除了地圖標(biāo)準(zhǔn)問題外，定位也是面臨難題。地圖和定位是一體的，沒有高精度定位，高精度地圖毫無意義。

有關(guān)無人車的定位有兩種，一種稱之為絕對定位，不依賴任何參照物和任何先驗信息，直接給出無人車相對地球坐標(biāo)或者說WGS84坐標(biāo)系，也就是坐標(biāo)（B,L,H），其中B為緯度，L為經(jīng)度，H為大地高即是到WGS-84橢球面的高度。另一種是相對定位，即有參照物或先驗信息的定位。有像Mobileye這樣的視覺眾包定位REM，視覺對光線變化很敏感，光線每時每刻都在變化，數(shù)據(jù)的一致性幾乎不可能，逆光與背光完全不一樣，某國產(chǎn)轎車逆光下ADAS系統(tǒng)幾乎完全失效，因此準(zhǔn)確度很低。也有基于激光雷達(dá)先驗信息的定位，準(zhǔn)確度極高，但成本也極高，且不可能大范圍（幾百公里）使用。此外，相對定位無法與標(biāo)準(zhǔn)的高精度配合使用，兩者的坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)格式、接口、時間軸完全不同，標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)高精度地圖必須有絕對定位。

圖片來源：百度網(wǎng)

絕對定位是不可缺少的，特別是全局規(guī)劃。而目前絕對定位只能用衛(wèi)星定位，而衛(wèi)星定位除了QZSS，其余都無法做到自動駕駛的車道級定位。這是L3/L4的瓶頸之一。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的英文是 Global Navigation Satellite System (GNSS），雖然直接翻譯過來是導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，但它真正提供的能力是定位，能定位后，導(dǎo)航就變得相對簡單了。衛(wèi)星定位的原理，是利用衛(wèi)星播發(fā)時間信號，當(dāng)設(shè)備接收到后，可以根據(jù)信號發(fā)射時間和本地時間，計算出信號傳輸時間，再結(jié)合光速獲得衛(wèi)星-設(shè)備距離。

有了多顆衛(wèi)星的信號，可以列出一組方程，求解 4個未知數(shù)：設(shè)備的三維坐標(biāo) x/y/z，以及本地時間與 GNSS 系統(tǒng)的時間差。

公式中的代表衛(wèi)星 j 的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)可以通過衛(wèi)星星歷計算獲得。星歷是描述衛(wèi)星運行軌道的一組參數(shù)，衛(wèi)星軌道是一個橢圓，通過幾個參數(shù)和時間，可以唯一確定衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。

星歷的獲取有兩種方式，一種是衛(wèi)星直接播發(fā)，這種方式的好處是定位過程不依賴衛(wèi)星信號以外的任何輸入，即使沒有網(wǎng)絡(luò)也可以定位成功，但問題是衛(wèi)星鏈路帶寬很小，要下載完整星歷，需要 30 秒左右的時間，早期的手機和一些車載設(shè)備定位過程很慢，就是由于這個原因。另一種方式，是通過互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)，這種方式叫 A-GNSS，具體的傳輸協(xié)議叫 SUPL (Secure User Plane Location)，這種數(shù)據(jù)一般不對應(yīng)用層透出，在手機上，操作系統(tǒng)會在底層定時請求 SUPL 數(shù)據(jù)，然后將獲得的星歷注入 GNSS 芯片。有了 A-GNSS，設(shè)備就可以在秒級獲得定位，不需要任何等待過程，目前所有的手機都支持這種方式。A-GNSS 的服務(wù)提供商，主要是通信運營商，以及一些定位服務(wù)商，比如谷歌、千尋位置等。

衛(wèi)星不間斷地向地面廣播信號，這個信號主要包括以下信息：

1、衛(wèi)星編號。用于從星歷中查找衛(wèi)星軌道，再結(jié)合時間戳獲得當(dāng)前衛(wèi)星位置

2、當(dāng)前時間戳。用于獲得衛(wèi)星位置，另一方面計算偽距。偽距是(本地時間-信號發(fā)射時間)*光速，之所以叫偽距，是因為本地時間與衛(wèi)星時間不同步，所以這個距離并不是真正的設(shè)備-衛(wèi)星距離。需要精度很高的時鐘。

3、星歷數(shù)據(jù)。用于計算衛(wèi)星位置。

像其他所有的通信技術(shù)一樣，這些信息也是以報文的形式發(fā)送的，以 GPS 為例，衛(wèi)星會每隔 6 秒發(fā)出一個包，而這個包會分解為數(shù)據(jù)位-CA 碼序列-載波波形，通過天線發(fā)射到地面。地面設(shè)備持續(xù)鎖定衛(wèi)星，在解算時，計算每顆衛(wèi)星當(dāng)前時刻的時間戳（用最近一次收到的時間戳加上報文偏移量），然后進(jìn)行位置解算。

星歷是描述衛(wèi)星運行軌道的一組參數(shù)，衛(wèi)星軌道是一個橢圓，通過幾個參數(shù)和時間，可以唯一確定衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。載波的頻率是 1.5G 左右，波長 20 厘米左右，比移動通信的波長稍長一些，所以信號的穿透性還是比較好的（波長越長，越容易繞開障礙物），可以穿透比較薄的墻壁或屋頂，所以在一些情況下即使無法直接看到天空，也是能定位的。但是衛(wèi)星信號是從上往下，在室內(nèi)很難穿越多層建筑。

有個關(guān)鍵數(shù)據(jù)叫衛(wèi)星仰角，如果仰角不超過48度，衛(wèi)星發(fā)出的信號由于受地面高層建筑物的遮擋，實際只能覆蓋城市面積的30%，不僅覆蓋面積小，且定位精度也低。而日本的“QZSS準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”的仰角在70度（東京地區(qū)達(dá)85度），覆蓋率可達(dá)120%。在中國，北斗主要考慮南方較多，在南方的高仰角北斗衛(wèi)星較多，自動駕駛就好做一些。

衛(wèi)星信號從發(fā)射到被設(shè)備接收，需要經(jīng)過大氣層，其中，大氣電離層有數(shù)千公里厚，這部分大氣非常稀薄，但是存在大量被電離的電子，這部分電子會讓電磁波變慢一點，從而產(chǎn)生延遲。在對流層，也會產(chǎn)生一定的延遲。在地表附近，由于各種建筑、山體、水面的影響，衛(wèi)星信號可能被反射或折射（多徑效應(yīng)），產(chǎn)生延遲。

在衛(wèi)星信號發(fā)射側(cè)和接收側(cè)，也有很多系統(tǒng)相關(guān)的誤差，比如時鐘偏差、處理延遲等，這些延遲加上傳輸延遲，使得衛(wèi)星信號的傳輸時間，并不是準(zhǔn)確的等于物理距離/光速，另一方面，衛(wèi)星的星歷也有誤差，衛(wèi)星位置和真實位置存在偏差，最終造成了定位結(jié)果產(chǎn)生偏差。

要提升定位精度，需要想辦法消除這些誤差，主要有以下幾種方案。

一、雙星（雙模）GNSS

這里不是GPS雙頻。GPS雙頻定位是指同時使用GPS的L1波段和L5波段進(jìn)行定位的技術(shù)，實際應(yīng)該叫雙波段。雙頻定位只能消除電離層誤差，無法消除如多徑誤差等，因此在空曠環(huán)境下可以提高定位精度，在城市建筑密集區(qū)定位精度提升預(yù)計不明顯。這個很容易混淆，現(xiàn)在又提出多頻，即Multi Frequency Global Navigation Satellite System。還有多波段。

所謂的"雙星或多星或多頻"定位，就是同時利用GPS和GLONASS或GPS和BEIDOU來進(jìn)行定位。歐洲人表示不服，為什么沒有Galileo？技術(shù)上講，"雙星"可以是GPS、GLONASS、Beidou、Galileo中任意兩種的組合。但是經(jīng)過長期測試，大家都知道誰好誰壞了，因此實際中一般用的是GPS+GLONASS，或者GPS+Beidou（主要是國內(nèi)在用），性能和成熟度等方面 GPS>GLONASS>Beidou>Galileo。還有三星定位同時使用GPS+GLONASS+Beidou進(jìn)行定位。"雙星"或"三星"定位的好處：可以增加系統(tǒng)冗余，在同一時刻同一位置可以搜索到更多的衛(wèi)星，從而可以提高定位精度。

GPS、GLONASS、BDS、Galileo都采用自己的時間和坐標(biāo)系統(tǒng)，不同系統(tǒng)見觀測量的時間和坐標(biāo)系統(tǒng)有差異，要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并虛求解不同系統(tǒng)時間的偏差，因此多引入一個導(dǎo)航系統(tǒng)就需要多增加一個求解參數(shù)。不過這個純粹是數(shù)學(xué)算法，基本不增加成本。但是射頻、變頻、天線和基帶都需要特別設(shè)計，北斗加GPS的頻點接近，基本只需要改基帶的軟件。但GLONASS不行，需要經(jīng)過不同的變頻通道變換到中頻，這會大大增加成本。射頻是中國的弱項，因為這需要長期的經(jīng)驗積累，雙模多模GNSS基本上被NovAtel壟斷，NovAtel一般只提供板卡，整機大概要1.2-2萬元人民幣不等，板卡有3、6、7三個系列，現(xiàn)在主推的都是7系列，典型如OEM719板卡，價格大約700-800美元（近期似乎有漲價），順便說下，北斗星通是NovAtel板卡主要經(jīng)銷商。

量產(chǎn)車未有使用雙頻GNSS的，因為價格有點高了。

通常只有demo無人車才會用雙模GNSS接收機，例如百度一直用NovAtel的ProPak6，天線是NovAtel GPS-703-GGG-HV，現(xiàn)在ProPak6是老產(chǎn)品，打折后大約要2萬人民幣。

NovAtel的ProPak6，圖片來源：NovAtel

單點雙頻可做到1.2米級的定位，RMS是1 sigma或1倍標(biāo)準(zhǔn)差，如果結(jié)果是無偏的，概率為67%。也就是說67%的情況下定位可到1.2米，其余情況就做不到了，可能是2米，也可能3米。缺點就是太貴了，還有裝一個露在外面的天線，這恐怕是量產(chǎn)車無法接受的。

特斯拉里的定位是GPS模塊是NEO-M8L-01A-81，水平精度圓概率誤差(CEP)為2.5米，有SBAS輔助下是1.5米，接收GPS/QZSS/GLONASS/北斗，CEP和RMS是GPS的定位準(zhǔn)確度(俗稱精度)單位，是誤差概率單位。就拿2.5M CEP說吧，意思是以2.5M為半徑畫圓，有50%的點能打在圓內(nèi)，也就是說，GPS定位在2.5M精度的概率是50%，相應(yīng)的RMS（66.7%）2DRMS（95%）。當(dāng)然很多商家為了參數(shù)好看，只給出CEP。實際95%概率情況下是6米精度，有SBAS輔助95%概率是3.6米精度。已經(jīng)遠(yuǎn)超一個車道了。冷啟動26秒，熱啟動1秒，輔助啟動3秒。顯然，這是無法實現(xiàn)車道級定位的。

二、地基/星基增強（SBAS）

星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差、甚至是電離層和對流層誤差都是可以觀測或建模的，一旦計算出了實時的誤差值，就可以通過一個單獨的通道進(jìn)行播發(fā)，接收設(shè)備在定位過程中使用這些修正項，就可以提升定位精度。播發(fā)的通道一般有兩種，一種是直接通過衛(wèi)星播發(fā)，稱為 SBAS(Satellite-Based Augmentation System)，好處是覆蓋廣，但設(shè)備需要增加額外的信號接收通道；通常需要專用衛(wèi)星。另一種是地基增強，比如通過移動互聯(lián)網(wǎng)，這需要設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)能力。這就意味著有通訊帶寬和延遲的問題，還有移動信號強弱的影響。

這些增強方式對于精度提升是有限的，還是有很多誤差項無法消除，比如電離層誤差。

三、RTK

RTK 是 Real-time kinematic 的縮寫，是一種差分定位。其原理是利用一個參考站提供基準(zhǔn)觀測值，然后用設(shè)備的觀測值與基準(zhǔn)站的觀測值進(jìn)行差分，差分后可以消掉星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差，再進(jìn)行星間差分后可以進(jìn)一步消除掉設(shè)備的鐘差，最終可以算出設(shè)備相對基準(zhǔn)站的相對坐標(biāo)，如果基準(zhǔn)站位置已知，就可以完成準(zhǔn)確的絕對坐標(biāo)，精度可以達(dá)到厘米級甚至毫米級。

RTK 能提升精度的另一個原因是引入了載波相位觀測，相比偽距觀測值，載波相位觀測值的誤差更小。使用 RTK，需要在附近 20km 內(nèi)有參考站（距離太遠(yuǎn)，電離層誤差不一樣，做差分無法完全消除誤差），同時需要持續(xù)不斷地獲得參考站的觀測數(shù)據(jù)（一般通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，使用 RTCM 協(xié)議），因此相對普通的定位，RTK 定位成本較高。RTK 服務(wù)一般由專業(yè)服務(wù)商提供，如千尋位置、六分科技，這些服務(wù)商在全國范圍內(nèi)部署了數(shù)千個基準(zhǔn)站，持續(xù)對訂閱用戶播發(fā)數(shù)據(jù)。

不過RTK也有缺點，那就是播發(fā)數(shù)據(jù)一般要依賴無線通信網(wǎng)，也就是手機。4G的延遲一般在165毫秒以上，已經(jīng)難以做高精度定位，5G會比較好。通常RTK都是和地基增強在一起，即CORS（Continuous Operation Reference Stations ）即連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)CORS主流技術(shù)有四種，分別是VRS、主輔站技術(shù)（i-MAX）、區(qū)域改正參數(shù)（FKP）技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插法技術(shù)。其中VRS技術(shù)市場占有率最高，是目前公認(rèn)的主流，VRS由天寶公司發(fā)明。南方公司則對VRS進(jìn)行了改進(jìn)，命名為NRS，本質(zhì)上還是VRS。

RTK缺點也是很明顯的。RTK確定整周模糊度的可靠性為95~99%，在穩(wěn)定性方面不及全站儀，這是由于RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故。首先，GPS在中、低緯度地區(qū)每天總有兩次盲區(qū)（中國一般都是在下午），每次20～30分鐘，盲區(qū)時衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強度低，RTK測量很難得到固定解。其次，白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進(jìn)行測量。根據(jù)實際經(jīng)驗，每天中午12點～13點，RTK測量很難得到固定解。

四、PPP定位

PPP (precise point positioning) 的原理是對每一種誤差進(jìn)行準(zhǔn)確建模，最終求解出衛(wèi)星和設(shè)備之間的準(zhǔn)確距離。為了確定準(zhǔn)確的誤差，PPP 定位時需要不斷的迭代內(nèi)部參數(shù)，而且，一些衛(wèi)星的誤差只有當(dāng)衛(wèi)星位置變化后才能體現(xiàn)出來，所以 PPP 需要比較長的收斂時間，一般需要 30 分鐘才能收斂到理想的精度，顯然這無法用在汽車領(lǐng)域。

五、QZSS

圖片來源：ASBC

早在1972 年，當(dāng)時的日本電波研究所(現(xiàn)為信息與通信研究所) 就提出了準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)的概念，論證了這種系統(tǒng)很適合日本這樣地處中緯度、國土狹長的國家；2002年11月1日正式成立了新衛(wèi)星商業(yè)公司Advanced Space Business Corporation (ASBC)，共有43家企業(yè)出資，三菱電機公司、 日立制作所和豐田汽車公司等7家企業(yè)持股占77%。

但是事情并不順利，最后還是由日本政府內(nèi)務(wù)省出面接管QZSS項目。日本政府接管后，在2010年9月11日，發(fā)射第一顆衛(wèi)星Michibiki，2011年6月1日，正式提供導(dǎo)航服務(wù)。2017年6月1日，發(fā)射第二顆衛(wèi)星，2017年8月10日，發(fā)射第三顆衛(wèi)星，2017年10月10日，發(fā)射第四顆衛(wèi)星。日本計劃在2023年，將QZSS的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量增加為7顆，屆時將不再依賴美國GPS，即可提供位置信息。2023年-2026年，不加任何地基增強的空間信號測距誤差為2.6米，2027年-2036年，誤差為1米，2036年以后，誤差為0.3米。

圖片來源：JAXA

QZSS之所以能實現(xiàn)高精度定位，主要來自兩個信道的增強，一個是L1-SAIF，另一個是LEX。

圖片來源：QZSS

L1-SAIF可以達(dá)到亞米級精度，一般來說，最高38厘米。LEX可以達(dá)到2厘米精度。

圖片來源：QZSS

L1-SAIF不僅包含時鐘矯正、軌道矯正、電離層矯正，還包括有首次定位加速，同時還有日本本土大約1200個GPS地面觀測站網(wǎng)絡(luò)點的GEONET數(shù)據(jù)。L1-SAIF的碼率為250bps。QZSS的LEX信息格式，數(shù)據(jù)為1695字節(jié)，包頭為49字節(jié)，包尾為256字節(jié)的里德所羅門校驗糾錯碼。LEX的信號調(diào)制，short code的時間只有4毫秒，平方波則比較長，有820毫秒。也就是說星歷的接收從30秒縮到10毫秒左右。目前的GPS接收機可以接收到QZSS信號，但無法解調(diào)出LEX信息。不過只需要在軟件上做改動，即可實現(xiàn)這個功能。

QZSS接收上不需要增加任何硬件成本，只增加軟件成本，蘋果手機就支持QZSS。

QZSS廉價、高效、廣播方式?jīng)]有帶寬的瓶頸，也沒有延遲，是最適合自動駕駛的一種技術(shù)。日本國土狹長，7顆星覆蓋率就可超過100%，對中美這樣的大方塊國家，恐怕得幾十顆低軌道衛(wèi)星。這種基礎(chǔ)工作，恐怕最少要花十年以上的時間才能決策批準(zhǔn)并實施。

六、天寶RTX

Trimble RTX技術(shù)得益于在GNSS定位領(lǐng)域30多年的技術(shù)積累，Trimble在2011年推出了全球精密定位服務(wù)（RTX），并且逐步完善定位服務(wù)性能。Trimble RTX全球跟蹤基站網(wǎng)絡(luò)在全球部署了120個左右的跟蹤基站，對GNSS觀測值進(jìn)行實時跟蹤和存貯，將GNSS觀測值實時發(fā)送給分別位于歐洲和美國的控制中心，控制中心對全星座精密衛(wèi)星軌道、鐘差和大氣建模，得到全球精密定位改正數(shù)。全球精密位置改正數(shù)通過L波段衛(wèi)星（天寶自己的衛(wèi)星）或者網(wǎng)絡(luò)的方式廣播給服務(wù)授權(quán)的終端用戶。

圖片來源：Trimble

典型應(yīng)用就是凱迪拉克的超級巡航。天寶RTX分為4個等級，價格各不相同，硬件差別比較小。凱迪拉克用的可能是ViewPoint RTX，且凱迪拉克由于沒有使用天寶的L2波段衛(wèi)星通訊，估計服務(wù)費很低，一年估計幾十美元，甚至更低。如果使用天寶的L2波段衛(wèi)星，像CenterPoint每年的費用大約2-3千美元。精度可以做到厘米級定位。

最后還要考慮GPS信號有丟失的可能，特別是在高樓林立的市區(qū)。這就需要加入IMU，慣性測量單元。IMU有兩個作用，一個是在GPS信號丟失或者很弱的情況下，暫時填補GPS留下的空缺，用積分法取得最接近真實的定位。所以市區(qū)的無人駕駛，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)必不可少。另一個作用是配合激光雷達(dá)，GPS+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為激光雷達(dá)的空間位置和脈沖發(fā)射姿態(tài)提供高精度定位，建立激光雷達(dá)云點的三維坐標(biāo)系。可用于定位，與其他傳感器融合時，也需要統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系下。定位是最常用的，通過 IMU、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、編碼器和 GPS，得到一個預(yù)測的全局位置。當(dāng)激光雷達(dá)實時掃描單次的點云數(shù)據(jù)后，結(jié)合單次的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并進(jìn)行特征提取。這些特征包括路沿、車道線、高度等周圍點線面的特征。對于高精度地圖，提取過特征與實時提取的特征進(jìn)行匹配，最終得到精準(zhǔn)的車本體速度，這是激光雷達(dá)的定位過程。

高精度的IMU如百度阿波羅用的NovAtel IMU-IGM-A1，售價大約20萬人民幣。當(dāng)然可以不用這么貴的，高速自動駕駛很少建筑物遮蓋，就基本不需要這么貴的IMU。

衛(wèi)星廣播形式是自動駕駛高精度絕對定位的最佳選擇，日本能做到，但中美這種幅員遼闊的大國使用成本太高了。退而求其次是CORS地面站增強，也就是千尋位置這種的，千尋的稱為FindAUTO。

圖片來源：千尋位置

千尋位置推薦的硬件組合如上圖，一般來說至少STA8100級才能用于智能駕駛，STA8090只能用于智能網(wǎng)聯(lián)，整機價格（包括4G）估計不超過2000元。目前FindAUTO可能還沒收服務(wù)費。但是免費是不可能長久的。參考千尋亞米級測繪定位服務(wù)FindM Pro，包年服務(wù)費是300元人民幣，智能駕駛應(yīng)該也是這個價。當(dāng)然這個價格里不包括4G聯(lián)網(wǎng)費用。這需要一直保持4G在線，這筆費用是不低的，如果要做L3級自動駕駛，4G平均200毫秒左右的延遲，如果車時速是72公里，200毫秒就是4米，超出一個車道了，所以5G才能做L3級自動駕駛。

再退一步是雙模接收機，缺點是價格有點高了，基本上都上萬了，或者用國產(chǎn)板卡，價格也要五六千左右，性能就差不少了。用在量產(chǎn)車上還是不行。

總體而言，千尋位置是最適合中國國情的，不過要上L3自動駕駛，5G必不可少。