智慧駕駛背景分析
1.1 智慧駕駛對高精度定位的需求
汽車的電動化、智慧化、網聯化、共享化正在加速下一代汽車產業變革的到來，智慧網聯汽車已成為全球汽車產業發展的重要戰略方向。當前，國內外大部分主機廠都在積極進行L3級自動駕駛車型的量產準備，均將2022年前後作為L3級自動駕駛汽車量產的時間節點，今年部分主機廠已宣稱推出了具有L3級自動駕駛功能的智慧網聯汽車。
圖1自動駕駛
從自動駕駛分級可以看出，L3級自動駕駛是自動駕駛技術的分水嶺，L3級之前的自動駕駛系統仍然為輔助功能，對高精度定位非硬性需求；從L3級開始標誌著進入自動駕駛階段，車輛的部分控制權甚至全部控制權會被交給系統，自動駕駛車輛對定位的精度要求必須達到亞米級甚至釐米級，因此，L3級及以上自動駕駛車輛離不開安全、穩定、可靠的高精度位置資訊。但是，對於L3級及以上等級自動駕駛車輛，從環境感知、決策執行到網聯通訊等諸多環節，均存在不同技術方案和路線，不確定性和投入風險較大。
1.2 高精度定位對於智慧駕駛的必要性
在全工況下提供準確安全可靠的高精度定位資訊，是智慧網聯汽車安全行駛的重要前提。精準的車輛定位資訊能夠幫助車輛更好的使用高精度地圖，併為決策規劃、運動控制模組提供有效的引數資訊。高精度定位模組是智慧網聯汽車的核心模組，也是車輛自主導航、自動駕駛的重要支撐。
車輛自主導航方面，目前最常見的單頻衛星定位系統的定位精度一般在5-10米，對一些重要的應用場景造成較大的困擾。比如車輛無法區分行駛在主路上還是輔路上，車輛處於高架上還是高架下的道路等，車輛缺高精度的定位資訊，將對車輛的安全行駛造成較大的安全隱患。
對於自動駕駛車輛，尤其是L3及以上級別的自動駕駛車輛，對高精度定位的需求是剛性的，不可或缺的是對車輛定位的需求主要體現在三個方面：精度、可靠性和實時性。定位精度要求達到釐米級，並且，在複雜場景下，如高架橋、隧道等具有較高的定位可靠性。對定位的實時性也具有較高的要求，定位的實時性不好，會降低定位的精度。例如，一輛時速72公里的汽車，每一毫秒行駛的距離是2釐米，如果它的延遲能達到10毫秒，僅僅是延遲帶來的定位誤差就會達到0.2米。
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5G+北斗高精度定位天作之合
北斗系統是國家著眼安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立執行的時空基礎設施，2020年，北斗系統實現全球組網，為全球使用者提供定位導航等服務，全球定位精度可達到五至十米，授時精度可達到十到二十納秒。各相關行業單位均在大力推廣北斗系統的應用。
5G作為新一代資訊通訊技術演進升級的重要方向，是實現萬物互聯和網路智慧的關鍵基礎設施、經濟社會化轉型的重要驅動力量。相對於4G，5G將以一種全新的網路架構，提供峰值10Gbps以上的頻寬、毫米級時延和超高密度連線，實現網路效能新的提升，開啟萬物互聯新時代。
車載終端要實現精準位置感知，高精度定位不可或缺。目前，就室外來說，在衛星訊號接收不到或衛星訊號不穩定的高架橋下、隧道、林蔭遮擋和城市峽谷等各類複雜場景，容易導致不精確，透過構建“5G+北斗”高精度定位網路，能夠提供釐米級定位服務，豐富5G生態應用，以此打造全場景高精度的位置感知，從而實現在這些場景下的穩定可靠精準定位，未來北斗高精度將進一步賦能智慧城市、智慧交通和網際網路的發展。
圖2 5G+北斗應用於智慧駕駛
5G與北斗的融合可以實現天地一體、通導一體，促進萬物互聯與精準協同，將成為新基建邁向數字化、智慧化，實現升級改造不可或缺的重要支撐，是自動駕駛對於亞米級甚至釐米級的定位精度需求的重要保障。
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5G+北斗高精度定位的實現方案
為實現北斗快速、高精度定位，當前主要採用網路輔助資訊+差分BDS等技術手段，透過行動通訊運營基站提供的網路輔助定位資訊，可以實現北斗快速定位。差分BDS系統由參考站、資料中心、資料鏈和使用者裝置等部分組成。參考站、資料中心和使用者裝置之間的連線都依靠資料鏈，差分BDS系統的連續性、可靠性也取決於資料鏈是否暢通、可靠、有效和安全，是否具有高速率、大容量、低誤位元速率的資料傳輸能力。因此，資料鏈在差分BDS系統中起著關鍵性的作用。
差分BDS系統資料鏈通訊流程可概況為，參考站首先將原始觀測資料實時傳輸至資料中心，然後資料中心實時處理各參考站資料。使用者將自身的NMEA-0183資料透過無線網路技術傳送至資料中心，資料中心根據使用者請求生成使用者的差分改正資訊，並根據無線網路通訊技術將差分改正資訊傳送至使用者裝置。其資料鏈通訊流程如下圖示：
圖3 差分BDS系統資料鏈資料流程
3.1常用的北斗高精度定位技術
載波相位差分技術RTK
載波相位動態實時接收機RTK：Real - Time Kinematic，其原理是：基準站和移動站的接收機不斷的同的衛星進行監測，並且移動站在接收觀測到可視衛星訊號的同時，基準站透過資料鏈將載波相位測量值實時傳送給移動站接收機，移動站接收機將自身的載波相位測量值與所接收的載波相位測量值實時進行資料處理，解算出自身的空間座標，完成高精度定位，載波相位差分的定位精度可達到釐米級。其工作原理如下：
圖4 DGNSS/RTK接收機工作原理框圖
精密單點定位技術PPP
精密單點定位（PPP）技術由美國噴氣動力實驗室（JPL）Zumberge於1997 年提出，在技術的提出與實現為基於實時PPP的商業全球星站差分增強技術發展提供了基礎。PPP技術集成了GNSS標準單點定位和相對定位的技術優點，已發展成為一種新的GNSS高精度定位方法。
圖5 PPP技術原理示意圖
PPP技術僅使用單個接收機即可提供高精度定位，PPP解決方案依賴於從連續執行參考站網路生成的GNSS衛星時鐘和軌道校正，透過衛星或網際網路將其傳送給使用者，無需地面基站即可獲得分米級或釐米級的實時定位。PPP技術的主要侷限性在於它較難解決載波相位整週模糊度，而是使用對它們的估計值，這導致需要較長的初始化時間來解決任何區域性誤差，如大氣條件、多徑和星座幾何形狀等，初始化時間一般在5-30分鐘。
輔助北斗快速定位技術A-BDS
A-BDS即輔助北斗定位技術，它可以提高北斗衛星定位系統的效能。透過行動通訊運營基站A-BDS可以快速地定位。在衛星定位訊號傳播條件較差的環境中，例如一座城市，衛星定位訊號可能會被許多不規則的建築物、牆壁或樹木消弱。在這樣的條件下，A-BDS系統可透過運營商基站資訊來進行快速定位。A-BDS的基本思想是透過在衛星訊號接收效果較好的位置上設定若干參考衛星定位接收機，利用A-BDS伺服器透過與終端的互動獲得終端的粗略位置，然後透過行動網路將該終端需要的星曆和時鐘等輔助資料傳送給終端，由終端進行BDS定位測量。A-BDS技術具有定位時間短、耗電量低、靈敏度高等顯著優勢。
圖6 A-BDS系統工作原理示意圖
北斗地基增強系統
北斗地基增強旨在建立以北斗為主、相容其他衛星導航系統的高精度衛星導航服務體系。利用北斗/GNSS高精度接收機，透過地面基準站網，利用衛星、行動通訊、數字廣播等播發手段，在服務區內提高1-2米、分米級和釐米級實時高精度導航定位服務。
北斗星基增強系統
北斗星基增強系統是北斗衛星導航的重要組成部分，透過地球靜止軌道衛星搭載衛星導航增強訊號轉發器，可向使用者播發星曆誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多組修正資訊，實現對於原有衛星導航系統定位精度的改進。
星基增強系統和地基增強系統相結合，可形成更高效的衛星導航高精度定位服務網路，構建了國土測繪、海洋勘測、精準農業、災害監測、無人機和無人駕駛等專業應用及汽車導航等大眾化應用的高精度位置服務基礎環境。
3.2 北斗高精度定位技術演進路線
衛星高精度定位技術演進路線如下：
圖7 衛星高精度定位技術演進路線
綜上，衛星導航定位技術經歷了三代發展，目前逐步進入第四代：第一代以標準偽距單點定位（SPP）、偽距差分定位（RTD）為代表，圖1.2-2衛星高精度定位技術演進單點定位精度一般為1-10米。第二代以單站RTK 技術、精密單點定位技術為代表，精度可實現亞米到釐米級定位。第三代以網路RTK技術、精密單點定位技術為代表，可提供區域性範圍、廣域範圍分米到釐米級精密定位。第四代為廣域區域統一的精密定位技術，即PPP-RTK，可實現廣域範圍、無源、實時高精度定位。
3.3 5G融合北斗高精度定位
在上述介紹的所有的北斗高精度定位方案中，不管是北斗地基增強、星基增強還是各種新型的差分實現方案中，都需要將差分改正資訊透過行動通訊網路傳遞給使用者，而傳遞方式則是5G的最佳實現方法。5G基站將為北斗高精度定位的實現注入新的發展功能。5G具有高速率、低延時、超高密度連線等特性。融合北斗衛星導航技術與5G通訊帶內定位技術，可彌補北斗室內及遮擋條件下定位效能的不足，同時，也為北斗差分定位方式中差分改正資訊的傳輸提供了可靠的保障。
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R&S黃金組合方案助力
5G+北斗高精度定位測試
隨著智慧駕駛時代的到來，傳統的導航方式已經無法滿足精度需求，越來越多的導航接收機都透過各種方式提高精度指標。常見的差分實現方案，不管是RTK還是PPP亦或地基增強和星基增強方案，5G都在其實現方式上扮演了差分改正資訊的通訊傳遞功能。
羅德與施瓦茨公司的黃金組合方案：SMBV100B+CMW500/CMX500，能很好地滿足上述方案。
圖8 5G+北斗天作之合的高精度定位黃金組合測試方案框圖
> SMBV100B:高精度衛星導航模擬器，可單臺儀表實現多模多頻衛星導航系統測試；
> CMW500/CMX500：實現衛星導航高精度定位中差分改正資訊的模擬，為解決方案提供可靠保障。
> 應用範圍：包括了GNSS模組、TCU元件、整車，可提供傳導和OTA不同的測試方法，也可為車聯網V2X、緊急呼救eCall等提供測試解決方案。
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小結
本文主要介紹智慧駕駛時代對於高精度定位的必要性及單純導航模式下的侷限性而5G具有高速率、低延時、超高密度連線等特性，融合5G+北斗的天作之合方案，為L3級及以上智慧駕駛的實現提供了可靠的效能保障。同時，介紹了當前北斗在實現高精度定位方式上的各種常見方案，包括：RTK、PPP、北斗地基/星基增強等。
羅德與施瓦茨公司的黃金組合儀表SMBV100B+CMW500/CMX500的測試方案，能夠很好應對北斗在高精度測試解決方案上的難題。
