第四章 高精度定位与导航系统
学习目标
1
知道高精度地图包含的信息
2
知道高精度地图在智能网联汽车中的作用
3
熟悉高精度地图的采集与生成过程
4
熟悉GPS和北斗卫星定位系统的组成
5
理解全球导航卫星系统的定位原理
6
理解惯性导航系统测量的原理
7
熟悉全球导航卫星系统和惯性导航系统的优缺点及其组合应用
8
熟悉智能网联汽车中高精度定位的实现方式
9
熟悉智能网联汽车中导航定位系统的集成应用

本章小结
本章的学习目标你已经达成了吗？请通过思考以下问题的答案进行结果检验。
汽车导航仪
序号
问题
自检结果
1
高精度地图与普通的导航地图有哪些区别？
与传统地图相比，高精度地图信息的丰富性和准确性都有显著的提升。高精度地图包含的信息有以下内容和特点：
（1）道路参考线为了实现车道级导航、路径规划功能，需要在原始地图数据中抽象道路结构，形成由顶点组成的拓扑图形结构，同时为了优化数据的存储，需要将道路用连续的曲线段来表示。
（2）道路连通性除道路参考线外，高精度地图还应描述道路的连通性。比如路口中没有车道线的部分，需要将所有可能的行驶路径抽象成道路参考线，在高精度地图数据库中体现。
（3）车道模型除了记录道路参考线、车道边缘（标线）和停车线外，高精度地图数据库还需要记录无车道道路的拓扑结构，且除车道的几何特性外，道路模型还包括车道数、道路坡度、功能属性等。
（4）对象模型记录道路和车道行驶空间范围边界区域的元素，模型属性包括对象的位置、形状和属性值。这些地图元素包括路牙、护栏、互通式立交桥、隧道、龙门架、交通标志、可变信息标志、轮廓标志、收费站、电线杆、交通灯、墙壁、箭头、文字、符号、警告区、分流区等。
2
高精度地图在智能网联汽车应用领域的作用有哪些？
为导航系统提供更高精度的路径和更精细、精确的交通信息，引导车辆达到目的地，将环境中尽可能丰富的信息提供给自动驾驶系统。满足自动驾驶系统的导航、路径规划要求，用于导航、路径规划，还可以为环境感知和理解提供先验知识，辅助车载传感器实现高精度定位。
3
高精度地图的采集和生成过程包括哪些内容？其标准格式有哪些？
高精度地图中，为了提高存储效率和机器可读性，地图在存储时分为矢量层和对象层。在高精度地图生产过程中，通过提取车辆上传感器采集的原始数据，获取高精度地图特征值，构成特征地图；在此基础上，进一步提取、处理和标注矢量图形，包括道路网络信息、道路属性信息、道路几何信息和道路上主要标志的抽象信息。
其标准格式包括：原始点云、分类点云、单体白膜、精细模型。
4
卫星定位导航系统种类有哪些？
目前，全球卫星定位系统有美国GPS定位卫星系统、俄罗斯GLONASS卫星导航系统、欧盟伽利略导航卫星系统和中国北斗导航系统，对于卫星定位系统，这四种定位系统具有相同的效果。
5
北斗定位导航系统与GPS定位系统有哪些区别？
1）北斗定位系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。GPS是覆盖全球的全天候定位系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6～9颗卫星。
2）北斗定位系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。 
3）北斗定位系统是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS定位系统是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三维定位数据。
4）北斗定位系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25～100m提高到12m，授时精度日前约20ns。 
6
卫星定位测量原理是什么？
卫星定位的基本原理是空间交会，需要一个固定的三维点。卫星定位分为伪距测量和载波相位测量，每个卫星一次释放其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每个卫星信号对接收机的延时，并根据信号传输速度计算接收机对不同卫星的距离。同时，在采集至少4颗卫星的数据时，通过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对卫星信号的跟踪、锁定和测量，从而生成计算位置，通过I/O端口输出串行数据。
7
卡尔曼滤波器的作用是什么？
卡尔曼滤波器可以组合GNSS和INS的测试结果，根据含有噪声的物体传感器测量值，预测出物体的位置坐标和速度。它具有很强的鲁棒性，即使观察到物体的位置有误差，也可以根据物体的运动规律预测一个位置，再结合当前的获取的位置信息，减少传感器误差，增强位置测量的连续性和稳定性，更加准确地输出载体的位置。
8
惯性导航系统的原理是什么？
惯性导航系统（INS）是利用惯性测量单元（IMU）的角度和加速度信息来计算载体的相对位置的一种定位技术。IMU利用陀螺仪或加速度传感器等惯性传感器的参考方向和初始位置信息来确定载体位置。
9
无人驾驶系统的定位方法有哪些？各有什么特点？
无人驾驶系统的定位方法有很多，可以概括性地分为卫星定位、磁感应定位、惯性导航定位、视觉和激光雷达地图信息匹配定位等。
1）卫星定位方法是一种绝对姿态测量方法，基准站固定在地面，有稳定的位置，可以通过自身的位置真值修正卫星定位过程中的动态误差。通过基准站差分的方式，可以提供更高精度的定位。
2）磁感应定位是通过在车道上安装磁钉并记录磁钉的绝对位置，车辆运动过程中，根据车辆经过的磁钉，可以检测车辆相对磁钉的位置，进而获取车辆的定位信息。
3）惯性定位是基于惯性传感器的定位方法是利用陀螺仪和加速度传感器测量车辆的角加速度和线加速度，并将测量数据整合起来，计算出车辆相对于初始姿态的当前姿态信息。
4）基于视觉或激光的地图信息匹配和定位是通过构建的局部高精度地图，实现在局部环境中的相对高精度定位。
10
智能网联汽车对导航系统提出了哪些发展需求？
智能网联汽车的导航系统，在高精度地图、高精度定位的基础上，充分利用高精度地图提供的静态、准静态、甚至动态道路信息，利用车载传感器获取的动态信息，通过更加智能、精确、丰富信息的路径规划算法，为自动驾驶的实现提供道路指引。智能网联汽车的不断发展，对导航系统也不断提出更高的要求。主要有以下方面：
1）定位系统根据智能网联汽车具体的功能要求，需要提供车道级甚至厘米级的高精度定位；
2）地图信息需要更加丰富、精确的道路环境信息，比如道路中交通元素的形状、位置特征等，以实现辅助环境感知、车道级路径规划等功能。
3）路径规划算法需要规划出高精度、连续的轨迹。相比于传统导航的全局路径规划算法，需要增加车道级的路径规划、路口轨迹的连接、辅助环境感知信息的提取等，同时还要考虑对驾乘人员意图、个性等因素，做出更加智能的决策。