IoT 时代,高精度 GNSS 技术如何解决 IoT 场景下的时空定位问题

IoT 时代,定位是实现万物互联的重要基础,在一些重要的 IoT 场景下,精准时空技术如何与 IoT 结合?GNSS 定位经过技术发展,如何实现定位从 10 米到亚米级甚至厘米级的跨越?精准时空技术的进步,对 IoT 的发展又意味着什么?

从互联网到移动互联网再到 IoT,网络技术的发展其实是解决从人与人的连接到人与物的连接,最终到物与物连接的过程。 IoT 并不是一个新的行业,而是多行业融合形成的产业,从产业链角度自下而上来看,IoT 被分为 4 个层次:感知层 (芯片 / 传感器)、网络层 (芯片 / 通信模组 / 通信网络)、平台层 (平台 / 操作系统) 和应用层 (智能终端 / 集成应用)。

在今天,5G、数据、精准时空都被认为是 IoT 时代的基础设施,5G 是网络层的基础设施:在网络传输层面让实时传输的速度变得更快更稳定;数据是平台层的基础设施:数据层面,包括 AI、云计算、大数据在内的技术让信息处理能力快速提升;而精准时空定位其实是聚焦于 IoT 感知层的基础设施:涉及到芯片和传感器的应用,让位置定位更实时更精准。很多人对精准时空定位是既熟悉又陌生的,可能听过 GPS、北斗,但是对精准时空的概念、 GNSS 是什么以及背后的定位原理不甚了解。

IoT 时代,随着定位高精准化及定制化需求的出现,精准时空服务中的基础设施和高精度定位方案,将是打通从空间维度“物与物交流”的新一代科技及经济增长点,在解决各类终端设备的硬件适配和系统通用性问题后,精准时空服务技术将使得未来消费终端的更新换代以几何式增长。

在 IoT 产业链环节中,高精度 GNSS 技术代表的精准时空服务无处不在: 芯片、传感器、智能终端、以及精准时空能力开放平台,它投射在生产生活中的方方面面,对 IoT 的重要性不言而喻。那么,到底高精度 GNSS 技术如何解决 IoT 场景下的时空定位问题呢?

说了半天,高精度 GNSS 定位是什么

在精准时空的概念里,高精度 GNSS 定位是确保时空定位精准的技术手段。GNSS 是指具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统,目前包括四大导航系统北斗、GPS、伽利略、格洛纳斯。GNSS 无处不在,对 C 端用户来说,我们日常的手机地图定位、车载导航、智能手表定位都是精准时空能力的体现;对于 B 端企业来说,则在芯片、传感器等硬件制造以及软件、算法能力方向进行布局。

据中信建投证券通信组统计,2018 年,全球传感器市场主要由海外公司主导,如 TI、ST、博世、飞思卡尔等,我国传感器企业与海外仍有较大差距,国内约 70% 的份额被外资企业占据。中国精准时空技术的基础夯实,是保证在 IoT 时代占领制高点的重要一环。

目前,高精度 GNSS 定位在以下 IoT 场景都得以了应用:

  • 自动驾驶领域,包含车路协同、高速公路自动巡航、自主代客泊车等;
  • 大众消费领域,解决智能设备如儿童手表、手机等的智能化、互联化;
  • 公共服务领域,城市运转中公共交通系统的监测控制、共享设备的定位、地质灾害自动化监测等;
  • 产业升级,满足农业无人机播种植保、森林精细业、地质测量工程、新能源等多行业定位方向需求;
  • 未来智慧城市,为“未来之城”提供精准时空信息保障。
  • …………

IoT 的应用场景往往具有垂直行业属性,在以上领域, 负责国家北斗地基增强系统“全国一张网”建设的千寻位置 ,已经让北斗高精度定位技术都有了落地的案例。

高精度定位在行业应用中想象空间有多大?一二线城市的居民对共享单车、共享汽车一定不陌生,下载 APP 就可以查到“离我最近的一辆车的位置以及距离”,共享汽车可以利用北斗高精度定位 + 惯性导航融合,结合车辆地理围栏,实现精准用车、还车;在大众消费领域,智能手机是北斗系统最典型的应用,2019 年第一季度数据,在国内超过 70% 的手机都支持北斗定位系统;在农业植保场景中,大疆无人机搭配北斗精准定位技术,将定位精度提升至厘米级,让航线轨迹精确可重复。而“未来之城”还是美好的愿景,需要先满足“城中各物”的精准定位,才能实现智慧城市中的万物互联……精准时空为 IoT 多种场景赋能,高精度 GNSS 定位成为了跨越多行业、多场景的应用。未来, 拥有时空坐标的万物数据才是指导 IoT 发展的方向标。

高精度 GNSS 定位的基本原理

那么,高精度 GNSS 定位到底是如何解决 IoT 场景的定位问题的呢?

首先,这与卫星定位的原理相关:卫星定位中至少需要 4 颗卫星完成三维空间内的定位,想要知道地面某一点的精确三维位置(x、y、z),需要三颗卫星基础定位,但是由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外,还要引进一个时间 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数来求解,这就需要第四颗进行修正,收到越多的卫星信号,解算的速度和精度也会越好。

即使有了四颗卫星进行定位,在卫星端、传播层、用户端还会有误差产生,这样的误差在 IoT 一些要求精准位置场景中是不能满足需求的,普通定位还需往高精度 GNSS 定位的方向发展。

如何消除各种误差的影响呢?网络 RTK、SSR 服务技术前来助阵:

  • 网络 RTK 差分服务技术

RTK( Real-time kinematic)指的是实时动态测量,也叫载波相位差分定位,是 GNSS 相对定位技术的一种,主要通过基准站和流动站(接收机位置)之间的实时数据链路和载波相对定位快速解算技术,实现高精度动态相对定位。

具体实现方法就是,在地面设置固定的基准站(要保证位置精准标定),用来接收卫星信号,通过两种方式为用户提供差分服务,一种是用已知的基准站位置解算所收到信号中的误差,误差通过网络播发的形式传输给附近的用户接收机,由于参考站和接收机端的误差存在时间和空间上的相关性,在接收机端减掉误差后,得到的就是一个高精度位置信息了。另一种方法是将基准站接收机收到的观测量直接发送给用户,用户端通过“求差”的方式消除或减少误差的影响。这就是高精度 GNSS 定位技术的基本原理。第二种方法的效果较好,所以被广泛采用。

在解决误差问题上,千寻位置提出并建设了基于网络传输的卫星导航差分增强系统,其中就包含 RTK 载波相位差分服务技术。目前单独使用北斗定位精度为 10 米,而通过北斗地基一张网的增强服务,能够实现实时动态亚米级、分米级、厘米级,静态毫米级高精度定位。

  • 广域差分服务技术

利用大范围分布的参考站解算导航卫星轨道和卫星钟的误差、信号偏差、广域电离层效应,这种校准数的表述方式称为 SSR (State Space Representation), 即状态空间表述。过去通常采用通信卫星播发校准数, 所以实际系统被称作星基增强系统(SBAS: Satellite-based Augmentation System),现在 SSR 校准数也通过互联网播发。千寻位置使用全球分布的参考站和北斗地基一张网提供高精度 SSR 服务,增加了区域电离层和对流层校准数,通过通信卫星和互联网两个链路实时播发给用户。用户端结合 PPP-RTK 可以快速达到厘米级定位精度。

以自动驾驶为例,高精度 GNSS 定位如何发挥作用

精准时空为 IoT 多种场景赋能,在自动驾驶领域的应用也被讨论得尤为火热。自动驾驶可以说是在 IoT 体系中能让大众较清晰看到落地场景的应用,也是高精度 GNSS 定位技术非常重要的应用场景。

业界根据智能程度将自动驾驶分为 5 级,常被提及的驾驶辅助、自动驾驶、无人驾驶其实代表了自动驾驶的不同程度的智能化。高精度 GNSS 定位更多是赋能 L2 以上的自动驾驶,让系统获取高精度的绝对位置。

SAE 国际自动机工程师学会自动驾驶等级划分标准
  • 自动驾驶中定位技术的瓶颈

1、定位系统的可用性问题(各种传感器失效造成的用户体验差);

2、L3 级以上自动驾驶系统的安全问题;

3、由传感器性能要求升级带来的系统成本增加问题。

随着自动驾驶的智能程度不断上升,在 L1-L5 不同阶段,定位的要求层层递进,定位距离从 10 米到亚米级、甚至 L3 级以上要求厘米级。而高精度定位是通过各种定位传感器实现的,定位传感器构成了整个车辆的感知系统,在选择上,不同场景下不同的传感器各有优劣,往往不能兼顾全面的需求。而在系统中引入高精度的卫星定位与各种传感器做融合,各自覆盖各自专长的工作场景,互为冗余备份,可以大大提高系统的可用性与安全性,并且由于各传感器各司其职,也能够一定程度上起到降低系统整体成本的作用。

  • 高精度 GNSS 定位如何突破在自动驾驶中的瓶颈

相较于其他传感器,GNSS 成本低、绝对位置精度高的优势在大部分自动驾驶场景及量产落地的需求下是大势所趋。

在传感器的选择上,GNSS 可以和其他传感器的搭配以解决对于绝对定位场景和相对定位场景下的不同自动驾驶需求。业界在车载导航应用方向上,常使用 GNSS 定位 + 惯性导航融合的方法。GNSS 定位能得到车辆所处的经纬度信息和当前的姿态信息,但是在普通 GNSS 定位中常产生信号丢失的问题,惯性导航则能够在信号丢失情况下可持续维持准确方向及位置,所以经常结合使用,完成车辆的精准定位。

赋能自动驾驶需要五个时空基准必要因素:GNSS 卫星、高精度地图、全疆域通讯网络覆盖、全疆域统一基准的 GNSS 基站、性能良好的移动端 GNSS 接收机,5 者合力保证自动驾驶安全。其中高精度地图的作用在于让车“记住路线”,当 GNSS 定位在复杂场景下暂时失去对空间位置的感知,车辆凭借实时感知及记忆数据保证能正常行走。现在的高精度定位一般都是通过 RTK 技术来获取的,为了与高精度地图信息进行匹配,必须要做到时空基准的统一。

有了高精度 GNSS 定位技术,对现实场景中车的绝对定位、地图的纠偏、测试相对位置准确度的三大方向也就有了 解决方案 。高精度地图现阶段是通过后处理为地图进行纠偏,对于基础地面标识的精准测量,对自动驾驶场景中的车来说是最好的对比标准。此外,高精度 GNSS 定位加高精度地图,也能实现很多智能驾驶辅助方面的功能,比如提醒司机前方有急转弯道、坡道、交叉路口,还有一些已知的事故点,带来更好的驾驶体验;另外,作为基准评估相对位置的准确度已经普遍用于 L1、L2 级别的功能实践。

  • 高精度 GNSS 定位在自动驾驶中的案例

1、高精度 GNSS 与车路协同(V2X)

车路协同中一个最基础也是最关键的技术就是高精度 GNSS 定位技术,车端、路端是车联网场景下需要连接的两端,对汽车及路面基础设施的组合定位服务是必须要解决的问题。

在车路协同这一场景下,千寻位置构建了一套解决方案以应对厘米级定位问题。

千寻位置车路协同(V2X)高精度定位方案架构

通过差分服务技术解决定位误差问题后,通过通信模块(无线蜂窝通信或者说卫星链路通信)将差分改正数据传播到定位终端。数据传到定位终端即 V2X 车载单元和 V2X 路侧单元后,在 GNSS+IMU(惯性传感器)+ 其他传感器系统方案辅助下,结合差分数据来使用高精度定位算法,从而生成车载单元和路侧单元的组合定位。最后通过这一定位方式服务于车路协同一些典型应用场景。

在车路协同解决方案中,方案的实时性、安全性、可靠性具备较高要求。这时候,边缘节点的引入非常重要,边缘计算平台需要实现数据收集、路由和分发等工作。但随着数据的并发和数据量的增多,提升边缘计算单元(MEC)使用数据的有效率就非常重要。千寻位置的解决方案中就为 V2X 及物联网提供终端统一的时间体系,保障数据的互联互通,从而实现复杂协同功能。

2、高精度 GNSS 与高级自动驾驶 HAD 场景

针对 L3 以上的功能场景,即 高级自动驾驶 HAD 场景 ,千寻位置也提出了一套高精度定位解决方案。

千寻位置 HAD 高精度定位方案架构

同理通过 RTK 或者 SSR 差分服务技术解决定位误差问题后,通过通信模块将差分改正数据传播到车载端,在车载端接收云端处理后数据后,除了 GNSS+ 惯性导航融合技术之外加入 高精地图 的共同作用,以实现自动驾驶功能,除了常规的高精度位置之外,在 HAD 类型的定位解决方案中,千寻位置推出高完好性及功能安全 ASIL-B 等级的定位服务,有效解决系统级定位输出不准导致的潜在安全风险。通过应用该高精度定位解决方案,自动驾驶系统可实现多个关键判断,例如,帮助自动驾驶功能准确判断设计运行区域(ODD),决定自动驾驶功能在合适的时候进行交接;在车道线不规则、车道线短暂覆盖、道路无明显标志物、弯道曲率过大等相对定位方案失效的情况下,汽车依然能够根据准确的卫星定位和高精度地图数据,进行自动驾驶功能决策。

最后,以上整体解决方案,都能够被最小化集成至 自动驾驶域控制器 上,在不需求额外系统硬件配置,不消耗大量系统算力的情况下,最终落地在应用场景中。

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