RTK技術在無人駕駛中的應用

李新建　伍松

摘 要：簡要分析了RTK技術和自動駕駛技術的發展，其中RTK除從傳統自主架設基站模式外衍生出基于網絡的CORS系統，通過配合車載方案，可以為自動駕駛提供厘米級精度定位坐標，車速和航向信息，為無人駕駛和車路協同的發展提供新思路。

關鍵詞：RTK 無人駕駛 CORS 車路協同

Application of RTK Technology in Unmanned Driving

Li Xinjian Wu Song

Abstract：In this paper， the development of RTK technology and autonomous driving technology is briefly analyzed. In addition to the traditional mode of setting up base station independently， RTK derives the CORS station system based on network， which can provide centimeter-level precision positioning coordinates， speed and heading information for autonomous driving by cooperating with the on-board scheme providing a new way of thinking for the development of unmanned driving and vehicle-road coordination.

Key words：RTK， unpiloted vehicle， CORS， CVIS

1 前言

隨著衛星導航技術和傳感器技術的發展，越來越多的定位系統和傳感器被使用在傳統汽車上，這些技術的融合促使汽車在沒有人類操作的情況下也能自動精確定位，感知周邊道路信息，進而對汽車行為發出指令，規避障礙，實現自動駕駛。根據美國國家標準技術評價體系ALFUS的測評結構，將自動駕駛劃分為0-10級，其中0級為完全人工控制，隨著等級提升，人工干預程度越小，環境復雜度越高^[1]。精確的定位信息，可以提高自動駕駛車輛的安全性和穩定性。自動駕駛發展的趨勢，不僅僅是車輛自身提升環境識別能力，更包含車輛與車輛之間通信，車輛與智能路面的信息交換。車路協同是自動駕駛發展技術突破的關鍵因素。RTK（Real - time kinematic）實時載波相位差分技術，通過衛星俯視視角，提供實時厘米級車輛定位信息、速度、航向，也可以給出道路地圖坐標，在車路協同發展中具有關鍵性作用。

2 RTK技術原理及發展現狀

在日常生活中，GPS定位最為常見，GPS和RTK的區別如下：

GPS是美國70年代開始為軍方提供精確授時、導航定位、目標監控的以人造衛星為基礎的無線電系統，1994年全面建成覆蓋全球98%區域的24顆衛星，目前已經升級到第三代。我們通常所說的GPS是其中的單點定位模式，該模式下的誤差通常>1m，有時甚至高達幾十米，所以日常駕駛使用的車載導航軟件和手機導航軟件，無法辨別車道，導致錯過道路出口或者無法分辨高架橋梁。這些錯誤判斷在無人駕駛系統中都是極大安全隱患，輕則發生擦碰，重責會引發致命事故并造成交通癱瘓，即使車載傳感器探測到周圍路況信息，避免了事故，但是錯誤的地圖定位信息也會使目的地南轅北轍。而RTK是衛星定位應用中的一種實時載波相位差分技術，不僅GPS系統適用，其他國家和組織的衛星定位系統也適用。其定義與GPS就存在本質上的差別，不能混為一談。

RTK定位技術，關鍵在于使用了載波相位的觀測手段，利用基準站和移動站間的空間相關性，采用差分的方式消除大部分誤差，從而實現實時厘米級定位精度。

RTK通常由基準站系統，管理控制系統，數據傳輸系統，用戶數據中心子系統等組成。在觀測條件較好的情況下，一般5顆衛星就能滿足固定解的要求，可用衛星數量越多，定位精度越高，測量結果更可靠。目前全球范圍內擁有四種衛星定位系統（GNSS），分別是中國北斗衛星系統（BDS）、美國GPS（Global Positioning System）系統，歐盟伽利略衛星系統（GALIEO）和俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）系統[^2]。依托可用衛星系統的迅猛發展，RTK信號也越來越強，全天候全時段的監測的優勢愈發明顯，打破了時間和空間的限制。各個衛星系統和RTK的關系圖如圖1所示。

傳統RTK通常需要自行架設本地基站又稱參考站，由于移動站和參考站之間需要通過電臺傳輸差分數據，因此傳輸距離一半不超過25km，使用范圍有限，且定位誤差隨距離的增大而增大，并且易受電離層、多路徑等因素影響。因此傳統RTK也逐漸向著CORS系統發展[3]。CORS（Continuously Operating Reference System）通常認為是一個或若干個不間斷運行的，固定的GNSS參考站，利用互聯網無線技術，實時向不同用戶提供經過檢驗的高質量GNSS觀測值，包括載波相位、偽距等信息[4]。CORS系統理論出現于上世紀八十年代中期，目前CORS發展迅猛，世界上許多國家都建立了不同技術層次和不同水平的CORS系統。相比于傳統RTK參考站，網絡CORS的模式具有以下優點：

（1）使用范圍更廣，只要有布置CORS網的區域都無需再自主架設參考站。

（2）精度更高，網絡參考站位置固定，且多個參考站之間也會進行誤差消除，因此相比傳統單點參考站精度更高。

（3）可靠性更強，多個參考站之間可以協同工作，當某個設備發生故障，其他設備依然可以提供可靠定位信息，不會丟失參考站位置信息。

基于CORS系統的網絡RTK技術日益成熟，這種高精度高可靠性的技術定位精度相比于傳統GPS單點定位有了質的飛躍，相比于傳統RTK方式，使用范圍更廣，系統更可靠，因此也更適用與無人駕駛中高精度定位需求。

3 車載RTK配置方案

車載高精度RTK通常由CORS網、車載RTK板卡、SOC（System on Chip）和其他外圍設備組成，其關系如圖2所示，CORS網連續穩定接受衛星信號，給出參考站坐標，車載RTK板卡接收衛星信號的同時也接收CORS網傳輸的參考坐標，通過差分解算得到實時高精度汽車定位信息，速度和航向等。RTK板卡將這些信息傳送給SOC記錄解算，再通過外圍設備將各個設備組網，就能獲得車與車之間，車與路之間的相對位置信息，實現車路協同，為無人駕駛提供準確的參考位置信息。

當前部分駕考培訓機構已經實現用RTK進行培訓考試，科目二中，考試車壓線即可識別，判定考試失敗。科目三中，人行橫道，公交車站的提示也是通過該技術實現。使用RTK技術的考試車如圖3所示，車頂裝有天線。

目前市場上國際主流的RTK板卡公司包括諾瓦泰（NovAtel）、天寶（Trimble）、Ublox、國內包括和芯星通、思南等品牌，以思南板卡為例，如圖4所示。

CORS服務商有千尋、星輿科技等，雖然各個廠商的軟件協議及硬件電路并沒有統一標準，但是都能實現厘米級的高精度定位。

除了反應準確的位置信息，還能獲得精確的速度和加速度信息，RTK采用的是多普勒頻移原理測速，并且通過微分獲得加速度值，因此精確度較高。橫縱向加速度也是汽車行駛過程中穩定性的重要指標，都可以通過RTK獲得。這些信息可以輔助無人駕駛汽車更好的自動操控，在提高安全性的同時也能提升乘坐體驗感。

隨著技術發展RTK也愈來愈成熟，但是也會存在以下不足：

（1）觀測條件要求較高，在密集的高樓，或者隧道中信號強度差，精度降低甚至無法完成作業。

（2）數據鏈距離影響，移動站和參考站之間的距離增加會增大測量誤差，需要架設更多的參考站和電臺。

（3）不能達到100%的可靠性，多路徑效應，電離層反射等不可控因素，會產生隨機誤差影響精度。

4 總結與展望

RTK技術可以為無人駕駛汽車提供高精度定位信息，實現車路協同，基于CORS網絡的RTK精度更高，穩定性和容錯性更強。結合車載各種雷達探測器和傳感器使用，使無人駕駛汽車擁有更廣闊的發展前景。在現有RTK的基礎上引入慣性導航系統，不斷修正誤差，即使系統短暫丟星失鎖，也能保持高精度運作。

參考文獻：

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[3]李燕軍，李永虎，胡敏.淺析CORS網絡RTK技術的發展及應用[J]. 甘肅科技，2015（17）：13-15，25. DOI：10.3969/j.issn.1000-0952.2015.17.006.

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