卡迪拉克CT6超级巡航的车道级定位与日本QZSS

无人驾驶的瓶颈众多，定位也是其中之一，特别是绝对定位。除了日本的 QZSS 卫星系统能够做到厘米级绝对定位，其他国家包括中美都不具备这个基础条件。目前所有的无人车测试都是基于先验（Prior）地图，绝大部分是激光雷达先验地图，这就意味着无人车只能在某个已经做好激光雷达先验地图的区域行驶。那些依靠摄像头或雷达众包做的关联定位都是完全依赖概率算法的，准确率和基于物理的有天地之差，同时摄像头对光线变化异常敏感，这都是人们为了成本不得已的妥协方案，牵涉到生命安全，不应该有妥协。

基于物理的主要有卫星和通讯两大类。卫星的目前已经进入量产，代表技术是卡迪拉克超级巡航的天宝 RTX。高精度地图配合高精度定位，不知道自己的准确位置，没有任何意义。只有做到车道级定位，才有可能在市区主动变道。特斯拉使用的是 U-BLOX 在 2014 年发布的 NEO-M8L，是一款很普通的 GPS 模块，远做不到车道级定位，特斯拉只是一个略强的 L2。基于通讯的有基于蜂窝和基于短程的如 Zigbee 和 UWB。3GPP 的 Rel.14 版首次加入定位，本来计划在 3 月底完成的 Rel.16 版将加入更多有关定位的内容，不过被疫情打乱日程安排，估计要推到 6 月底甚至 9 月底，预计 Rel.17 版将达到车道级定位。

卫星导航应用一开始，具有高精度和标准精度之分，主要是以单频与双频工作，或者是军用和民用为分野。而其误差来源，主要有：卫星轨道误差、星钟时钟误差、大气传播误差、设备信道误差，以及卫星空间几何分布误差等。大气中的电离层误差往往是具有明显的不确定性，而且有可能成为重大误差，所以利用双频设计的目的就是为了消除电离层的影响。
 
美国天宝公司历来是以高精度应用的行业指向标著称，第一个商用的 GPS RTK 产品是天宝在 1993 年发布的。从此，RTK 技术得到了广泛的多种多样的应用，如测绘测量、机械控制和精准农业。通常的 RTK 提供厘米级精度，初始化时间为数秒。但是其明显的局限性是需要有就近的基础设施加以支撑，这些基础设施就是单个参考站和无线电数据链，或者是网络 RTK（虚拟参考站系统，VRS），是多个参考站组成的观测网络和互联网组合，也就是个中央数据中心和与用户连接通信链路。基于单基站，或者网络 RTK 的情况下，基准参考站与移动用户机之间的距离，一般不会超过 100 公里。RTK 的缺点包括带宽有限，容易受电离层影响，不稳定，有时静态解时间超过数分钟。

上表为天宝 RTX 与其他卫星增强技术的对比，可以看出其缺点是有延迟。但是是目前唯一可以单独在全球范围内使用的卫星增强技术，如果用天宝 L2 波段卫星方案，将不依赖于任何网络。也没有带宽和延迟的问题，也没有信号不稳定的问题（天宝有专用卫星）。

天宝 RTX 最初是为农业服务的，覆盖图如上。

2011 年天宝第一次推出 RTX 技术，Trimble RTX 全球跟踪基站网络在全球部署了 120 个左右，对 GNSS 观测值进行实时跟踪和存贮，将 GNSS 观测值时发送给分别位于欧洲和美国的控制中心，控制中心对全星座精密卫星轨道、钟差和大气建模，得到全球精密定位改正数。2018 年 4 月 1 日起，Trimble 公司增加了一颗覆盖了中亚地区的卫星。这一新的卫星光束将扩大卫星差分递送的可用性，并提高整个中亚特别是中国西北地区的可靠性能。全球精密位置改正数通过 L 波段卫星或者网络的方式广播给服务授权的终端用户，也可以用 4G，在卡迪拉克 CT6 超级巡航上就是用 4G。刷新频率大约是 1Hz，显然太低了，所以 IMU 也是必须的。

天宝 RTX 分为 4 个等级，价格各不相同，硬件差别比较小。卡迪拉克用的可能是 ViewPoint RTX，且卡迪拉克由于没有使用天宝的 L2 波段卫星通讯，估计服务费很低。如果使用天宝的 L2 波段卫星，像 CenterPoint 每年的费用大约 2-3 千美元。

目前支持 ViewPoint 的板卡最常见的是 BD982，价格很高，相信卡迪拉克没有使用，应该是天宝为其定做了板卡。BD982 在国内可以买得到，激活服务就可以使用。

卡迪拉克 CT6 RTX 定位精度实测如上图，通用宣称大部分情况下可以做到 90 厘米的精度，最差也有 1.8 米左右的精度。

下一步，卡迪拉克将加入视频增强，推测卡迪拉克不想使用天宝的 L2 波段卫星，可能觉得服务费太高。

上图为未来卡迪拉克的定位系统结构，将使用廉价的 IMU。

除了天宝的 RTX，日本的 QZSS 也可以轻松做到厘米级定位。最重要的是 QZSS 服务是免费的，至少目前完全免费。硬件方面，无需任何更改，只需要更改软件系统，增加 L6 频段解码能力，增加成本很少。连苹果手机都支持 QZSS。QZSS 之所以能实现高精度定位，主要来自两个信道的增强，一个是 L1-SAIF，另一个是 LEX。L1-SAIF 可以达到亚米级精度，一般来说，最高 38 厘米。LEX 可以达到 2 厘米精度。L1-SAIF 不仅包含时钟矫正、轨道矫正、电离层矫正，还包括有首次定位加速，同时还有日本本土大约 1200 个 GPS 地面观测站网络点的 GEONET 数据。

QZSS 就是准天顶卫星系统，保证日本上空任意时刻都有两颗超过 70 度仰角的卫星。北斗（二代）目前只发射了 14 颗卫星，其中 5 颗是 GEO，也就是地球同步轨道卫星，在地球赤道上空，在北半球这 5 颗 GEO 都是在南边的天空上，而且卫星仰角不高都是四五十度，所以，如果南边被挡住的话，收星情况会很差，这也导致了目前北斗定位的稳定性和连续性并不如 GPS。当然北斗也有一些优点，比如 GEO 的电文速率要高于 GPS，因此收齐一套完整星历的时间要比 GPS 快，因此首次定位时间要比 GPS 快一点。总体上北斗和 GPS 相当类似，单点定位精度都在 10m 以内。如果仰角不超过 48 度，卫星发出的信号由于受地面高层建筑物的遮挡，实际只能覆盖城市面积的 30%，不仅覆盖面积小，且定位精度也低。而“准天顶卫星”的仰角在 70 度（东京地区达 85 度），覆盖率可达 100%。

QZSS 在 2018 年 11 月 1 日正式开通运行，首相安倍晋三亲自参加开通仪式，足见重视程度。QZSS 目前有 4 颗卫星，2020 年开始再发 3 颗卫星，达到 7 颗卫星。

目前 QZSS 在日本全境提供免费的亚米级定位服务。

到 2023 年，将全部提升到厘米级定位服务，并且覆盖澳大利亚的农业区。

日本与澳洲合作非常紧密，日本向澳洲输出了很多无人农业技术。