朱珩

（蘇州智加科技有限公司，江蘇 蘇州 215100）

汽車自動(dòng)駕駛主要包含環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行等四大部分。其中定位技術(shù)是自動(dòng)駕駛解決方案中不可或缺的一部分，它的目標(biāo)是準(zhǔn)確感知汽車在全局環(huán)境中的相對(duì)位置，將自身看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)并與周圍環(huán)境有機(jī)地結(jié)合起來。定位技術(shù)為汽車自動(dòng)駕駛提供基本的位置導(dǎo)航信息，其精度將直接決定自動(dòng)駕駛的安全性和可靠性。自動(dòng)駕駛定位技術(shù)按照原理不同可分為3類：第一類是基于信號(hào)的定位，例如GNSS；第二類是航跡推算，根據(jù)前一時(shí)刻的位置和方位推算當(dāng)前的位置和方位，例如IMU等；第三類是環(huán)境特征匹配，用觀測(cè)到的特征和數(shù)據(jù)庫中的特征和存儲(chǔ)的特征進(jìn)行匹配，得到當(dāng)前的位置和姿態(tài)，例如Lidar等。

為了提高在高速等復(fù)雜場(chǎng)景下汽車自動(dòng)駕駛定位技術(shù)的穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用組合定位方案，常見組合方式為GNSS/INS組合。

GNSS和INS有著截然不同的優(yōu)缺點(diǎn)，GNSS的優(yōu)點(diǎn)是長期精度高、誤差不隨時(shí)間增大且設(shè)備成本較低；缺點(diǎn)是它的導(dǎo)航信息不夠全面、輸出頻率偏低、衛(wèi)星信號(hào)容易受到干擾以及在室內(nèi)等環(huán)境下接收不到衛(wèi)星信號(hào)而無法使用。而INS的優(yōu)點(diǎn)是自主性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、導(dǎo)航信息全面且輸出頻率高；但其缺點(diǎn)是定位誤差隨時(shí)間不斷積累，長期精度較差。從上述對(duì)INS和GNSS的優(yōu)缺點(diǎn)描述中可以看出，2種系統(tǒng)具有非常好的互補(bǔ)特性，因而GNSS/INS組合導(dǎo)航可以有效克服單一導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提供高頻率的導(dǎo)航信息（位置、速度和姿態(tài)）并在長短期導(dǎo)航任務(wù)中均能具備較高精度及良好的穩(wěn)定性。

采用基于卡爾曼濾波的最優(yōu)估計(jì)方法，融合GNSS和INS導(dǎo)航定位信息，可以得到高可靠性的導(dǎo)航結(jié)果，GNSS還能夠有效降低INS數(shù)據(jù)誤差漂移，而INS可以在GNSS信號(hào)中斷時(shí)提供連續(xù)的導(dǎo)航信息。典型的GNSS/INS組合系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 GNSS/INS組合系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中濾波器通?？梢赃x擇卡爾曼濾波（KF）或KF各種變體如LKF、EKF等方法，它會(huì)針對(duì)INS和GNSS輸出的導(dǎo)航信息進(jìn)行比對(duì)求差，估計(jì)載體位置、速度和姿態(tài)等一系列狀態(tài)參數(shù)的偏差并對(duì)組合導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行修正。圖中虛線部分描繪的是組合導(dǎo)航系統(tǒng)可選的鏈路，該鏈路的建立方式取決于組合導(dǎo)航的模式。

1 誤差反饋模式

在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，通常采用兩種誤差反饋機(jī)制，即開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

1.1 開環(huán)結(jié)構(gòu)

在開環(huán)結(jié)構(gòu)中，針對(duì)載體位置、速度和姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)的修正過程將在INS設(shè)備外部完成，然后，參數(shù)估計(jì)誤差會(huì)在每次迭代計(jì)算時(shí)從INS的輸出結(jié)果中相應(yīng)扣除。在這種情況下，狀態(tài)參數(shù)誤差或修正的狀態(tài)參數(shù)不會(huì)反饋至INS系統(tǒng)。開環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 GNSS/INS組合開環(huán)結(jié)構(gòu)

開環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)卡爾曼濾波器出現(xiàn)異常情況時(shí)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)仍然可以輸出原始的INS結(jié)果以支持完好性監(jiān)測(cè)及確保導(dǎo)航服務(wù)連續(xù)運(yùn)行。但是，由于INS的慣性漂移沒有經(jīng)過補(bǔ)償，慣導(dǎo)誤差隨時(shí)間不斷累積，會(huì)不可避免地導(dǎo)致線性系統(tǒng)假設(shè)失效。因此，開環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與卡爾曼濾波器相關(guān)性較強(qiáng)，更容易導(dǎo)致卡爾曼濾波器性能下降。

1.2 閉環(huán)結(jié)構(gòu)

在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，由卡爾曼濾波器估計(jì)的狀態(tài)參數(shù)誤差通過反饋的形式對(duì)INS進(jìn)行誤差修正，此種情況下，INS的輸出即是組合導(dǎo)航結(jié)果。當(dāng)誤差估計(jì)反饋完成后，載體濾波的位置、速度、姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)將重置為0。閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 GNSS/INS組合閉環(huán)結(jié)構(gòu)

由圖3可以看出，卡爾曼濾波器估計(jì)的加速度計(jì)和陀螺儀誤差在每個(gè)周期內(nèi)會(huì)通過反饋來修正IMU測(cè)量值，然后，用于計(jì)算系統(tǒng)模型。

2 組合導(dǎo)航類型

GNSS/INS組合導(dǎo)航類型通常有3種：松組合、緊組合及深組合。

2.1 GNSS/INS松組合

在GNSS/INS松組合結(jié)構(gòu)下，GNSS和INS相互獨(dú)立工作并提供各自的導(dǎo)航信息。為了提高導(dǎo)航性能，松組合通常會(huì)首先將GNSS輸出的載體位置和速度輸入卡爾曼濾波器，同時(shí)，INS預(yù)測(cè)的位置、速度和姿態(tài)等參數(shù)也作為濾波器的輸入。濾波器針對(duì)兩種導(dǎo)航信息進(jìn)行求差并基于相應(yīng)的誤差模型估計(jì)INS狀態(tài)參數(shù)誤差。然后，采用這些誤差參數(shù)修正INS導(dǎo)航結(jié)果并得到組合導(dǎo)航解。松組合模式的特點(diǎn)在于GNSS系統(tǒng)單獨(dú)使用一套濾波器，其架構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 GNSS/INS松組合架構(gòu)

GNSS/INS松組合模式易于實(shí)現(xiàn)，在開環(huán)結(jié)構(gòu)下可以提供3種導(dǎo)航信息（原始GNSS導(dǎo)航結(jié)果、原始INS導(dǎo)航結(jié)果及組合導(dǎo)航結(jié)果）；而在閉環(huán)結(jié)構(gòu)下可以提供兩種導(dǎo)航信息（原始GNSS導(dǎo)航結(jié)果和組合結(jié)果）。松組合模式的主要缺陷在于當(dāng)GNSS有效衛(wèi)星數(shù)不足時(shí)，無法提供GNSS輔助信息，并且由于卡爾曼濾波假設(shè)要求觀測(cè)噪聲是與時(shí)間無關(guān)的白噪聲，而GNSS濾波輸出的導(dǎo)航信息是時(shí)間相關(guān)的，所以這種特性會(huì)影響濾波性能，繼而影響組合系統(tǒng)性能。

2.2 GNSS/INS緊組合

GNSS/INS緊組合是一種集中式的組合模式，它僅使用一個(gè)濾波器。該模式將GNSS距離觀測(cè)量和距離變化率觀測(cè)量與相應(yīng)的INS預(yù)測(cè)值求差后輸入卡爾曼濾波器估計(jì)INS狀態(tài)參數(shù)誤差，因此，INS的輸出經(jīng)過誤差修正后即可得到組合導(dǎo)航結(jié)果。緊組合架構(gòu)如圖5。

圖5 GNSS/INS緊組合架構(gòu)

由于緊組合模式在濾波時(shí)采用的是GNSS原始觀測(cè)值，因此，可以避免松組合模式中因卡爾曼濾波器級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的測(cè)量時(shí)間關(guān)聯(lián)問題。此外，緊組合可以在導(dǎo)航系統(tǒng)接收的GNSS有效衛(wèi)星數(shù)小于4顆時(shí)提供GNSS量測(cè)更新，這種特性使得組合導(dǎo)航系統(tǒng)在城市、森林和峽谷等特殊場(chǎng)景下仍然能獲得連續(xù)穩(wěn)定的導(dǎo)航信息。另一方面，由于緊組合模式需要在濾波器中處理GNSS原始觀測(cè)值，因此，其實(shí)現(xiàn)方式比松組合更加復(fù)雜，同時(shí)，緊組合模式的局限在于它無法輸出原始GNSS導(dǎo)航結(jié)果。綜合來說，在GNSS/INS使用相同硬件條件下，緊組合模式可以取得在導(dǎo)航性能和魯棒性上均優(yōu)于松組合的導(dǎo)航結(jié)果。

2.3 GNSS/INS深組合

GNSS/INS深組合是一種新興的組合模式，是一種深層次的、硬件層面的組合方式。與松組合、緊組合模式相比，深組合在GNSS接收機(jī)端采用回環(huán)校正結(jié)構(gòu)，直接將相關(guān)器輸出的I/Q數(shù)據(jù)作為組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器的輸入，實(shí)現(xiàn)GNSS接收機(jī)相關(guān)器輸出的I/Q信號(hào)與INS導(dǎo)航參數(shù)的融合，利用修正后的INS導(dǎo)航信息控制調(diào)整碼/載波數(shù)控振蕩器。因此，在深組合結(jié)構(gòu)中，GNSS與INS將不再是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，該方案通常需要接入GNSS內(nèi)部硬件，實(shí)現(xiàn)方式比較復(fù)雜，其架構(gòu)如圖6。

圖6 GNSS/INS深組合架構(gòu)

可以看出，深組合模式下相關(guān)器輸出的I/Q信息在理論上滿足觀測(cè)噪聲相互獨(dú)立的特性，因此，深組合模式具有理論上的全局最優(yōu)特性。深組合模式便于GNSS接收機(jī)與INS進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)GNSS接收機(jī)和INS兩者之間相互輔助，可以降低跟蹤頻率，提高抗干擾能力。深組合模式使得導(dǎo)航系統(tǒng)可以在較低的信噪比下工作，并且在衛(wèi)星信號(hào)失鎖的情況下依然能夠得到GNSS導(dǎo)航信息。

3 結(jié)語

汽車定位技術(shù)旨在明確車輛相對(duì)全局的絕對(duì)位置或相對(duì)交通參與者的位置，其準(zhǔn)確性直接影響自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性。當(dāng)前，在復(fù)雜的真實(shí)道路環(huán)境中面向自動(dòng)駕駛的定位技術(shù)還不夠成熟。本文首先總結(jié)了當(dāng)前GNSS/INS組合導(dǎo)航定位3種組合模式的特點(diǎn)，不同模式實(shí)現(xiàn)GNSS和INS導(dǎo)航信息融合的方式在軟件與硬件方面具有不同復(fù)雜度，在車載應(yīng)用時(shí)應(yīng)基于導(dǎo)航設(shè)備成本、導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)與導(dǎo)航性能需求等各個(gè)方面確定GNSS/INS組合模式。同時(shí)，本文提出了一種適用于高速場(chǎng)景下汽車自動(dòng)駕駛的低成本組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)模型，確定系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，分別建立系統(tǒng)狀態(tài)方程及量測(cè)方程，然后，采用卡爾曼濾波進(jìn)行濾波參數(shù)求解。