5G時代下智能汽車GPS定位技術(shù)研究

姜大乾

（吉林城市職業(yè)技術(shù)學院，吉林 長春 130103）

0 引言

1886年世界上誕生了第一輛汽車，之后在電子信息技術(shù)、鋼鐵、機械加工等行業(yè)的支撐和推進下，汽車的生產(chǎn)技術(shù)不斷得到創(chuàng)新和改進，GPS定位技術(shù)和其他一系列先進的技術(shù)被應用到了智能汽車的生產(chǎn)與制造中。隨著人們生活水平的提高，汽車保有量快速上升，汽車作為一種交通得到了普及，隨之而來的就是環(huán)境污染問題和交通事故頻發(fā)問題。城市內(nèi)環(huán)境污染加重、通行效率低下、能源消耗加劇等諸多問題相繼出現(xiàn)[1]。為了提高汽車的安全性能，解決以上問題，人們通過信息技術(shù)等多項人工智能技術(shù)，實現(xiàn)了智能交通系統(tǒng)。智慧交通系統(tǒng)主要被應用于運輸管理體系當中，系統(tǒng)中采用傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代自動控制理論，實現(xiàn)交通運行中參與體（人、路、車）之間的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一關(guān)系。智慧交通系統(tǒng)的實現(xiàn)，要得益于車載GPS定位裝置，它為整個系統(tǒng)提供了實時、準確、有效的數(shù)據(jù)信息。

1 智能汽車GPS定位技術(shù)分析

目前市面的智能汽車主要通過GPS定位技術(shù)開展運動導航工作，隨著5G技術(shù)的日趨成熟與完善，當前車載GPS導航系統(tǒng)也隨之變得更加精確。GPS由于具有成本低、價格廉、方便安裝使用等多項優(yōu)點，已經(jīng)成了中高端汽車的必備裝置之一。但是，一般智能汽車的GPS終端設備也存在不足之處，比如它們的定位精度有限，一般是二到十米之間。為了克服這些不足，獲取汽車在運動過程中更準確的位置信息，目前，汽車制造商通常使用載波相位差分技術(shù)，應用于智能汽車的定位環(huán)節(jié)。載波相位差分技術(shù)主要通過用戶的GPS接收器，獲取基站、衛(wèi)星信息的位置信息。特別是在當前我國5G技術(shù)快速發(fā)展的情況下，該項技術(shù)通過相對定位的原理，可以實現(xiàn)厘米級精度的位置信息定位。雖然此項技術(shù)定位更加精準，但是卻受到接收衛(wèi)星個數(shù)的限制，只有衛(wèi)星的個數(shù)大于等于4個時，它才能正常工作。此外，信號的質(zhì)量也會受到密集的高樓大廈、茂密的森林、地下隧道等特殊地理情況的限制，導致定位信息無法得到定位系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。同時，此種情況下GPS定位位置更新頻率慢，無法準確地得到智能汽車的真實位置[2]。

基于以上分析，為了解決 GPS信號被遮擋導致車輛定位不準確、定位位置更新頻率慢等諸多出現(xiàn)的問題，我們可以采用多種不同的傳感器配合多選擇、高精度GPS組合的方式，實現(xiàn)智能汽車的精準定位。與高精度GPS組合，最常用的傳感器就是慣性導航設備。它們進行組合的優(yōu)勢在于：定位系統(tǒng)不會受遮擋、電磁干擾等外界因素的直接影響，并且可以提供智能汽車的實時位置、姿態(tài)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。同時，在一定的時間內(nèi)，它還可以保證準確的定位精度。但是，隨著時間的積累，基于慣性導航定位方式的誤差會逐漸提升，并越來越大。低成本慣性導航系統(tǒng)精度低、誤差大，高精度慣性導航系統(tǒng)成本高。可見，二者皆不利于智能汽車的推廣[3]。

能夠提供大量外界信息的傳感器——激光雷達，它既可以用于目標檢測，又可以用于實時點云、高精度地圖二者的匹配定位，并且每一幀都可以提供上百萬的點云。雖然在高精度地圖無遮擋、環(huán)境特征較多的情況下，激光雷達能夠?qū)崿F(xiàn)精準定位。但是，目前市面的高質(zhì)量激光雷達，價格非常昂貴。當點云數(shù)據(jù)量特別大時，處理難度急劇增加，這也成為了阻礙它發(fā)展的瓶頸。此外，市面上的另一種常見傳感器——視覺傳感器，其成本低廉、獲取信息全面，非常適合成為智能汽車的標配。目前，智能汽車定位方面有兩種視覺應用方式，一種是根據(jù)視覺里程計來進行估計位置，另一種是參與高精度地圖的制作。一般情況下，在高精度地圖制作的過程中，該數(shù)據(jù)采集平臺會搭載攝像機、激光雷達及其他導航設備。雖然高精度地圖的定位精度高，但是在制作過程中需要特別專業(yè)的感知、測繪設備，因此也難以被大規(guī)模推廣。通過以上對于智能汽車GPS定位技術(shù)的分析和研究。我們提出一種基于GPS和高速相機相融合，配合軟硬件平臺使用的智能汽車精度定位解決方案，這不僅為汽車的安全駕駛技術(shù)、無人駕駛技術(shù)提供了前期研究成果，更對智能汽車實現(xiàn)不受區(qū)域限制完成高精度定位功能，具有重要意義[4]。

2 智能汽車定位系統(tǒng)設計

目前，常見的智能汽車結(jié)合智能汽車軟件、硬件平臺，搭載高精度GPS傳感器包括、攝像機、激光雷達等電子設備，通過視覺感知的方法實現(xiàn)車輛定位。

2.1 定位平臺的硬件搭建

定位平臺作為智能汽車指揮和控制中心，發(fā)揮著系統(tǒng)大腦的作用。它主要是將采集到的傳感器數(shù)據(jù)，進行分析和處理，然后向車體各控制單元發(fā)出指揮指令，完成各項功能的智能控制。由于處理的數(shù)據(jù)信息量比較大，因此要求定位平臺不僅要有快速的運算能力，還要與各種傳感器都進行合理地連接，定位平臺與各傳感器之間的硬件連接框架如圖1所示。

圖1 定位平臺與傳感器之間的硬件連接框圖

2.2 定位平臺的軟件搭建

智能汽車軟件平臺開發(fā)選用ROS機器人操作系統(tǒng)，具體框架如圖2所示。ROS的模塊化設計不僅可以讓技術(shù)人員迅速搭建系統(tǒng)，而且可以輕松地將相關(guān)的模塊換成自己的算法。一般軟件框架的搭建與設計，以ROS分布式框架為基礎，根據(jù)智能汽車各種傳感器的功能，對整車系統(tǒng)的軟件進行開發(fā)與設計。

圖2 智能汽車軟件框架

2.3 整體融合

傳感器作為智能汽車感知環(huán)境和獲取反饋信息的重要電子元器件，是車輛感知外界各種信號和環(huán)境變化的主體。我們提出的這種基于GPS和高速相機相融合，搭載定位平臺使用的智能汽車精度定位解決方案，采用的是卡爾曼濾波算法。主要原理是根據(jù)GPS信號的幾種工作狀態(tài)決定最終的定位策略。當GPS信號異常或者處于失鎖狀態(tài)時，及時進行調(diào)整，盡早恢復正常的工作狀態(tài)[5]。

3 結(jié)語

智能汽車作為智慧交通系統(tǒng)發(fā)展過程中的重要組成部分之一，在與傳統(tǒng)汽車相比的條件下，自身在汽車控制、性能配置方面采用了當前5G時代下，最為精準的GPS導航、定位系統(tǒng)。同時，結(jié)合目前最新研究的信息化理論，在車內(nèi)搭載了多項超先進的傳感器。包含了以感知環(huán)境、控制及決策運動為主要內(nèi)容的多項關(guān)鍵技術(shù)。其中，精準GPS定位技術(shù)的應用，可以說是目前智能汽車開展行動和控制的先決條件。因為，只有在智能汽車自身位置的相關(guān)信息得到準確確認的基礎上，才能對其合理進行路徑的規(guī)劃、參數(shù)的設置及控制指令的發(fā)布。目前，就智能汽車在運動的規(guī)劃和控制方面上來看，已取得的技術(shù)成果相對成熟。然而，智能汽車的GPS定位技術(shù)方面，依然存在一些需要解決的問題。只有對GPS定位技術(shù)開展具有前瞻性的研究，才能確保智能汽車在未來具有高度安全的駕駛功能。5G時代下GPS技術(shù)的發(fā)展，推動了智能汽車產(chǎn)品升級和技術(shù)改進的前進步伐。在未來的時間里，我國的GPS技術(shù)還將會取得更高的成就，智能汽車的定位技術(shù)還將會取得創(chuàng)新與發(fā)展。