芯耀
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本文來自機(jī)械工業(yè)出版社出版的《智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車，融合創(chuàng)新發(fā)展之路》一書。
（一）地理位置網(wǎng)概述
古往今來，人類以及所有地球生命體的幾乎所有活動(dòng)都發(fā)生在地球上，都與地球表面位置，即地理空間位置，息息相關(guān)，也都進(jìn)化出了感知并記憶自己及周圍環(huán)境位置、方向、速度、時(shí)間和距離等信息的能力，比如鳥類能夠感知地球磁場和太陽光偏振光，從而確定自己的位置、方向和時(shí)間，以便在不同季節(jié)遷徙到合適的地方。古代中國，人們通過觀察太陽、月亮、星星等天體的運(yùn)行，創(chuàng)立了二十四節(jié)氣、農(nóng)歷等時(shí)間劃分和度量方法，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)令變化、日常生活提供指導(dǎo)。人類還發(fā)明了很多時(shí)空感知的工具和技術(shù)，如指南針、地圖、日晷天文測時(shí)儀、陀螺儀和加速度計(jì)等，為遠(yuǎn)航、探險(xiǎn)、商貿(mào)等活動(dòng)確定方向和位置。
20世紀(jì)中葉以來，隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革快速發(fā)展，無線電、光學(xué)乃至量子測量學(xué)科推動(dòng)空間信息技術(shù)（Spatial Information Technology）的成熟，以“3S”技術(shù)為代表的系統(tǒng)出現(xiàn)，極大提高了人類感知時(shí)空的效率和準(zhǔn)確度。
“3S”指的是，遙感系統(tǒng)（Remote Sensing，RS），以電磁波與地球表面物質(zhì)相互作用為基礎(chǔ)，利用遙感器和數(shù)據(jù)處理、分析系統(tǒng)，探測、分析和研究地球資源與環(huán)境，揭示地球表面各要素的空間分布特征和時(shí)空變化規(guī)律；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）以衛(wèi)星為基礎(chǔ)，可發(fā)送高精度、全天時(shí)、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息，讓全球各處的人可以準(zhǔn)確感知自己所在的位置；地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息，幫助人們分析和處理現(xiàn)實(shí)世界（資源與環(huán)境）的海量地理數(shù)據(jù)。遙感系統(tǒng)提供地面屬性信息、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)確定位置、地理信息系統(tǒng)處理地面位置和屬性數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的需求提供時(shí)空位置服務(wù)，三者的融合促進(jìn)了地理信息產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。
進(jìn)入21世紀(jì)的二十余年時(shí)間，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)發(fā)展，逐漸滲入到地理空間智能、城市空間智能、時(shí)空大數(shù)據(jù)智能、數(shù)字孿生城市等應(yīng)用領(lǐng)域，時(shí)空智能成為空間信息技術(shù)新的發(fā)展方向。時(shí)空智能以時(shí)空為“索引”對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空化治理和融合，并借助知識(shí)工程和人工智能算法進(jìn)行智能化分析，從而挖掘知識(shí)和輔助決策。時(shí)空智能包括時(shí)空感知、認(rèn)知到?jīng)Q策的多項(xiàng)核心技術(shù)，可應(yīng)用到智慧城市、智慧交通、智慧園區(qū)、智能零售、智能地產(chǎn)、智能商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[1]。
在智慧交通領(lǐng)域，時(shí)空信息技術(shù)與傳統(tǒng)交通基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合是當(dāng)前的新趨勢。以北斗系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用為例，能看到時(shí)空智能賦能交通出行具有如下特色和優(yōu)勢。
首先是時(shí)空一體化。時(shí)空智能技術(shù)能夠利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供全球高精度一體化時(shí)空基準(zhǔn)，為道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施提供厘米至毫米級的精準(zhǔn)空間位置，微秒至納秒級的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)，為汽車等交通工具提供亞米、分米、厘米級空間位置，毫秒、微秒級時(shí)間同步服務(wù)。通過時(shí)空智能技術(shù)，全球用戶可以根據(jù)場景變化自主或智能選擇，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)空間位置的精準(zhǔn)定位、導(dǎo)航與時(shí)間同步。
其次為通導(dǎo)遙融合。利用北斗系統(tǒng)的全球定位導(dǎo)航、雙向通信和搜救功能，加上交通沿線“北斗+5G”地基增強(qiáng)的高精度時(shí)空位置服務(wù)，兼有暴風(fēng)、雨、雪及雷電等氣象環(huán)境遙感功能，再與人工智能和大算力網(wǎng)絡(luò)連成一體，就構(gòu)成了交通通導(dǎo)遙融合實(shí)時(shí)服務(wù)設(shè)施體系。這一體系可以為陸路、水路和空中各類交通工具提供實(shí)時(shí)智能數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險(xiǎn)分析和場景識(shí)別等服務(wù)，同時(shí)與交通運(yùn)控中心協(xié)同，報(bào)送交通工具的時(shí)空位置數(shù)據(jù)與事件狀況信息，輔助決策相應(yīng)事件管控處置，確保交通服務(wù)質(zhì)量和安全需求。
第三是智能化服務(wù)。通過規(guī)劃和建設(shè)“北斗+5G”+“AI+大算力（云中心）”，在鐵路線路側(cè)及相應(yīng)大型樞紐、民航樞紐機(jī)場、高速公路和通航河道兩側(cè)、大型海港海運(yùn)樞紐、電力輸送網(wǎng)、油氣能源網(wǎng)、城鄉(xiāng)上下水道的綜合管廊等沿途布設(shè)含北斗地基增強(qiáng)和AI云服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?！氨倍?5G”將北斗系統(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)延伸到隧道、管廊等各類地下空間，可為傳統(tǒng)交通基礎(chǔ)設(shè)施提供地上、地下與北斗系統(tǒng)一致的時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)。這樣，交通及能源設(shè)施產(chǎn)生的各類流式數(shù)據(jù)，如物流、人流、車流、船舶流、航飛流等，以及基礎(chǔ)設(shè)施中橋梁、隧道、大型空間構(gòu)形構(gòu)件的時(shí)空位置形變監(jiān)測數(shù)據(jù)等，均可被賦予精確的時(shí)空流量、流轉(zhuǎn)及變化信息。通過對這些數(shù)據(jù)的智能分析、關(guān)聯(lián)和挖掘，不僅可以對交通基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行模型優(yōu)化和流程再造，還可以了解其中包含的各類交通、能源等經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息的時(shí)空規(guī)律，提升經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及社會(huì)治理的科學(xué)化、智能化水平。
時(shí)空位置與人工智能等信息技術(shù)的加速融合，還將使各類交通基礎(chǔ)設(shè)施成為從勘測、設(shè)計(jì)、施工、建造到運(yùn)維管控，全生命周期的融合創(chuàng)新交通基礎(chǔ)設(shè)施。時(shí)空智能將不斷開拓交通發(fā)展新領(lǐng)域，創(chuàng)新出行服務(wù)新模式。如為未來高速磁懸浮列車路網(wǎng)的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)維提供精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、可靠的定位、導(dǎo)航、時(shí)統(tǒng)和通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全線路智能駕駛、智慧調(diào)度和安全監(jiān)控。再如探索通用航空新領(lǐng)域，為低空空域提供精準(zhǔn)管理服務(wù)，對空域內(nèi)的無人機(jī)、通航飛機(jī)甚至未來空水地三棲飛行汽車等各類飛行器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、識(shí)別、跟蹤，以提高低空空域的容量和安全性等。無人駕駛技術(shù)方向，中國率先提出“智能網(wǎng)聯(lián)汽車+車聯(lián)網(wǎng)+高精度地圖”三大關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同的思路。這三大技術(shù)分別包括：集成北斗系統(tǒng)時(shí)空定位、場景感知和認(rèn)知技術(shù)的時(shí)空智能；“北斗+5G”構(gòu)成車聯(lián)網(wǎng)提供云、邊、端協(xié)同，形成人、車、路、環(huán)境聯(lián)動(dòng)的交流智能；“AI+大算力（云中心）”生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高精地圖的交通環(huán)境認(rèn)知智能[2]。
時(shí)空智能技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施是GNSS系統(tǒng)，在中國即北斗系統(tǒng)，可以提供5米精度的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，超過GPS系統(tǒng)的10米標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)精度，同時(shí)具有全球任意兩地40個(gè)漢字雙向短報(bào)文通信功能，以及中國及其周邊，一幀1000個(gè)漢字，一小時(shí)1000萬同時(shí)在線用戶的雙向通信能力。這種通信服務(wù)，也可傳送圖像和音視頻，不僅能滿足用戶群體間的信息互聯(lián)，還可實(shí)現(xiàn)時(shí)空位置互聯(lián)，使信息交流更便捷精準(zhǔn)。北斗不僅是導(dǎo)航工具，更是智能的時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施，其可以產(chǎn)生海量的時(shí)空信息和時(shí)空大數(shù)據(jù)。
（二）高精度定位需求和技術(shù)
依托“3S”系統(tǒng)構(gòu)建的地理位置網(wǎng)為人們提供地理位置服務(wù)（Location Based Services，LBS）。LBS通過無線電通信網(wǎng)絡(luò)（如通信運(yùn)營商的4G、5G或者Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)）或外部定位方式（如北斗定位）獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息，在GIS平臺(tái)的支持下，為用戶提供位置相關(guān)的各類信息服務(wù)（如O2O、社交、游戲等）。
（1）高精度定位需求
智能網(wǎng)聯(lián)汽車也需要位置服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)主要涉及三大業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括交通安全、交通效率和信息服務(wù)。對于不同業(yè)務(wù)應(yīng)用，有不同的定位性能指標(biāo)需求。同時(shí)，車輛作為移動(dòng)的實(shí)體會(huì)經(jīng)歷不同的應(yīng)用場景，包括高速公路、城市道路、封閉園區(qū)以及地下車庫等。不同的應(yīng)用場景，對定位的技術(shù)要求也各不相同。典型的交通安全類業(yè)務(wù)包括交叉路口碰撞預(yù)警、緊急制動(dòng)預(yù)警等；典型的交通效率業(yè)務(wù)包括車速引導(dǎo)、緊急車輛避讓等；典型的信息服務(wù)業(yè)務(wù)包括近場支付、地圖下載等，具體的定位性能指標(biāo)如表1所示[3]。
表1?車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)定位性能指標(biāo)
同時(shí)，高精度定位是實(shí)現(xiàn)無人駕駛或者遠(yuǎn)程駕駛的基本前提，因此對定位性能的要求也非常嚴(yán)苛，其中L4/L5級自動(dòng)駕駛對于定位的要求如表2所示。
表2?L4/L5級自動(dòng)駕駛定位性能指標(biāo)
（2）高精度定位技術(shù)
定位從場景上可分為室外定位和室內(nèi)定位，從技術(shù)上大致有衛(wèi)星定位技術(shù)、局域網(wǎng)定位技術(shù)、蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)和其他定位技術(shù)等幾類。
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的室外定位系統(tǒng)。以北斗、GPS系統(tǒng)為代表的GNSS能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并且具備短報(bào)文通信能力，已經(jīng)具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度為分米、厘米級別，測速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。北斗三號系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，由24顆地球中圓軌道衛(wèi)星（MEO）、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和3顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）組成，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。
為提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，滿足用戶對高精度定位的需求，出現(xiàn)了高精度衛(wèi)星定位技術(shù)。主要包括基于載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference Stations，CORS）為代表的地基增強(qiáng)技術(shù)、以美國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）為代表的區(qū)域星基增強(qiáng)系統(tǒng)，以及基于實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)（Precise Point Positioning，PPP）的商業(yè)全球星站差分增強(qiáng)技術(shù)。
針對室內(nèi)定位場景，廣泛使用局域網(wǎng)定位技術(shù)，Wi-Fi定位、藍(lán)牙定位是其中廣泛使用的兩種局域網(wǎng)定位技術(shù)。Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)按照定位方式的不同可以分為三類：基于指紋匹配的Wi-Fi定位技術(shù)、基于接收信號強(qiáng)度（Received Signal Strength，RSS）測距的Wi-Fi定位技術(shù)和基于往返時(shí)間（Round Trip Time，RTT）測距的Wi-Fi?定位技術(shù)。Wi-Fi定位精度大約在1米至20米的范圍內(nèi)，無法滿足室內(nèi)亞米級定位需求。藍(lán)牙定位采用最多的是基于接收信號強(qiáng)度（RSS）的定位方法，室內(nèi)定位精度最高可接近1米。
超寬帶（Ultra Wideband，UWB）是一種快速、安全、低功耗的無線電技術(shù)，雖然與藍(lán)牙類似，但它更準(zhǔn)確、可靠、有效。UWB技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。它可以通過發(fā)送納秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，基于飛行時(shí)間（Time of Flight，ToF）技術(shù)計(jì)算無線電波返回設(shè)備的時(shí)間，進(jìn)而測算設(shè)備間的距離，測距精度極高，可以達(dá)到厘米級。此外，與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，UWB系統(tǒng)具有收發(fā)時(shí)間短、抗多徑效果好、系統(tǒng)安全性高、整體功耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此，UWB技術(shù)能夠應(yīng)用于室內(nèi)靜止或移動(dòng)的人和物的快速高精度定位跟蹤與導(dǎo)航，近年來也開始被用于近距離精確室內(nèi)定位。同時(shí)，UWB也可以應(yīng)用于近距離高速數(shù)據(jù)傳輸。
基于蜂窩網(wǎng)的定位技術(shù)定位精度在5G之前只能達(dá)到米級，實(shí)際上室外基本在10米以上，室內(nèi)可以達(dá)到5米。隨著5G及其演進(jìn)，也成為一種高精度定位技術(shù)，5G NR提出了亞米級高精度定位需求，推動(dòng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用；5G-Advanced和6G更是以厘米級高精度定位為目標(biāo)，并推動(dòng)通信與定位感知一體化研究。5G常見的定位方式包括下行到達(dá)時(shí)間差定位（DL-TDOA）、下行離開角度定位（DL-AoD）、上行到達(dá)時(shí)間差定位（UL-TDOA）、上行到達(dá)角度定位（UL-AoA）、多小區(qū)往返時(shí)間定位（Multi-cell RTT）、增強(qiáng)小區(qū)標(biāo)識(shí)定位（E-CID），并發(fā)展出了大量定位增強(qiáng)技術(shù)，具體如下：
DL-TDOA：5G R16版本引入了新參考信號，定位參考信號（Positioning Reference Signal，?PRS），用來供UE對每個(gè)基站的PRS執(zhí)行下行鏈路參考信號時(shí)間差測量。這些測量結(jié)果將上報(bào)給位置服務(wù)器。
DL-AoD（下行離開角度）：UE測量每波束/gNB的下行鏈路參考信號接收功率，然后將測量報(bào)告發(fā)送到位置服務(wù)器，位置服務(wù)器根據(jù)每個(gè)波束的下行鏈路參考信號接收功率來確定AoD，再根據(jù)AoD估計(jì)UE位置。
UL-TDOA：5G R16版本增強(qiáng)了信道探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS），以允許每個(gè)基站測量上行鏈路相對到達(dá)時(shí)間，并將測量結(jié)果報(bào)告給位置服務(wù)器。
UL-AOA（上行到達(dá)角度）：gNB根據(jù)UE所在的波束測量到達(dá)角度，并將測量報(bào)告發(fā)送到位置服務(wù)器。
Multi-cell RTT：gNB和UE對每個(gè)小區(qū)的信號執(zhí)行Rx-Tx時(shí)差測量。來自UE和gNB的測量報(bào)告會(huì)上報(bào)到位置服務(wù)器，以確定每個(gè)小區(qū)的往返時(shí)間并得出UE位置。
E-CID：UE對每個(gè)gNB的無線資源管理（Radio Resource Management，RRM）測量，例如下行鏈路參考信號接收功率，測量報(bào)告將發(fā)送到位置服務(wù)器。
其他定位技術(shù)包括有IMU、地磁定位、可見光定位、超聲波定位技術(shù)、SLAM等技術(shù)，也各有其應(yīng)用場景。
智能網(wǎng)聯(lián)汽車由于其對定位精度的高度依賴性，往往采用各種增強(qiáng)定位、融合定位技術(shù)。在GNSS+RTK+IMU組合定位的基礎(chǔ)上，融合車身信號、視覺感知信息與高精度地圖數(shù)據(jù)，可將位置、速度、時(shí)間、航向信息，以及車輛本身的方向盤轉(zhuǎn)角、輪速、轉(zhuǎn)向燈信號等，傳遞至計(jì)算單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合計(jì)算，來達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)、提高穩(wěn)定性和獲取更高精度的定位結(jié)果。
自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線是IMU，主要原因如下。第一，IMU對相對和絕對位置的推演沒有任何外部依賴，是一個(gè)類似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對定位依賴于衛(wèi)星信號的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對定位依賴于感知的質(zhì)量和算法的性能，而感知的質(zhì)量與天氣有關(guān)，都有一定的不確定性。第二，同樣是由于IMU不需要任何外部信號，它可以被安裝在汽車底盤等不外露的區(qū)域，可以對抗外來的電子或機(jī)械攻擊；相比而言，視覺、激光和毫米波在提供相對或絕對定位時(shí)必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號干擾而致盲，也容易被石子、剮蹭等意外情況損壞。第三，IMU對角速度和加速度的測量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計(jì)和方向盤轉(zhuǎn)角等冗余信息，使其輸出結(jié)果的置信度遠(yuǎn)高于其他傳感器提供的絕對或相對定位結(jié)果。
參考文獻(xiàn)
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[3] IMT-2020(5G）推進(jìn)組.?車輛高精度定位白皮書[R]. 2019,10.
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本書由吳冬升、李大成擔(dān)任主編，機(jī)械工業(yè)出版社出版。書中在分析智慧城市重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容和智能網(wǎng)聯(lián)汽車重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合發(fā)展帶來的車聯(lián)網(wǎng)智能道路基礎(chǔ)設(shè)施、新型能源基礎(chǔ)設(shè)施、地理位置網(wǎng)、現(xiàn)代信息通信網(wǎng)、車城網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)和發(fā)展情況。并且介紹智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合創(chuàng)新發(fā)展的相關(guān)案例。
吳冬升 博士
