头三篇分别是GNSS与高精度定位，IMU与惯性导航，高精度地图原理与应用。

1. 定位技术的划分

定位最早的需求来自航海，其实导航的英文navigation，词源来自拉丁文navis（船）+agare（引导），表示从A地到B地航行中对船只的操作。通过下图的航海示意，可以把定位技术分为三类。

与其他物体的相对定位：相对定位的核心是对目标的测量。

卫星定位（绝对定位）：由天体定位演化而来，核心是已知运动规律的星体+准确的时钟+对星体的有效观测。

惯性导航：核心准确的时间和对运动的有效测量。

2. GNSS系统和信号说明

目前全球范围共有GPS、CAMPASS/BEIDOU、GLONASS、Galileo，四大全球GNSS系统，在局部范围有QZSS（日本）IRNSS（印度）等区域GNSS系统。国内主要是使用GPS，北斗以及伽利略系统。

任一GNSS系统可以划分由卫星、地面观测站、用户接收机三部分组成。卫星上有精密原子钟，可以让所有卫星时间同步精度在纳秒级。地面观测站是对卫星位置，运动状态进行长时间精密观测，用来修正卫星的运动轨道信息。这也是为什么GLONASS应用比较少的原因之一，因为国际ZZ因素，俄罗斯的观测站在其国外比较少，这就导致在俄罗斯之外的地方定位精度会差一些。而用户接收机我们在车端可以直接控制和操作的设备了。

导航电文有什么？

含有卫星钟改正参数，周数、电离层改正参数、卫星状态等

星历：当前卫星的轨道数据，1*参考时间，6*轨道参数，9*摄动力参数

历书：所有卫星的轨道数据（有效期更长、精度更低）

需要注意的是无A-GPS辅助时，冷启动需要接受完整1帧的导航电文才能够定位。也就说冷启动的时间至少大于30s。

信号调制解调相关问题

多卫星信号问题：

PRN码的正交性和自相关性，不同卫星的信号可以通过PRN码来区分，码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）

GLONASS采用频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）

接收机有多个通道，每个通道对指定的PRN码和载波频率进行处理。

信号解调处理：

卫星信号解调的流程如下

3.码伪距定位

上一篇讲了GNSS的信号，通过调制在载波上的测距码和导航电文，我们可以有途径获得接收机到卫星的距离，卫星在天上的运行位置。通过这些就可以尝试计算接收机的位置了。那么问题来了：

需要几颗卫星才能确定接收机的位置呢？

已知卫星到接收机的伪距，需要几颗卫星可以定位？

在上面这张图的误导下可能有的同学会答3颗卫星，确实不同线的三个球体可以确定2个交点，但是接收机到卫星的距离，是通过确定信号传播的时间来确定的。卫星上的原子钟非常精密，并且卫星之间的时间是精密同步过的，可以视为精确的（当然实际上是要通过相对论来修正的），但是接收机上的时间可能是不准的，这就会对卫星距离的测量引入由于接收机时间不准的误差，称为接收机钟差。这样距离的测量就是有误差的了。

接收机钟差使得三颗卫星无法定位

这里面有X,Y,Z距离坐标的三个未知数，以及第四个未知数时钟相关误差，如果有4颗卫星的信号，就可以求解出这4个未知数。所以GNSS定位至少需要四颗卫星。

伪距测量精度通常为码元宽度的1/10~1/100。C\A码宽293m，伪距测量精度3-30m。依赖伪距定位能够做到的精度水平为5-10m。这也就是我们普通车机和手机上GNSS的定位精度，显然这样的定位精度只能确定我们的车是在哪条道路上，但是没法精确到哪条车道上，更不用说是在车道中的哪个位置了。

显然自动驾驶需求更高的定位精度，那么想要获得更高的定位精度，就需要分析清楚具体的测量误差。

4. GNSS信号的误差

所有影响测量接收机到卫星之间距离的因素，都会产生误差。误差可以分为几个方面：

卫星相关误差

卫星时钟误差：没错，原子钟也会有不准的时候；

星历误差：就是GNSS卫星轨道的误差，卫星在空间中总会受到一些扰动，轨道发生偏差；

信号传播相关误差

电离层误差：从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域被称作电离层，里面充满了自由电子和离子，当GPS信号通过电离层时，会发生信号延迟，载波相位超前，多普勒频移等影响，引入误差；

对流层误差：对流层温湿度，云雨雪等造成信号传播误差；

多路径效应：高楼，高墙反射造成同一信号被多次接收；

接收机相关误差：

接收机时钟误差：接收机时钟和卫星时间的偏差；

接收机信号时延、噪声等。

GNSS信号相关误差

了解了这些误差之后，伪距的表达就可以由之前的简单公式，变成下面这个复杂的多的公式了。

5.载波相位伪距测量

回顾一下前面说的伪距测量精度通常为码元宽度的1/10~1/100，也就是尺子有多准的问题。GPS信号中C/A码宽为293m，精度是30-3m，即使了解了这些误差的组成，单纯依靠码伪距无法获得车辆智能驾驶所需定位精度。这个时候就需要新的测距方法，载波相位伪距测量。

载波波长

载波相位测量

除了测距码之外，调制测距码的载波本身也可以用来测距。接收的卫星载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差为ϕ。

那么我们就可以得到载波伪距： ̃=( + )∙

这时候会引入新的问题：整周模糊度N。测量只能测定不足一周的部分，而卫星信号经过了多少个整周数不确定。

那么思考一下，需要几颗卫星才能确认整周模糊度？

答案是多少颗都不行，因为每颗卫星的载波信号中的整周模糊度都是不同的，无法通过单纯的GNSS卫星数量增加来确认。这个时候我们需要来自观测站信息的辅助。

如果有方法能够便捷的获取当前接收信号中的误差值，就能够计算得到精准的整周模糊度，可以利用载波相位来获取自身的位置，静态精度可达2cm，动态精度也可以做到10cm以内。而目前常用的方法有RTK(OSR)类和PPP(SSR)类。

6. RTK(OSR)的原理

上一篇讲过，实际的卫星信号中有大量的误差项，有卫星相关的误差和传播路径相关的误差，这些误差很多和地域是强相关的，如果在我们接收机附近，有另一个已知精准位置的接收机（基站），由于这个接收机的位置已知，就可以通过已知的位置和接受的信号，计算出这个误差之和有多少。当我们待求位置的接收机和已知位置的基站足够近，可以认为二者的误差是相同的，这样载波伪距误差项公式就表达为：

基站将误差项和通过信号告诉接收机，就可以求解上式，得到精准的载波定位结果。这种方法叫做差分GNSS，差分GNSS中技术也有很多代，目前应用最广泛的是RTK, Real-Time Kinematics，实时动态差分。而这种方法是对接收机观测的信号进行误差描述的，又被成为OSR，Observation Space Representation，观测空间表达。

RTK原理示意

从上图中可以看出RTK的一些特点，由于是对观测值进行描述，那么对于接收机和基站之间的基线距离有要求，通常距离不能超过50km，这样就需要非常多的基站数量。想覆盖中国大部分区域，需要2000+个观测基站。同时为了获取到接收机附近的观测误差，需要车辆将初始位置发送给服务商，然后再从服务商网络中获取到需要的纠偏数据，这就需要双向通讯。

RTK的好处也非常明显，因为是直接获取到误差的值，计算起来非常快捷，收敛速度较快，状态好时可以在几秒内收敛。

7. PPP(SSR)的原理

另一种模式是用建立观测误差模型来描述卫星信号中的误差项，特别是电离层误差和大气层误差，由于这些误差模型的特性，使得通过少量的参数就可以获取到误差的值，这就使得所需要的参数的数据量和基站的数量大大减小，带来一系列的好处。

传输的数据量大幅减小，可以通过广播的形式播发所有的参数，不需要获取车辆位置，这就只需要单向通讯，从原理上对隐私的安全性更好；

由于单向通讯和数据量小，除了传统蜂窝网络外，还可以通过GEO通讯卫星进行播发，这样可以双链路通讯，从原理上对通讯的可靠性更好；

基站数量少，维护成本低。

这种定位方式，用户通过自己单接收机就可以获取精准位置，所以被称为PPP，Precise Point Positioning，精密单点定位，同时这种方法是对误差模型的状态进行描述，又被称为SSR，State Space Representation，状态空间表达。

PPP原理示意图

8. 定位服务概念

提供定位服务的供应商就是定位服务商，目前国内有千寻位置，六分科技，中移智行等公司提供相应的服务，国外则有Trimble， Hexagon，Sapcorda等定位服务商公司。下图是一些概念的辨析。

而由于这些外部依赖的存在，车用的高精GNSS定位系统除了车端之外，还需要GNSS卫星和观测站，定位服务商和通讯服务商的网络。而车端也需要GNSS信号的接收机和对应的天线，LTE网络接收机和对应的天线，以及使用二者信息进行高精定位求解计算的算法集成方——Host Processor。