北緯地區(qū)自動(dòng)駕駛汽車(AV)和自動(dòng)駕駛(AD)應(yīng)用的本地化存在許多挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)是嚴(yán)酷的冬季天氣，這限制了視覺(jué)傳感器的實(shí)用性—雪，霧和黑暗對(duì)這些傳感器產(chǎn)生不利影響，同時(shí)極端低溫會(huì)影響傳感器性能。道路上的冰雪會(huì)讓車輪打滑，降低車輪傳感器的精度。
從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的角度來(lái)看，衛(wèi)星系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)的能見度有限，而更活躍的電離層則阻礙了高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的定位。北極地區(qū)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)干擾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也很小，意味著在沒(méi)有替代解決方案來(lái)提高魯棒性的情況下，定位系統(tǒng)容易受到攻擊。
在基礎(chǔ)設(shè)施方面，寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接是地圖更新和交通信息所必需的。在歐洲北極無(wú)人居住區(qū)域(如挪威北部，芬蘭和瑞典)缺乏高質(zhì)量和詳細(xì)的地圖，這限制了基于LiDAR和相機(jī)絕對(duì)定位方法的有用性。此外，人口稀少地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)定期更新，因此限制了潛在的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
本文描述了歐洲航天局支持的一項(xiàng)名為Arctic-PNT創(chuàng)新平臺(tái)的研究項(xiàng)目，它是如何使用芬蘭北部和挪威特殊路段信號(hào)和校正數(shù)據(jù)讓導(dǎo)航更確定可用的。
Aurora Borealis智慧走廊
為了解決上述許多挑戰(zhàn)，沿著E8高速公路建立的Aurora Borealis智能走廊(“Aurora”)旨在驗(yàn)證北極條件下的自動(dòng)駕駛車輛平臺(tái)。它包括芬蘭境內(nèi)的Snowbox 智慧道路和挪威境內(nèi)的Borealis智慧道路。在這些智慧道路上部署和提供多種基礎(chǔ)設(shè)施，以便為自動(dòng)駕駛車提供精確的絕對(duì)定位能力。作為此項(xiàng)活動(dòng)的一部分，芬蘭地理空間研究所(FGI)的一組研究人員使用由芬蘭VTT技術(shù)研究中心的 RobotCar Crew 開發(fā)的名為 Martti 的實(shí)驗(yàn)自動(dòng)駕駛汽車，記錄了2018年3月的相關(guān)定位數(shù)據(jù)。
VTT成立于1942年，是北歐地區(qū)最大的綜合研究機(jī)構(gòu)，它基于大眾途銳開發(fā)了一輛自動(dòng)駕駛原型車Martti，并在芬蘭北部進(jìn)行了測(cè)試。VTT也可能是第一家完全在積雪道路上進(jìn)行測(cè)試的自動(dòng)駕駛公司，因?yàn)閃aymo和Yandex的車只是在薄薄的積雪路面上進(jìn)行了測(cè)試。它的定位方案結(jié)合了GPS，北斗，Glonass，里程計(jì)和基于Wifi的定位。
如圖1所示，10公里長(zhǎng)的Snowbox測(cè)試路段位于西部(芬蘭)拉普蘭的Muonio，35公里長(zhǎng)的挪威北極光測(cè)試部分位于Skibotn和芬蘭邊境Kilpisjärvi 之間。在Snowbox測(cè)試道路的下方和下方安裝了專用儀表，用于感應(yīng)道路狀況和過(guò)往車輛的類別。此外，該區(qū)域中的實(shí)體為所有主要GNSS星座提供高質(zhì)量通信網(wǎng)絡(luò)(例如LTE和5G前測(cè)試網(wǎng)絡(luò))和精確定位服務(wù)。即使衛(wèi)星僅在高度可見低于10°的條件下，也可以使用EGNOS。
最后，Snowbox 提供了道路和周圍環(huán)境的高清地圖資源，超寬帶信標(biāo)可用于GNSS獨(dú)立的精確定位。Aurora Snowbox 中的數(shù)據(jù)和服務(wù)可供潛在用戶免費(fèi)使用。表1總結(jié)了Snowbox和Borealis的可用基礎(chǔ)設(shè)施。
自動(dòng)駕駛汽車中精確絕對(duì)定位的最低操作要求
根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，自動(dòng)駕駛中絕對(duì)定位性能的最低操作要求沒(méi)有單一的標(biāo)準(zhǔn)定義。歐洲GNSS機(jī)構(gòu)(GSA)最近發(fā)布了一份關(guān)于道路使用者需求和要求的報(bào)告，該報(bào)告基于通過(guò)歐洲GNSS用戶咨詢平臺(tái)進(jìn)行的研究，表2顯示了本報(bào)告中定義的AD中絕對(duì)定位的不同用戶要求類別的摘要。
可以看出，自動(dòng)駕駛要求位置估計(jì)的水平精度約為20厘米，95%置信度和可用性優(yōu)于99.9%。因此，Arctic-PNT項(xiàng)目中第一階段數(shù)據(jù)分析的目的就是調(diào)查Snowbox使用GNSS，SBAS以及使用參考網(wǎng)絡(luò)校正數(shù)據(jù)的精確定位是否可以達(dá)到這種精度和可用性性能水平。請(qǐng)注意，使用其他本地化技術(shù)和完整性性能驗(yàn)證定位性能超出了實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的范圍，但不在此范圍內(nèi)。
實(shí)地測(cè)量
測(cè)量活動(dòng)在2018年3月26日至28日期間進(jìn)行了三天，當(dāng)時(shí)Snowbox測(cè)試道路上仍有相當(dāng)多的積雪。每天在多個(gè)時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，以確保記錄天氣，路面，能見度，衛(wèi)星幾何形狀，電離層以及動(dòng)物和車輛交通等的各種條件。有一天保留在挪威境內(nèi)的北歐化工測(cè)試路線上進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。使用專用級(jí)專業(yè)級(jí)GNSS接收器和高級(jí)慣性測(cè)量單元(IMU)計(jì)算參考軌跡。
VTT實(shí)驗(yàn)自動(dòng)駕駛汽車Martti用于測(cè)量活動(dòng)，這是一輛大眾途銳，配備了全自動(dòng)操作所需的傳感器，執(zhí)行器和控制系統(tǒng)。傳感器套件包括GNSS接收器，環(huán)境感知傳感器(RADAR，LiDAR和攝像頭)，車輛動(dòng)力學(xué)傳感器以及用于來(lái)自車輛內(nèi)置傳感器的數(shù)據(jù)流的CAN總線連接。此外，ITS-G5和蜂窩LTE通信設(shè)備也可用。傳感器數(shù)據(jù)可通過(guò)車輛內(nèi)的以太網(wǎng)讀取。請(qǐng)注意，盡管記錄了來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)，但在測(cè)量活動(dòng)期間手動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛。
在實(shí)驗(yàn)中使用了大眾市場(chǎng)和專業(yè)級(jí)接收器，并且向所有接收器(包括參考接收器)提供了相同的天線輸入。大眾市場(chǎng)接收器不能處理精確的定位校正數(shù)據(jù)，因此主要用于標(biāo)準(zhǔn)的GNSS定位。此外，專業(yè)級(jí)接收機(jī)能夠?qū)崟r(shí)處理DGNSS和RTK校正，但不能處理基于狀態(tài)空間表示(SSR)的PPP校正。因此，DGNSS和RTK處理是實(shí)時(shí)執(zhí)行的，而PPP處理是在使用FGI開發(fā)的內(nèi)部基于Matlab的FGI-GSRx軟件導(dǎo)航引擎后執(zhí)行的。
通過(guò)在Aurora Snowbox和Borealis智能道路以及沿其部署的各種基礎(chǔ)設(shè)施下采集數(shù)據(jù)對(duì)比絕對(duì)誤差數(shù)據(jù)，使用專業(yè)級(jí)天線接收進(jìn)行精確的點(diǎn)定位和網(wǎng)絡(luò)RTK校正，可以在動(dòng)態(tài)條件下滿足精度和可用性要求。與此同時(shí)，特別是在穿越國(guó)際邊界或SBAS衛(wèi)星可見時(shí)，通過(guò)蜂窩數(shù)據(jù)提供GNSS校正數(shù)據(jù)，確定了誤差，為自動(dòng)駕駛汽車在本地行駛做了充分的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。
總結(jié)
這是一個(gè)很有意思的項(xiàng)目，它在北極附近做自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)。要知道，北極除了溫度很低影響傳感器性能以外，那里的GPS信號(hào)往往是失效的。在這種極端情況下就要探索新的定位方法，目前的方法主要有通過(guò)實(shí)現(xiàn)多信到L頻率波段，用慣導(dǎo)與衛(wèi)星導(dǎo)航配對(duì)，彌補(bǔ)電離層閃爍導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺口;還有就是增加地球軌道增強(qiáng)衛(wèi)星星座等方法。總而言之，在北極附近做無(wú)人車是個(gè)巨大的考驗(yàn)。
