上一次的分享里，我對(duì)百度 Apollo 計(jì)劃的技術(shù)框架做了介紹，如圖。

如果要完成 Apollo 1.0 的“封閉場(chǎng)地尋跡自動(dòng)駕駛”功能，需要解決一個(gè)重要的問(wèn)題：我（無(wú)人車）在哪？

“我在哪”這個(gè)問(wèn)題，在 Apollo 1.0 的架構(gòu)中完全依賴 GPS（全球定位系統(tǒng)） 和 IMU（慣性測(cè)量單元）。

今天的分享，我會(huì)用盡可能簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，介紹GPS的原理及特性，并談一談，為什么無(wú)人車的定位不僅要依賴GPS，還依賴IMU。我會(huì)在下次的分享中，著重地介紹IMU的功能。

GPS定位原理很簡(jiǎn)單

GPS是全球定位系統(tǒng)（Global Position System）的簡(jiǎn)稱，常見(jiàn)于汽車、手機(jī)中。民用GPS的定位精度在10~20米之間，這是為什么用手機(jī)的GPS定位，有時(shí)候明明在陸地上，卻被認(rèn)為在河里的原因。

GPS定位的原理很簡(jiǎn)單，叫做三角定位法（Triangulation）。原理如圖：

裝在無(wú)人車上的GPS接收機(jī)，首先量測(cè)無(wú)線電信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的傳播時(shí)間，再將傳播時(shí)間乘以光速，即可得到當(dāng)前GPS接收機(jī)到達(dá)衛(wèi)星的距離，有了距離，就可以根據(jù)幾何原理求得位置了。

若已知GPS接收機(jī)到達(dá)1號(hào)衛(wèi)星和3號(hào)衛(wèi)星的距離，那么1號(hào)和3號(hào)衛(wèi)星根據(jù)距離產(chǎn)生兩個(gè)球體（圖中綠色和藍(lán)色的球體），兩個(gè)球體的相交的部分為圓形，該圓形與地球表面靠近的任何一個(gè)點(diǎn)都有可能是當(dāng)前無(wú)人車（GPS接受裝置）的位置。

因此僅根據(jù)這兩個(gè)距離信息，還無(wú)法確定當(dāng)前無(wú)人車的具體位置。此時(shí)通過(guò)引入第三個(gè)衛(wèi)星的距離，就能較為準(zhǔn)確地確定無(wú)人車的位置。這就是三角定位法的原理。

GPS定位精度不太夠

根據(jù)上面的介紹，只要得到無(wú)線電信號(hào)達(dá)到三顆衛(wèi)星的傳播時(shí)間，似乎就能計(jì)算得到無(wú)人車的位置。

可是工程問(wèn)題永遠(yuǎn)沒(méi)有理論計(jì)算那么簡(jiǎn)單！

在空曠且云層稀薄的情況下，無(wú)線電信號(hào)的傳播時(shí)間乘以光速確實(shí)與實(shí)際的距離接近。

但無(wú)線電信號(hào)的傳播時(shí)間多少會(huì)受到傳播介質(zhì)的影響的。諸如云層的稀薄情況、天氣好壞等都會(huì)影響到傳播時(shí)間，進(jìn)而影響到距離的計(jì)算。距離不準(zhǔn)，得到的定位結(jié)果當(dāng)然也不準(zhǔn)了。

為了降低天氣、云層對(duì)定位的影響，工程師們引入了差分GPS的技術(shù)。如下圖所示：

在地面上建基站（Base Station），基站在建立時(shí)，可以得到基站的精確位置信息（經(jīng)緯度）。同時(shí)基站具有接收衛(wèi)星信號(hào)的功能。

當(dāng)基站的GPS接收機(jī)與車載GPS接收機(jī)相距較近時(shí)（<30km），可以認(rèn)為兩者的GPS信號(hào)通過(guò)的是同一片大氣區(qū)域，即兩者的信號(hào)誤差基本一致。根據(jù)基站的精確位置和信號(hào)傳播的時(shí)間，反推此時(shí)天氣原因?qū)е碌男盘?hào)傳播誤差，之后利用該誤差修正車載的GPS信號(hào)，即可降低云層、天氣等對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/span>

使用差分GPS技術(shù)，可以使無(wú)人車的定位精度從10米級(jí)別提升至米級(jí)。

差分GPS可以解決定位的精度問(wèn)題，但是解決不了遮擋和反射問(wèn)題。

當(dāng)無(wú)人車在高樓林立的環(huán)境中行駛時(shí)，這就會(huì)發(fā)生如下問(wèn)題。

1.信號(hào)丟失

GPS接收機(jī)在高樓周圍，很容易失去某一方向、所有的衛(wèi)星信號(hào)，僅依靠另外三面的衛(wèi)星信號(hào)求得的定位結(jié)果，在精度上很難滿足無(wú)人駕駛的需求。

2.多路徑問(wèn)題

在高樓周圍也可能導(dǎo)致原本收不到的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)大樓樓體的鏡面反射被接收到，這種信號(hào)被稱為多路徑信號(hào)（Multi-Path Signal）。從圖中可以看出，根據(jù)多路徑信號(hào)計(jì)算得到的距離會(huì)明顯大于實(shí)際距離。而無(wú)人車是很難判斷，當(dāng)前接收到的信號(hào)是單路徑還是多路徑的。

鑒于以上各種原因，可以看出，單靠GPS這一種傳感器，無(wú)人車在復(fù)雜場(chǎng)景中，很難實(shí)現(xiàn)精確定位。

GPS定位頻率不太高

GPS定位的頻率不怎么高，只有10Hz，即100ms才能定位一次。

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，說(shuō)一說(shuō)為什么10Hz不夠高。

假設(shè)一輛汽車正以72km/h（20m/s）的速度在路上直線行駛，GPS定位的周期為100ms，則一個(gè)周期后，汽車相對(duì)于前一次定位的結(jié)果移動(dòng)了20m/s * 0.1s = 2m，即兩次的定位結(jié)果相距2米。

如果無(wú)人車行駛在一條有曲率的路上，那就意味著，每隔2m，才能根據(jù)自車所在的位置，進(jìn)行一次控制（方向盤轉(zhuǎn)角、油門開度等）的計(jì)算。這種控制頻率下的車輛行駛效果如下圖。無(wú)人車在實(shí)際軌跡兩側(cè)忽左忽右，無(wú)法精確地沿著軌跡行駛。

相對(duì)于理想情況下的控制方法，無(wú)人車的行駛軌跡應(yīng)當(dāng)如下圖，保持極高頻率的定位和控制，每走一小步，都重新進(jìn)行控制的計(jì)算，并執(zhí)行控制。

為了解決GPS頻率太低所帶來(lái)的問(wèn)題，工程師引入了其他傳感器信號(hào)（IMU、激光、視覺(jué)）用以提高無(wú)人車的定位頻率。

這些輔助手段如何實(shí)現(xiàn)會(huì)在以后分享給大家。

小結(jié)

上面的分享不僅介紹了GPS的原理（三角定位）及特性（精度、頻率），同時(shí)也從無(wú)人車控制的角度，討論了為什么僅有GPS無(wú)法滿足無(wú)人車的定位要求。

如果你想對(duì)GPS的信號(hào)接口有更為細(xì)致的了解，可以參看Apollo公開的proto文件。鏈接如下：ApolloAuto gnss.proto。我會(huì)在以后的軟件部分著重分析這些proto文件，敬請(qǐng)期待。

我將在下一次分享中介紹IMU如何與GPS相輔相成，實(shí)現(xiàn)無(wú)人車的穩(wěn)定定位。

參考資料：

圖片出處：https://www.nationalgeographic.org/photo/triangulation-sized/

圖片出處：http://what-when-how.com/gps-with-high-rate-sensors/carrier-smoothed-code-gps/

圖片出處：https://www.e-education.psu.edu/geog862/node/1721

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