高偉健 儲(chǔ)江偉 李春雷

摘 要：? 無人駕駛車輛定位技術(shù)成為無人駕駛車輛研發(fā)的主要方向。為提高無人駕駛車輛的定位精度，本文提出一種基于網(wǎng)絡(luò)差分定位的方式，利用CORS網(wǎng)絡(luò)差分測(cè)量的點(diǎn)定位形成無人駕駛車輛行駛軌跡。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位精度可以提升30%，也相應(yīng)的提升30%車輛行駛軌跡精度，但是在惡劣氣候下車輛定位精度具有較大波動(dòng)。本文采用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位和航跡推算定位相融合的方法，提高無人駕駛車輛定位精度的穩(wěn)定性，保證車輛安全行駛。

關(guān)鍵詞： 無人駕駛車：網(wǎng)絡(luò)差分定位：CORS網(wǎng)絡(luò);坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;航跡推算

中圖分類號(hào) ：U469.6;U463.6??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A??? 文章編號(hào) ：1006-8023（2020）02-0097-06

Research on Location of Driverless Vehicle Based on CORS Network Differential

GAO Weijian， CHU Jiangwei*， LI Chunlei

（School of Traffic and Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： Driverless vehicle positioning technology has become the main direction of driverless vehicle research and development. In order to improve the positioning accuracy of driverless vehicles， this paper proposes a method based on network differential positioning， which uses the point positioning of CORS network differential measurement to form the driving track of driverless vehicles. Compared with the CORS network differential positioning， the positioning accuracy can be improved by 30% and the driving trajectory accuracy can be improved by 30% correspondingly. However， the positioning accuracy of the vehicle fluctuates greatly in severe weather. In this paper， the method of integrating the CORS network differential positioning and the track estimation positioning is adopted to improve the stability of the positioning accuracy of the driverless vehicle and ensure the safe driving of the vehicle.

Keywords： Driverless vehicle： network differential positioning： CORS network; coordinate conversion; track calculation

收稿日期： 2019-11-17

基金項(xiàng)目： 國(guó)家林業(yè)局“948”項(xiàng)目（2015-04-33）

第一作者簡(jiǎn)介： 高偉健，碩士研究生。研究方向：載運(yùn)工具技術(shù)狀態(tài)檢測(cè)與性能仿真。E-mail：gwj19900414@126.com

*通信作者： 儲(chǔ)江偉，博士，教授。研究方向：汽車技術(shù)狀態(tài)檢測(cè)與性能仿真。E-mail：cjw62@163.com

引文格式： 高偉健，儲(chǔ)江偉，李春雷. 基于CORS網(wǎng)絡(luò)差分的無人駕駛車定位研究 [J].森林工程，2020，36（2）：97-102.

GAO W J， CHU J W， LI C L. Research on location of driverless vehicle based on CORS network differential[J].Forest Engineering，2020，36（2）：97-102.

0 引言

無人駕駛已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代最熱門的汽車話題之一[1-2]。無人駕駛車輛定位是為車輛提供準(zhǔn)確的位置信息來保證車輛能夠在交通道路中安全行駛，為現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)提供重要的信息資源，保證交通道路中行人以及車輛的安全[3-4]。

目前無人駕駛車輛的定位方式有很多種，應(yīng)用最為普遍的是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)[5]，可以實(shí)現(xiàn)全天候的不間斷定位，但其定位精度一直保持在米級(jí)，為滿足無人駕駛車輛的高精度定位，需要相應(yīng)的輔助手段。衛(wèi)星定位和航跡推算融合定位就是復(fù)合手段之一，航跡推算（Dead Reckoning，DR）[6]技術(shù)是利用車輛的航向、速度等一系列傳感器信息自主推算出車輛相對(duì)于起點(diǎn)的位置，可以在短時(shí)間內(nèi)保持精度，但由于傳感器自身誤差，定位精度會(huì)隨著時(shí)間的增加而累積?，F(xiàn)在最能符合無人駕駛車輛定位精度要求的方法為視覺定位技術(shù)[7]，該技術(shù)利用攝像頭或者激光雷達(dá)生成地圖信息，與繪制完成的高精度地圖進(jìn)行匹配，獲得無人駕駛車輛的絕對(duì)位置，唯一的缺點(diǎn)就是高精度地圖的繪制會(huì)產(chǎn)生巨大的成本[8]。

本文采用我國(guó)自主研制的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，相比其他的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在空間段提供更好的混合導(dǎo)航星座;在地面段擁有更多的地面站;在用戶段能夠提供更為全面的應(yīng)用及服務(wù)。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)的定位精度，再通過航跡推算法進(jìn)一步滿足無人駕駛車輛的車道級(jí)定位精度需求[9]。

1 差分定位技術(shù)

1.1 差分定位的基本原理

衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)由衛(wèi)星、基準(zhǔn)站和移動(dòng)用戶端組成，如圖1所示。衛(wèi)星定位以北斗衛(wèi)星（BDS）為主，GPS衛(wèi)星為輔，進(jìn)行組合差分定位?；鶞?zhǔn)站必須固定在已知位置和視野開闊地帶，以降低多路徑對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生的測(cè)量影響，基準(zhǔn)站接收機(jī)先對(duì)定位進(jìn)行計(jì)算，并形成固定解，然后基準(zhǔn)站接收機(jī)才能形成差分修正數(shù)據(jù)，將差分修正數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)接收機(jī)，幫助用戶進(jìn)行高精度的定位導(dǎo)航[10]。

1.2 CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位及原理

近年來，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，為無人駕駛車輛定位研發(fā)出了CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位技術(shù)[11-12]，通過在城市中建立地基增強(qiáng)站和開發(fā)自主定位的算法，使定位精度提升至厘米級(jí)或毫米級(jí)。CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位技術(shù)原理如圖2所示。通過多個(gè)連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站獲取數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電流層延遲、對(duì)流層延遲以及衛(wèi)星軌道等相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過大型數(shù)據(jù)中心的計(jì)算，把修正后的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或者4G通信技術(shù)傳輸給用戶端，用戶端通過接收差分?jǐn)?shù)據(jù)來提升定位精度[13]。

綜上所述，差分技術(shù)受限于基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的距離。隨著距離的增大導(dǎo)致定位精度逐漸下降，而CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位則能通過用戶的前期粗略坐標(biāo)，為用戶建立虛擬參考站，通過數(shù)據(jù)中心修正由電離層和對(duì)流層等引起的誤差，將修正后的數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬參考站和用戶，從而保證定位的高精度[14]。

2 空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

地球并不是一個(gè)規(guī)則的球體，但可以近似為一個(gè)橢球體，地平面凹凸不平，利用北斗衛(wèi)星測(cè)量得到的只是經(jīng)緯度和高度，對(duì)于無人駕駛車輛并沒有直接的用途，需要把大地坐標(biāo)的經(jīng)度（L）、緯度（B）、高度（H）轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)系內(nèi)（X、Y、Z）提供給無人駕駛車輛，就可以得出無人駕駛車輛的位置信息。

2.1 大地坐標(biāo)系

在不同類型的大地坐標(biāo)系下，高斯投影的精度和位置關(guān)系也會(huì)產(chǎn)生很大差別，本文采用最新的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000），這樣不僅可以保障無人駕駛車輛的定位精度需求，還為后面的數(shù)據(jù)處理提供相應(yīng)的理論依據(jù)[15]。

2.2 高斯投影及其公式

高斯投影是假定有一個(gè)橢圓柱面橫套在地球橢球體外面，并與一條中央子午線相切，橢圓柱的中心軸穿過橢球體中心，然后用一定的投影方法，將中央子午線兩側(cè)各一定經(jīng)差范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上，將此柱面展開就為高斯直角坐標(biāo)系，如圖3所示。中央子午線和赤道線的投影均為直線，兩者相交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以中央子午線的投影作為X軸橫坐標(biāo)，赤道線的投影為Y軸縱坐標(biāo)[16-17]。

在無人駕駛車輛的定位中經(jīng)緯度數(shù)值不能直接被使用。需要利用高斯投影公式轉(zhuǎn)化成高斯直角坐標(biāo)系來提供給車輛。公式為：

X=Lm+ a/ ?1-e2sin2B? 2 sin Bcos Bl2+

a/? 1-e2sin2B? 24? sin Bcos3B（5-τ2+9η2+4η4）l4+? a/? 1-e2sin2B? 720 sin Bcos5B（61-58τ2+τ4）l6? Y= a? 1-e2sin2B? cos Bl+ a/? 1-e2sin2B? 6 cos3B·

（1-τ2+η4）l3+ a/? 1-e2sin2B? 120 cos5B·（5-18τ2+τ4+14η2-58τ2η2）l5

式中：X和Y分別代表高斯投影的橫縱坐標(biāo);B為大地緯度;l為距中央子午線經(jīng)差;a為參考橢球體半徑;Lm為緯度對(duì)應(yīng)子午線弧長(zhǎng) m;η2= e2 1-e2 cos2B;τ=tg B。

通過該公式可知其計(jì)算量很大，應(yīng)用Matlab軟件編寫計(jì)算程序?qū)Υ罅康亩ㄎ粩?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

3 定位數(shù)據(jù)處理及分析

本文采用BDS為主，GPS為輔的兩種衛(wèi)星組合定位進(jìn)行測(cè)量，先對(duì)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后形成整條路徑定位精度的分析。在點(diǎn)定位時(shí)，進(jìn)行有無網(wǎng)絡(luò)差分定位數(shù)據(jù)對(duì)比，以及在特定的環(huán)境中（對(duì)流層發(fā)生突變?nèi)缪┨斓龋┒ㄎ痪鹊膶?duì)比分析[18-19]。

3.1 定位試驗(yàn)

首先對(duì)一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，選擇一天的9點(diǎn)、12點(diǎn)、15點(diǎn)和18點(diǎn)的4個(gè)不同的時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)，通過定位設(shè)備顯示的經(jīng)緯度為（B，L，H）;其次利用均方根公式對(duì)測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算，RMS值越小代表數(shù)據(jù)越可靠;再次應(yīng)用高斯投影公式將其轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)值（X，Y）;最后對(duì)比分析定位精度和定位距離得出兩種定位方式哪個(gè)更符合無人駕駛車輛定位要求。

3.2 晴天定位數(shù)據(jù)分析

選取某一個(gè)點(diǎn)在不同時(shí)段內(nèi)的100次定位精度波動(dòng)情況，如圖4所示。圖4為2018年12月11日15點(diǎn)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，A表示晴天應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位，B表示沒有應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位，為尋求更為精確的定位誤差，對(duì)預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過兩者的距離來判斷其定位精度的差別。應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位與沒有應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位相比，精度波動(dòng)比較小，更加穩(wěn)定。無CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位技術(shù)受制于基準(zhǔn)站和用戶之間的距離，超過3 km以后定位精度逐漸降低。

圖5為選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)并進(jìn)行50次分析，B折線為80%的測(cè)量點(diǎn)與預(yù)設(shè)點(diǎn)的距離在30 cm以下，A折線為80%的測(cè)量點(diǎn)與預(yù)設(shè)點(diǎn)的距離在20 cm以下，得出應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位精度大約提升30%。

3.3 雪天定位數(shù)據(jù)分析

在2018年12月26日15點(diǎn)雪天定位時(shí)，CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位會(huì)出現(xiàn)突然異常波動(dòng)，大大降低了定位精度。通過對(duì)天氣變化（雪天）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，剛下雪時(shí)，對(duì)流層的突然變化對(duì)定位精度產(chǎn)生影響，這種異常波動(dòng)情況無任何規(guī)律。因?yàn)镃ORS網(wǎng)絡(luò)差分定位的數(shù)據(jù)中心接收到對(duì)流層突變信息，才能改變對(duì)流層延遲模型，并進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)整，所以在調(diào)整對(duì)流層延遲模型過程中，會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生較大影響。

雪天定位精度對(duì)比如圖6所示，曲線C表示雪天應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位，分析曲線A和曲線C可知，雪天應(yīng)用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位的精度大約降低30%以上，并且定位精度波動(dòng)幅度較大。

這種定位不穩(wěn)定的現(xiàn)象會(huì)對(duì)點(diǎn)定位精度產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)由點(diǎn)形成的無人駕駛車輛行駛軌跡影響很大，導(dǎo)致車輛偏離自己的行駛軌跡，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不停地工作，不能保持一定的直線或者弧線行駛，進(jìn)而造成交通事故等情況。

4 融合定位

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位受到干擾時(shí)，不足以提供絕對(duì)位置信息給車輛，則需要航跡推算法來輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位。航跡推算定位只能在短時(shí)間內(nèi)保持高精度，會(huì)隨時(shí)間的增加產(chǎn)生累計(jì)誤差，與CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位有很好互補(bǔ)性。

4.1 航跡推算定位

航跡推算（DR）是很常見的定位算法之一，廣泛的應(yīng)用在無人駕駛車輛定位系統(tǒng)中。

無人駕駛車輛的運(yùn)動(dòng)可近似為二維空間運(yùn)動(dòng)， 如圖7所示，以（e ，n）建立平面坐標(biāo)系，e為平面坐標(biāo)系正東方向，n為平面坐標(biāo)系正北方向。已知車輛的起始點(diǎn)（e0，n0）和航向角θ0，根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的車輛行駛距離和航向角變化，可以推算出車輛下一個(gè)位置。這是航跡推算原理。

由圖7可知

e2=e1+d1sin θ1=e0+d0sin θ0+d1sin θ1n2=n1+d1cos θ1=n0+d0cos θ0+d1cos θ1?? 當(dāng)采樣的周期恒定且頻率夠高時(shí)，上面公式可記為：

ek=e0+∑ k-1 i=0 viTsin θink=n0+∑ k-1 i=0 viTcos θi

式中：vi是在第i 個(gè)采樣周期Ti時(shí)刻下測(cè)量的車輛縱向速度。

4.2 融合定位原理

CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位和航跡推算融合定位原理如圖8所示。衛(wèi)星定位系統(tǒng)首先根據(jù)接收機(jī)觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)和幾何分布結(jié)構(gòu)，確定衛(wèi)星是否有效以及定位精度波動(dòng)情況。當(dāng)衛(wèi)星定位符合條件時(shí)，利用CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位模式，輸出的定位數(shù)據(jù)可以對(duì)航跡推算定位系統(tǒng)的初始值進(jìn)行更新;當(dāng)衛(wèi)星定位無效時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到航跡推算定位。因?yàn)楹桔E推算傳感器會(huì)隨時(shí)間的增加而產(chǎn)生誤差，所以當(dāng)CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位滿足定位精度時(shí)，立即對(duì)航跡推算定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新并消除誤差。

4.3 融合定位數(shù)據(jù)分析

通過融合定位系統(tǒng)可以在CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)保持定位精度。圖9為融合定位數(shù)據(jù)，

曲線D代表融合定位。分析曲線A和曲線D可得出融合定位系統(tǒng)在10 s和30 s時(shí)均出現(xiàn)定位精度大幅波動(dòng)，在10～30 s和30～50 s兩個(gè)時(shí)間段，航跡推算定位系統(tǒng)起作用，并且定位精度保持穩(wěn)定，但50 s之后融合定位系統(tǒng)的定位精度具有較大波動(dòng)。

5 結(jié)論

基于CORS網(wǎng)絡(luò)差分的無人駕駛車定位研究，本文通過大量定位實(shí)驗(yàn)來對(duì)比不同情況下的定位精度。實(shí)驗(yàn)證明，CORS網(wǎng)絡(luò)差分定位的精度比普通差分定位提升30%。在惡劣天氣情況下，定位精度產(chǎn)生較大波動(dòng)，通過航跡推算定位來解決定位精度波動(dòng)問題。

本文旨在尋求一種更適合無人駕駛車輛定位的方案，提升無人駕駛車輛的行駛安全性，雖然上述方案改善了定位精度穩(wěn)定性，但在融合定位實(shí)驗(yàn)中還存在一些問題，還需要對(duì)航跡推算定位進(jìn)一步研究。加入集中式或分散式Kalman濾波器進(jìn)行融合，以期完善定位精度穩(wěn)定性的問題。

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