區(qū)域中UDR的定位精度：

圖2

圖2的測試結(jié)果顯示出了GNSS和UDR兩中方案之間的精度差距。UDR方案中，在實驗車輛的擋風玻璃上安裝了一個天線。在這次實驗中，UDR方案的定位精度是僅僅使用GNSS的3倍。

另一個實驗進一步說明UDR在信號不良的條件下的能力。在該實驗中，天線是安裝的車底部的，就在儀表盤的下方，測試結(jié)果如圖3。雖然其絕對位置的定位精度不如將天線安裝在擋風玻璃上，但UDR方案的精度仍然是僅用GNSS的3倍。僅僅用GNSS的結(jié)果則是慘不忍睹。

圖3

上述的兩個實驗中，都是用了ublox的UDR組件——NEO-M8U。這一袖珍組件的尺寸僅為12.2 x 16.0 x 2.4 mm，包括了3D慣性傳感器。它能支持多重衛(wèi)星系統(tǒng)的GNSS，能夠接收來自GPS、GLONASS，北斗和伽利略等系統(tǒng)的信號。

另外的UDR組件，EVA-M8E，則更小，它能夠提供相同的功能，但是為了獲取更高精度的信息，需要額外安裝的陀螺儀和加速度計。

那些完全集成的UDR組件，例如NEO-M8U，能夠協(xié)助系統(tǒng)到到最高的定位精度。圖4顯示了M8的設計?？梢钥吹贸?，M8使用了一個斤耦合的卡爾曼濾波器，能夠?qū)⒆粉櫨鹊男畔⒎答伒紾NSS組件中。

卡爾曼濾波器，也是一種線性二次估計算法，基于一系列的測量用來估計車輛的位置，并提供更精準的定位。通過這種方法，有可能是衡量了所有GNSS和傳感器信號之后，再得出3D精度最高的結(jié)果。

當在城市林立的高樓之間導航時，從一個或兩個衛(wèi)星中獲得的數(shù)據(jù)都能增加航位推算法的定位精度。而如果不用這種方法，定位精度將會非常差，甚至根本無法定位。

圖4

UDR方案的另外一個重要的特點是，該方案能夠提供高刷新頻率的定位信息，或者是實時的高導航率結(jié)果（HNR，High NavigaTIon Rate）。當僅僅依賴于GNSS信號時，位置的計算存在內(nèi)部的長時間延遲。

大眾市場上典型的使用GNSS的系統(tǒng)，其最大的刷新頻率是10赫茲，每秒最多修正10次。在能夠獲得衛(wèi)星信號的時候，這樣的系統(tǒng)還能夠在反映汽車所在的區(qū)域。但UDR就不一樣了，它能夠?qū)⑺⑿骂l率提高兩倍。到20赫茲，極大地提高導航率。

圖5

圖5說明了時延在兩種方案中對導航的影響程度?；赩2X基礎(chǔ)設施的防碰系統(tǒng)和車距保持的關(guān)鍵就是時延，時延越短越好。從圖中可以看出，UDR的時延更短。為了在緊急情況下能夠迅速反應，短時延和高導航率對于V2X應用來說，是不可或缺的。

在u-blox 的NEO-M8U和EVA-M8E的組件中，包含3軸陀螺儀、3軸加速度計和組件的溫度傳感器的原始數(shù)據(jù)將會以100赫茲的頻率進行更新。這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅?u>UART或者I2C兼容界面中，能夠用于描述駕駛員表現(xiàn)，在按里程付費保險應用或者事故重現(xiàn)上也會有用。

如果你有使用基于UDR的系統(tǒng)的打算，最好還是先仔細考察相關(guān)UDR組件的能力，以及有助于設計原型和加快進入市場的開發(fā)工具的能力。需要關(guān)注的重點包括他們能夠適應的溫度范圍，汽車質(zhì)量標準認證，例如AEC-Q100，以及是否符合如ISO 16750這類規(guī)定了上路汽車運行條件的標準。

制作初始的概念模型也需要一些評估套裝或者一些能夠馬上體驗的設計，例如測試不同的天線位置，評估不同的組件功能，并將GNSS和傳感器的表現(xiàn)用圖表表示出來。

無聯(lián)機的航位推算法提供了一種原來無法實現(xiàn)的基于汽車的導航方法。不論是在隧道、高樓林立的城市還是多層停車場里行駛，UDR都能提供持續(xù)的導航，并且不需要連接車輛自己的網(wǎng)絡。并且能夠在短時間的信號中斷中持續(xù)導航。