自動駕駛定位系統-Global Navigation Satellite Systems (GNSS)

時間 2020-03-01

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高精度全局定位系統本質上能夠看作一個級聯的定位系統，先經過GNSS系統提供一個可能的位置範圍，再利用激光雷達(Lidar)系統、視覺定位系統等方法進行局部環境的搜索匹配，從而實現釐米級的定位精度。因爲須要由GNSS爲高精度定位系統提供全局惟一的位置初值和偏差範圍，因此它在自動駕駛系統中的做用相當重要。算法

1、什麼是GNSS

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)是能在地球表面或近地空間的任何地點爲用戶提供全天候的三維座標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。目前最大的GNSS系統是美國的GPS、俄羅斯的GlONASS、中國的北斗和歐盟的Galileo。segmentfault

1.GPS

廣爲人知、普遍應用GNSS系統是美國的全球定位系(Global Positioning System，GPS)。安全

該系統由美國政府於1970年代開始進行研製，並於1994年全面建成，GPS信號分爲民用的標準定位服務(SPS，Standard Positioning Service)和軍用的精肯定位服務(PPS，Precise Positioning Service)兩類。因爲GPS無須任何受權便可任意使用，本來美國由於擔憂敵對國家或組織會利用GPS對美國發動攻擊，故在民用訊號中人爲地加入選擇性偏差(即SA政策，Selective Availability)以下降其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在十米如下。2000年之後，比爾·克林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。所以，如今民用GPS也能夠達到十米左右的定位精度。網站

2. GLONASS

它是由蘇聯於1982年研發的衛星導航系統，蘇聯解體後一度喪失大多數衛星與功能，限制由俄羅斯維護運做。在技術方面，GLONASS系統的抗干擾能力比GPS要好，但其單點定位精確度不及GPS系統。spa

3. 北斗系統(Beidou Navigation Satellite System, BDS)

北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是中國獨立自主建設的一個衛星導航系統，北斗衛星導航系統由兩個獨立的部分組成，一個是2000年開始運做的區域實驗系統，另外一個是已經開始面向全球服務的全球導航系統。設計

4. 伽利略定位系統(Galileo)

伽利略定位系統(Galileo)是一個正在建造中的衛星定位系統，該系統由歐盟經過歐洲空間局和歐洲導航衛星系統管理局建造，總部設在捷克共和國的布拉格。該系統的基本服務（低精度）是提供給全部用戶無償使用的，高精度定位服務僅提供給付費用戶使用。伽利略系統的目標是在水平和垂直方向提供精度1米之內的定位服務，而且在高緯度地區提供比其餘系統更好的定位服務。blog

伽利略系統的第一顆試驗衛星GIOVE-A於2005年12月28日發射，第一顆正式衛星於2011年8月21日發射。該系統計劃發射30顆衛星，截止2016年5月，已有14顆衛星發射入軌。於2017年到2018年提供初步工做服務，最終於2019年具有徹底工做能力。該系統的30顆衛星預計將於2020年前發射完成，其中包含24顆工做衛星和6顆備用衛星。ip

2、GNSS定位的原理

在全部的GNSS系統中，以商業化程度而言首推GPS，它家喻戶曉，幾乎成了全球衛星導航系統(GNSS)的代名詞。GPS系統由24~32顆衛星，不間斷的運行在6個約20200千米高度的軌道上，這些衛星每隔約12小時繞地球旋轉一圈。這樣的設計保證每一時刻，每一個地點均可觀測到4顆以上的衛星。ci

衛星每時每刻都在廣播信號信息，它廣播的信息包含兩個部分: 1）衛星自身的位置；2）衛星信號的發送時間。地面的終端接收設備接收到衛星信號，經過對比衛星信號的發送時間和接收時間，用它們的時間差乘以光速，就獲得了終端設備到衛星的距離。rem

每一時刻，終端接收機與衛星的距離能夠準確知道，衛星的位置也能夠準確知道，因此要計算地球上任意一點的三維空間座標(x,y,z)，理論上只需監測到三顆衛星就能夠求解x,y,z三個未知數。可是實際狀況下，接收機使用的是石英鐘(秒級偏差)，衛星使用的是原子鐘(納秒級偏差)，二者的與標準時間均存在偏差，爲了實現精準定位，必須藉助第四顆衛星消除時間偏差。

假設t時刻，觀測到四顆顆衛星，有如下公式:

爲何GPS定位須要四顆以上衛星

其中C爲光速，爲第i顆衛星的鐘差，爲接收機的鐘差，爲第i顆衛星距離接收機的推算距離。

由以上四個方程便可解算出待測點的座標x、y、z和接收機的鐘差。

什麼是鐘差

接收機的時間和衛星的時間都不是標準時間，相對於標準時間都有偏差，這個偏差就叫鐘差。

假設標準時間是北京時間8:00，接收機時間是北京時間8:01，衛星時間是8:02，衛星發射電磁波到接收機的時間間隔爲5分鐘。在標準時間8:00的時候，衛星覺得時間是8:02，因此它發射一個信號「我是在衛星時間8:02發射信號的」。接收機將在(標準時間8:05接收到信號)，但此時接收機是時間8:06，它覺得如今時間是8:06。因此，接收機就這麼計算8:06-8:02=4分鐘，信號傳播了4分鐘，而實際上，信號傳播了5分鐘。這種時間不統一形成的距離計算偏差是不可接受的。

衛星定位計算公式的詳解

爲何GPS定位須要四顆以上衛星

接收機的時間和衛星的時間是已知的，衛星鐘差也能夠經過衛星控制器或其餘途徑得到，因此只存在四個未知數x,y,z,,經過四個方程能夠求解。

3、GNSS的偏差來源

上述的衛星定位計算過程只考慮了接收設備鐘差的影響，事實上，影響衛星定位精度的偏差源不少。

大氣層延遲

大氣層中的電離層和對流層對GPS信號會起到延遲的做用，電離層對電磁波的折射效應使得GPS信號的傳播速度發生變化，對流層一樣會對電磁波產生折射效應，從而影響GPS信號的傳播速度。

衛星星曆偏差

衛星星曆是由地面監控站跟蹤監測衛星求定的。因爲衛星運行中要受到多種攝動力的複雜影響，而經過地面監控站又難以充分可靠地測定這些做用力或掌握其做用規律，所以在星曆預報時會產生較大的偏差。它不只嚴重影響單點定位的精度，也是精密相對定位的重要偏差來源。

衛星時鐘偏差

由GPS系統的工做原理可知，衛星時鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振盪器，相對頻率穩定度爲秒。偏差爲14m；1974年之後，GPS衛星採用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到秒，偏差8m；1977年，GPS衛星採用銫原子鐘後，相對穩定頻率達到秒，偏差再降爲2.9m；1981年，GPS衛星採用氫原子鐘，相對穩定頻率爲，衛星偏差降至僅爲1m。

衛星鐘差是指GPS衛星時鐘與GPS標準時間的差異。雖然GPS的原子鐘的精度一直在不斷升級，但它們與GPS標準時之間仍存在誤差和漂移，這些誤差和漂移會帶來定位精度的偏差。好比當總漂移量在1ms～0.1ms之內時，由此引發的等效定位偏差將達到300km～30km。這是一個系統偏差必須加以修正。

多徑效應

因爲接收終端周圍環境的影響，使得接收機所接收到的衛星信號中還包含有反射和折射信號的影響，這些反射和折射信號延長了衛星信號傳輸的距離，這也是影響在室內和城市樓宇密集的地區定位誤差大的一大因素。

4、如何提高衛星定位的精度

咱們是沒有辦法消除全部偏差，那怎麼提高定位的精度呢，因而乎一個天才的想法就誕生了：必定範圍內的大部分偏差是差異不大的。基於這個想法，在已知位置的參考點上建設基站，經過基站修正它周圍必定範圍的定位偏差，從而獲得很是精確的定位信息。

目前在無人駕駛和無人機中普遍使用的是RTK (Real Time Kinematic), 即載波相位差分技術。它可以實時地提供測站點在指定座標系中的三維定位結果，並達到釐米級精度。在RTK做業模式下，基站採集衛星數據，並經過數據鏈將其觀測值和站點座標信息一塊兒傳送給移動站，而移動站經過對所採集到的衛星數據和接收到的數據鏈進行實時載波相位差分處理，得出釐米級的定位結果。

RTK釐米級定位的前提是你須要接收到足夠多的衛星信號，但在實際場景如隧道、車庫、高樓的環境下因爲難以接收到衛星信號效果是仍是不好的，這時候必須藉助於其它定位手段(激光雷達定位、視覺定位、慣性導航設備定位等)實現釐米級定位。