無聯(lián)機(jī)的航位推算法提供了一種原來無法實(shí)現(xiàn)的基于汽車的導(dǎo)航方法。不論是在隧道、高樓林立的城市還是多層停車場里行駛，UDR都能提供持續(xù)的導(dǎo)航，并且不需要連接車輛自己的網(wǎng)絡(luò)。并且能夠在短時間的信號中斷中持續(xù)導(dǎo)航。

編者按：不論是對用戶還是導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，目前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不盡人意。本文介紹了一種提高準(zhǔn)確性的辦法。?

在汽車中使用“衛(wèi)星導(dǎo)航”的上，我們都面臨挑戰(zhàn)。

無論是工廠安裝的設(shè)備還是后裝的設(shè)備，都有其局限性。有幾個值得我們思考，其中，最明顯的是，當(dāng)駕駛者這些車穿過布滿高樓大廈的城區(qū)時，導(dǎo)航的精度變得有限甚至很差。

在城市中，用戶通常會感受到導(dǎo)航系統(tǒng)的視線干擾和中斷，但城市反而是最需要精確、可靠的導(dǎo)航的地方。高層建筑也可以反射全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的信號，進(jìn)一步弱化了信號清晰度。

另一個常見的情況是，當(dāng)車輛穿過隧道時，導(dǎo)航數(shù)據(jù)就會丟失，當(dāng)車輛駛出時，通常需要一段時間才能重新定位到隧道外的正確位置。

不過，別擔(dān)心，在整個汽車市場，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)開始有了創(chuàng)新。

最初只能在高端汽車中找到的汽車航位推算法（Automotive Dead Reckoning，ADR），將GNSS數(shù)據(jù)與從安裝在車身和車輪上的傳感器收集到的位置信息相結(jié)合。

通過這種方式，使用簡單的航位推測技術(shù)，就可以計(jì)算出當(dāng)前位置相對于上一次GNSS定位（fix）的距離。這要求車輛自身數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成度要足夠高，以便在制造車輛時能進(jìn)行裝配。

UDR（Untethered Dead Reckoning 無聯(lián)機(jī)的航位推算法）是一種有望能夠提供比僅僅使用GNSS更好，又能接近ADR效果的辦法，這種辦法并不需要與車輛網(wǎng)絡(luò)連接起來。UDR通過將慣性傳感數(shù)據(jù)與GNSS數(shù)據(jù)結(jié)合起來推算——參見圖1。

圖1

微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)和微機(jī)電陀羅儀用于提供角度和加速的精確測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)又會與GNSS數(shù)據(jù)結(jié)合，在GNSS信號被干擾或者失真時提供即時的定位修正。

通過記錄車輛最后的位置，例如在一個多層或地下停車場的位置，然后在車輛重新啟動的時候，能夠立即導(dǎo)航。下圖表示了在一個被高建筑物包圍的一個區(qū)域中UDR的定位精度：

圖2

圖2的測試結(jié)果顯示出了GNSS和UDR兩中方案之間的精度差距。UDR方案中，在實(shí)驗(yàn)車輛的擋風(fēng)玻璃上安裝了一個天線。在這次實(shí)驗(yàn)中，UDR方案的定位精度是僅僅使用GNSS的3倍。

另一個實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明UDR在信號不良的條件下的能力。在該實(shí)驗(yàn)中，天線是安裝的車底部的，就在儀表盤的下方，測試結(jié)果如圖3。雖然其絕對位置的定位精度不如將天線安裝在擋風(fēng)玻璃上，但UDR方案的精度仍然是僅用GNSS的3倍。僅僅用GNSS的結(jié)果則是慘不忍睹。

圖3

上述的兩個實(shí)驗(yàn)中，都是用了ublox的UDR組件——NEO-M8U。這一袖珍組件的尺寸僅為12.2 x 16.0 x 2.4 mm，包括了3D慣性傳感器。它能支持多重衛(wèi)星系統(tǒng)的GNSS，能夠接收來自GPS、GLONASS，北斗和伽利略等系統(tǒng)的信號。

另外的UDR組件，EVA-M8E，則更小，它能夠提供相同的功能，但是為了獲取更高精度的信息，需要額外安裝的陀螺儀和加速度計(jì)。

那些完全集成的UDR組件，例如NEO-M8U，能夠協(xié)助系統(tǒng)到到最高的定位精度。圖4顯示了M8的設(shè)計(jì)?？梢钥吹贸?，M8使用了一個斤耦合的卡爾曼濾波器，能夠?qū)⒆粉櫨鹊男畔⒎答伒紾NSS組件中。

卡爾曼濾波器，也是一種線性二次估計(jì)算法，基于一系列的測量用來估計(jì)車輛的位置，并提供更精準(zhǔn)的定位。通過這種方法，有可能是衡量了所有GNSS和傳感器信號之后，再得出3D精度最高的結(jié)果。

當(dāng)在城市林立的高樓之間導(dǎo)航時，從一個或兩個衛(wèi)星中獲得的數(shù)據(jù)都能增加航位推算法的定位精度。而如果不用這種方法，定位精度將會非常差，甚至根本無法定位。

圖4

UDR方案的另外一個重要的特點(diǎn)是，該方案能夠提供高刷新頻率的定位信息，或者是實(shí)時的高導(dǎo)航率結(jié)果（HNR，High Navigation Rate）。當(dāng)僅僅依賴于GNSS信號時，位置的計(jì)算存在內(nèi)部的長時間延遲。

大眾市場上典型的使用GNSS的系統(tǒng)，其最大的刷新頻率是10赫茲，每秒最多修正10次。在能夠獲得衛(wèi)星信號的時候，這樣的系統(tǒng)還能夠在反映汽車所在的區(qū)域。但UDR就不一樣了，它能夠?qū)⑺⑿骂l率提高兩倍。到20赫茲，極大地提高導(dǎo)航率。

圖5

圖5說明了時延在兩種方案中對導(dǎo)航的影響程度?；赩2X基礎(chǔ)設(shè)施的防碰系統(tǒng)和車距保持的關(guān)鍵就是時延，時延越短越好。從圖中可以看出，UDR的時延更短。為了在緊急情況下能夠迅速反應(yīng)，短時延和高導(dǎo)航率對于V2X應(yīng)用來說，是不可或缺的。

在u-blox 的NEO-M8U和EVA-M8E的組件中，包含3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)和組件的溫度傳感器的原始數(shù)據(jù)將會以100赫茲的頻率進(jìn)行更新。這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅?a href="http://m.makelele.cn/tags/uart/" target="_blank">UART或者I2C兼容界面中，能夠用于描述駕駛員表現(xiàn)，在按里程付費(fèi)保險應(yīng)用或者事故重現(xiàn)上也會有用。

如果你有使用基于UDR的系統(tǒng)的打算，最好還是先仔細(xì)考察相關(guān)UDR組件的能力，以及有助于設(shè)計(jì)原型和加快進(jìn)入市場的開發(fā)工具的能力。需要關(guān)注的重點(diǎn)包括他們能夠適應(yīng)的溫度范圍，汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，例如AEC-Q100，以及是否符合如ISO 16750這類規(guī)定了上路汽車運(yùn)行條件的標(biāo)準(zhǔn)。

制作初始的概念模型也需要一些評估套裝或者一些能夠馬上體驗(yàn)的設(shè)計(jì)，例如測試不同的天線位置，評估不同的組件功能，并將GNSS和傳感器的表現(xiàn)用圖表表示出來。

無聯(lián)機(jī)的航位推算法提供了一種原來無法實(shí)現(xiàn)的基于汽車的導(dǎo)航方法。不論是在隧道、高樓林立的城市還是多層停車場里行駛，UDR都能提供持續(xù)的導(dǎo)航，并且不需要連接車輛自己的網(wǎng)絡(luò)。并且能夠在短時間的信號中斷中持續(xù)導(dǎo)航。