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核心提示：組合導(dǎo)航廠商正在做緊耦合、低成本產(chǎn)品，而車企及自動駕駛廠商則開始自研GNSS和IMU相關(guān)算法。
2022年，被稱為是高級別自動駕
組合導(dǎo)航廠商正在做緊耦合、低成本產(chǎn)品，而車企及自動駕駛廠商則開始自研GNSS和IMU相關(guān)算法。
2022年，被稱為是高級別自動駕駛量產(chǎn)的元年。
隨著高級別自動駕駛功能的落地，大算力芯片、激光雷達、高清攝像頭、高精地圖已經(jīng)成為不可缺少的部件。除此之外，提供高精度定位的組合導(dǎo)航，也起著至關(guān)重要的作用。
今天就來分析以一下「高精度組合導(dǎo)航」的技術(shù)前景和市場趨勢。
01 高精定位不可或缺，衛(wèi)導(dǎo)+慣導(dǎo)最佳組合
自動駕駛技術(shù)主要包括高精度地圖模塊、定位模塊、感知模塊、智能決策與控制模塊四大模塊。
可以說，高精度地圖、定位、感知，都是為自動駕駛的智能決策提供依據(jù)。
其中，利用采集和制作的高精度地圖記錄完整的三維道路信息；利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合在厘米級精度實現(xiàn)車輛定位；利用交通場景物體識別技術(shù)和環(huán)境感知技術(shù)實現(xiàn)高精度車輛探測識別、跟蹤、距離和速度估計、路面分割、車道線檢測。
定位模塊，也就是我們說的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，主要基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、慣性測量單元（IMU），結(jié)合高精度地圖及多種傳感器數(shù)據(jù)，使得定位系統(tǒng)可提供厘米級綜合定位解決方案。
在所有的定位模塊中，只有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供絕對位置，其他傳感器實現(xiàn)的都是相對定位。
車道級定位，特別是在自動駕駛汽車上下匝道、高架橋的高程信息，對地圖匹配非常重要。
除了位置外，衛(wèi)星導(dǎo)航還可提供精準的時間信息、速度信息，這些都是高階自動駕駛不可或缺的。
目前，全球有四大導(dǎo)航系統(tǒng)，包括美國的GPS、俄羅斯的GLOGNSS、歐盟的Galileo以及我國的北斗。
衛(wèi)星導(dǎo)航可在WGS84坐標系下輸出緯度經(jīng)度高程等信息，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2020年完成全球組網(wǎng)，宣告著北斗可以在全球范圍內(nèi)提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。
衛(wèi)星導(dǎo)航的定位原理，是通過衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的三維位置、運動速度和時間信息。
通過幾何關(guān)系的運算可理解為，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：
四個方程式中x、y、z為待測點坐標，Vto為接收機的鐘差為未知參數(shù)，其中di=c△ti，(i=1、2、3、4)，di分別為衛(wèi)星ｉ到接收機之間的距離，△ti 分別為衛(wèi)星ｉ的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間，xi 、yi 、zi為衛(wèi)星ｉ在t時刻的空間直角坐標，Vti為衛(wèi)星鐘的鐘差，c為光速。
可由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto，從而確定接收機的緯度、經(jīng)度和高程信息。
而由于大氣層中的對流層和電離層對電磁信號的干擾，通常經(jīng)過解算這種定位精度只能達到米級別。
要想實現(xiàn)厘米級別的定位精度還需用其他手段來進行輔助，通常的手段有地基增強系統(tǒng)（RTK載波相位實時差分定位）、精密單點定位PPP、星基差分系統(tǒng)等來實現(xiàn)共模誤差的消除。
衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的優(yōu)勢在于全天候使用，觀測點之間無需通視，并且作用范圍廣、精度高。但缺陷也十分明顯，受環(huán)境影響非常大，包括電磁干擾、多路徑等均會對其精度產(chǎn)生影響，最重要的一點是不能有遮擋，為了彌補這樣的問題，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最親密的伙伴。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供移動載體的實時位置和姿態(tài)信息，是完全自主的導(dǎo)航方式，慣性導(dǎo)航定位的缺點在于，測量誤差會隨時間累加而越來越大。
衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航組合應(yīng)用，剛好可以對雙方的缺點進行彌補。按照信息交換或組合程度的不同，可分為松組合和緊組合。
松組合是以INS為主，在GNSS工作時，GNSS信號用于導(dǎo)航信息的最優(yōu)估計，并用最優(yōu)估計結(jié)果反饋修正INS，使其保持高精度；在GNSS不可用時，INS單獨工作，輸出慣性導(dǎo)航解。
這種組合方案目前已經(jīng)在國產(chǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，結(jié)果表明在GNSS工作良好區(qū)域或短時間失鎖時，該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出精度都較好，一般不低于GNSS精度。
但是，當載體進行高動態(tài)機動或GNSS接收機受環(huán)境干擾影響而長時間不能工作時，該系統(tǒng)的精度將隨系統(tǒng)運行時間增加而急劇下降，可靠性和抗干擾能力較差。
優(yōu)勢：計算簡單，便于實現(xiàn)；兩系統(tǒng)獨立工作，導(dǎo)航信息有一定冗余度。
不足：精度不高，動態(tài)特性不佳。
相較于松組合而言，緊組合是雙向信息傳輸：即一方面GNSS信號（包括原始數(shù)據(jù)偽距、偽距率）用于修正INS；另一方面INS信號在衛(wèi)星星歷的輔助下，也計算載體相對于GNSS衛(wèi)星的偽距和偽距率，并用該信息輔助GNSS信號的接收和碼環(huán)鎖相過程，增強GNSS信號的快速捕獲和抗干擾能力，以提高GNSS的接收機精度和動態(tài)性能和工作可靠性。
在GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星可觀測數(shù)據(jù)少于4顆時仍然能夠輸出有用信息，而如果此時在松組合中遇到同樣的情況GNSS的輸出信息是不可用的。
優(yōu)勢：精度高，適用高動態(tài)環(huán)境。
不足：算法復(fù)雜，設(shè)計難度大。
02 自動駕駛多場景落地，定位市場前景可期
自動駕駛場景非常豐富，包括Robotaxi、Robobus、干線物流、港口、礦山、低速配送、清掃等場景。不同的場景對組合導(dǎo)航產(chǎn)品的要求也有一定差異，但雙GNSS天線的方案是不可或缺的。
如礦山場景較為開闊，但震動較大，要求對產(chǎn)品硬件抗震和軟件算法的濾波。
港口場景環(huán)境多變，遮擋嚴重，需要加UWB、標識、輪速傳感器等做多傳感器融合。
低速配送、清掃等場景簡單，變化小，對組合導(dǎo)航產(chǎn)品精度要求較低，更多依賴SLAM算法。
而Robotaxi場景最為復(fù)雜，前期算法對組合導(dǎo)航精度要求較高。
組合導(dǎo)航的精度除了算法外主要依賴慣性器件IMU的精度，常見的IMU產(chǎn)品分為光纖IMU和MEMS IMU，光纖級別的IMU器件精度普遍比MEMS級別的器件精度高，目前也多用于高精度地圖采集以及作為產(chǎn)品的真值。
MEMS級別的組合導(dǎo)航是目前L4自動駕駛的主流。L4自動駕駛廠商普遍能接受的價格也從大幾千元級別、萬元級別最高可達十多萬元不等。
核心的產(chǎn)品供應(yīng)商主要包括北斗星通、華測、導(dǎo)遠、NovAtel、北云、戴世、星網(wǎng)宇達等。
現(xiàn)階段，L4級別自動駕駛應(yīng)用的組合導(dǎo)航產(chǎn)品的發(fā)展趨勢來看，組合導(dǎo)航產(chǎn)品廠商各家逐步做緊耦合、低成本的產(chǎn)品。
而自動駕駛廠商逐步涉及GNSS和IMU相關(guān)算法，只需要外購GNSS模塊和IMU模塊，目前已經(jīng)有部分頭部廠商應(yīng)用了自研的組合導(dǎo)航算法。
2022年也稱為L2+行泊一體的元年，多家企業(yè)發(fā)布了量產(chǎn)方案，應(yīng)用場景也陸續(xù)從高速領(lǐng)航輔助駕駛做到城區(qū)領(lǐng)航輔助駕駛。
國內(nèi)L2+應(yīng)用組合導(dǎo)航產(chǎn)品是從2017年上汽榮威MAR WELL XPro 1000輛demo的項目開始，2020年，小鵬打造的NGP解決方案，同樣應(yīng)用了組合導(dǎo)航產(chǎn)品。
組合導(dǎo)航產(chǎn)品的主流方案是外置的P-box方案，只需要單GNSS天線，現(xiàn)階段L2+量產(chǎn)P-box方案相較于L4應(yīng)用的組合導(dǎo)航產(chǎn)品主要有兩個特點，一個是低成本，另外一個是車規(guī)級。
低成本這塊目前主機廠普遍能接受的成本需要控制在千元以內(nèi)，但同時對于產(chǎn)品質(zhì)量、耐久性等有著更高要求，需要通過一系列的標準認證。
具體來看，GNSS芯片或者IMU芯片要求過AECQ100，模組過AECQ104，P-box產(chǎn)品要過功能安全ISO26262，同時要滿足車規(guī)級的生產(chǎn)體系16949，由此可見量產(chǎn)對組合導(dǎo)航產(chǎn)品的要求更為苛刻。
目前，高精度組合定位系統(tǒng)（P-Box）市場的主流玩家包括導(dǎo)遠、華測、移遠、戴世、北斗星通、北云等，導(dǎo)遠和華測拿到的量產(chǎn)定點項目較多，導(dǎo)遠和小鵬、理想、北汽等車企達成合作，華測定點了比亞迪、長城、哪吒、路特斯、一汽紅旗、小米，北斗星通拿到長安的定點。
GNSS核心玩家國內(nèi)主要是和芯星通，國外是u-blox、ST；IMU主要以村田、美泰的產(chǎn)品為主。
整體來看，組合導(dǎo)航市場有三個發(fā)展趨勢：
其一，業(yè)內(nèi)普遍認為P-BOX只是產(chǎn)品的中間形態(tài)，最終會朝著器件化演進，向域控制器集成化發(fā)展。
其二，部分車企、自動駕駛廠商已經(jīng)開始布局GNSS和IMU相關(guān)算法，并落地應(yīng)用。
其三，功能安全是目前組合導(dǎo)航產(chǎn)品的難點，現(xiàn)階段P-BOX設(shè)備基本上都沒過功能安全的認證。但智能網(wǎng)聯(lián)汽車對功能安全的產(chǎn)品要求已經(jīng)走在路上，工信部于2021年7月發(fā)布《關(guān)于加強智能網(wǎng)聯(lián)汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理的意見》中明確提到了具有自動駕駛功能的汽車產(chǎn)品，應(yīng)滿足功能安全、預(yù)期功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全的要求。
隨著高級別自動駕駛的規(guī)模量產(chǎn)，高精度定位市場前景可期。與此同時，自動駕駛規(guī)模化落地，也將帶動組合定位產(chǎn)品的價格和安全質(zhì)量越來越成熟。
2022年，被稱為是高級別自動駕駛量產(chǎn)的元年。
隨著高級別自動駕駛功能的落地，大算力芯片、激光雷達、高清攝像頭、高精地圖已經(jīng)成為不可缺少的部件。除此之外，提供高精度定位的組合導(dǎo)航，也起著至關(guān)重要的作用。
今天就來分析以一下「高精度組合導(dǎo)航」的技術(shù)前景和市場趨勢。
01 高精定位不可或缺，衛(wèi)導(dǎo)+慣導(dǎo)最佳組合
自動駕駛技術(shù)主要包括高精度地圖模塊、定位模塊、感知模塊、智能決策與控制模塊四大模塊。
可以說，高精度地圖、定位、感知，都是為自動駕駛的智能決策提供依據(jù)。
其中，利用采集和制作的高精度地圖記錄完整的三維道路信息；利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合在厘米級精度實現(xiàn)車輛定位；利用交通場景物體識別技術(shù)和環(huán)境感知技術(shù)實現(xiàn)高精度車輛探測識別、跟蹤、距離和速度估計、路面分割、車道線檢測。
定位模塊，也就是我們說的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，主要基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、慣性測量單元（IMU），結(jié)合高精度地圖及多種傳感器數(shù)據(jù)，使得定位系統(tǒng)可提供厘米級綜合定位解決方案。
在所有的定位模塊中，只有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供絕對位置，其他傳感器實現(xiàn)的都是相對定位。
車道級定位，特別是在自動駕駛汽車上下匝道、高架橋的高程信息，對地圖匹配非常重要。
除了位置外，衛(wèi)星導(dǎo)航還可提供精準的時間信息、速度信息，這些都是高階自動駕駛不可或缺的。
目前，全球有四大導(dǎo)航系統(tǒng)，包括美國的GPS、俄羅斯的GLOGNSS、歐盟的Galileo以及我國的北斗。
衛(wèi)星導(dǎo)航可在WGS84坐標系下輸出緯度經(jīng)度高程等信息，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2020年完成全球組網(wǎng)，宣告著北斗可以在全球范圍內(nèi)提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。
衛(wèi)星導(dǎo)航的定位原理，是通過衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的三維位置、運動速度和時間信息。
通過幾何關(guān)系的運算可理解為，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：
四個方程式中x、y、z為待測點坐標，Vto為接收機的鐘差為未知參數(shù)，其中di=c△ti，(i=1、2、3、4)，di分別為衛(wèi)星ｉ到接收機之間的距離，△ti 分別為衛(wèi)星ｉ的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間，xi 、yi 、zi為衛(wèi)星ｉ在t時刻的空間直角坐標，Vti為衛(wèi)星鐘的鐘差，c為光速。
可由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto，從而確定接收機的緯度、經(jīng)度和高程信息。
而由于大氣層中的對流層和電離層對電磁信號的干擾，通常經(jīng)過解算這種定位精度只能達到米級別。
要想實現(xiàn)厘米級別的定位精度還需用其他手段來進行輔助，通常的手段有地基增強系統(tǒng)（RTK載波相位實時差分定位）、精密單點定位PPP、星基差分系統(tǒng)等來實現(xiàn)共模誤差的消除。
衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的優(yōu)勢在于全天候使用，觀測點之間無需通視，并且作用范圍廣、精度高。但缺陷也十分明顯，受環(huán)境影響非常大，包括電磁干擾、多路徑等均會對其精度產(chǎn)生影響，最重要的一點是不能有遮擋，為了彌補這樣的問題，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最親密的伙伴。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供移動載體的實時位置和姿態(tài)信息，是完全自主的導(dǎo)航方式，慣性導(dǎo)航定位的缺點在于，測量誤差會隨時間累加而越來越大。
衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航組合應(yīng)用，剛好可以對雙方的缺點進行彌補。按照信息交換或組合程度的不同，可分為松組合和緊組合。
松組合是以INS為主，在GNSS工作時，GNSS信號用于導(dǎo)航信息的最優(yōu)估計，并用最優(yōu)估計結(jié)果反饋修正INS，使其保持高精度；在GNSS不可用時，INS單獨工作，輸出慣性導(dǎo)航解。
這種組合方案目前已經(jīng)在國產(chǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，結(jié)果表明在GNSS工作良好區(qū)域或短時間失鎖時，該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出精度都較好，一般不低于GNSS精度。
但是，當載體進行高動態(tài)機動或GNSS接收機受環(huán)境干擾影響而長時間不能工作時，該系統(tǒng)的精度將隨系統(tǒng)運行時間增加而急劇下降，可靠性和抗干擾能力較差。
優(yōu)勢：計算簡單，便于實現(xiàn)；兩系統(tǒng)獨立工作，導(dǎo)航信息有一定冗余度。
不足：精度不高，動態(tài)特性不佳。
相較于松組合而言，緊組合是雙向信息傳輸：即一方面GNSS信號（包括原始數(shù)據(jù)偽距、偽距率）用于修正INS；另一方面INS信號在衛(wèi)星星歷的輔助下，也計算載體相對于GNSS衛(wèi)星的偽距和偽距率，并用該信息輔助GNSS信號的接收和碼環(huán)鎖相過程，增強GNSS信號的快速捕獲和抗干擾能力，以提高GNSS的接收機精度和動態(tài)性能和工作可靠性。
在GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星可觀測數(shù)據(jù)少于4顆時仍然能夠輸出有用信息，而如果此時在松組合中遇到同樣的情況GNSS的輸出信息是不可用的。
優(yōu)勢：精度高，適用高動態(tài)環(huán)境。
不足：算法復(fù)雜，設(shè)計難度大。
02 自動駕駛多場景落地，定位市場前景可期
自動駕駛場景非常豐富，包括Robotaxi、Robobus、干線物流、港口、礦山、低速配送、清掃等場景。不同的場景對組合導(dǎo)航產(chǎn)品的要求也有一定差異，但雙GNSS天線的方案是不可或缺的。
如礦山場景較為開闊，但震動較大，要求對產(chǎn)品硬件抗震和軟件算法的濾波。
港口場景環(huán)境多變，遮擋嚴重，需要加UWB、標識、輪速傳感器等做多傳感器融合。
低速配送、清掃等場景簡單，變化小，對組合導(dǎo)航產(chǎn)品精度要求較低，更多依賴SLAM算法。
而Robotaxi場景最為復(fù)雜，前期算法對組合導(dǎo)航精度要求較高。
組合導(dǎo)航的精度除了算法外主要依賴慣性器件IMU的精度，常見的IMU產(chǎn)品分為光纖IMU和MEMS IMU，光纖級別的IMU器件精度普遍比MEMS級別的器件精度高，目前也多用于高精度地圖采集以及作為產(chǎn)品的真值。
MEMS級別的組合導(dǎo)航是目前L4自動駕駛的主流。L4自動駕駛廠商普遍能接受的價格也從大幾千元級別、萬元級別最高可達十多萬元不等。
核心的產(chǎn)品供應(yīng)商主要包括北斗星通、華測、導(dǎo)遠、NovAtel、北云、戴世、星網(wǎng)宇達等。
現(xiàn)階段，L4級別自動駕駛應(yīng)用的組合導(dǎo)航產(chǎn)品的發(fā)展趨勢來看，組合導(dǎo)航產(chǎn)品廠商各家逐步做緊耦合、低成本的產(chǎn)品。
而自動駕駛廠商逐步涉及GNSS和IMU相關(guān)算法，只需要外購GNSS模塊和IMU模塊，目前已經(jīng)有部分頭部廠商應(yīng)用了自研的組合導(dǎo)航算法。
2022年也稱為L2+行泊一體的元年，多家企業(yè)發(fā)布了量產(chǎn)方案，應(yīng)用場景也陸續(xù)從高速領(lǐng)航輔助駕駛做到城區(qū)領(lǐng)航輔助駕駛。
國內(nèi)L2+應(yīng)用組合導(dǎo)航產(chǎn)品是從2017年上汽榮威MAR WELL XPro 1000輛demo的項目開始，2020年，小鵬打造的NGP解決方案，同樣應(yīng)用了組合導(dǎo)航產(chǎn)品。
組合導(dǎo)航產(chǎn)品的主流方案是外置的P-box方案，只需要單GNSS天線，現(xiàn)階段L2+量產(chǎn)P-box方案相較于L4應(yīng)用的組合導(dǎo)航產(chǎn)品主要有兩個特點，一個是低成本，另外一個是車規(guī)級。
低成本這塊目前主機廠普遍能接受的成本需要控制在千元以內(nèi)，但同時對于產(chǎn)品質(zhì)量、耐久性等有著更高要求，需要通過一系列的標準認證。
具體來看，GNSS芯片或者IMU芯片要求過AECQ100，模組過AECQ104，P-box產(chǎn)品要過功能安全ISO26262，同時要滿足車規(guī)級的生產(chǎn)體系16949，由此可見量產(chǎn)對組合導(dǎo)航產(chǎn)品的要求更為苛刻。
目前，高精度組合定位系統(tǒng)（P-Box）市場的主流玩家包括導(dǎo)遠、華測、移遠、戴世、北斗星通、北云等，導(dǎo)遠和華測拿到的量產(chǎn)定點項目較多，導(dǎo)遠和小鵬、理想、北汽等車企達成合作，華測定點了比亞迪、長城、哪吒、路特斯、一汽紅旗、小米，北斗星通拿到長安的定點。
GNSS核心玩家國內(nèi)主要是和芯星通，國外是u-blox、ST；IMU主要以村田、美泰的產(chǎn)品為主。
整體來看，組合導(dǎo)航市場有三個發(fā)展趨勢：
其一，業(yè)內(nèi)普遍認為P-BOX只是產(chǎn)品的中間形態(tài)，最終會朝著器件化演進，向域控制器集成化發(fā)展。
其二，部分車企、自動駕駛廠商已經(jīng)開始布局GNSS和IMU相關(guān)算法，并落地應(yīng)用。
其三，功能安全是目前組合導(dǎo)航產(chǎn)品的難點，現(xiàn)階段P-BOX設(shè)備基本上都沒過功能安全的認證。但智能網(wǎng)聯(lián)汽車對功能安全的產(chǎn)品要求已經(jīng)走在路上，工信部于2021年7月發(fā)布《關(guān)于加強智能網(wǎng)聯(lián)汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理的意見》中明確提到了具有自動駕駛功能的汽車產(chǎn)品，應(yīng)滿足功能安全、預(yù)期功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全的要求。
隨著高級別自動駕駛的規(guī)模量產(chǎn)，高精度定位市場前景可期。與此同時，自動駕駛規(guī)模化落地，也將帶動組合定位產(chǎn)品的價格和安全質(zhì)量越來越成熟。
