2021第五届ADAS与自动驾驶论坛上,和芯星通高精度产品经理刀礼洋先生做了题为《北斗高精度芯片赋能智能车载应用》的演讲,本次演讲主要通过三个方面来介绍和芯星通最新产品技术与应用。

 

(一)产品研发历程与市场地位

和芯星通成立于2009年,是北斗星通旗下专业从事GNSS卫星定位导航芯片设计、研发与高精度定位算法、多源融合核心算法,以及GNSS数据服务提供的科技企业。成立12年以来,先后发布了十多款卫星定位导航芯片。

 

2010年发布了国内首款兼容北斗的多系统多频高性能SoC芯片和芯星云Nebulas。2013年发布了国内首颗55纳米北斗芯片和芯蜂鸟Humbird,面向车载导航、T-Box车辆应用的GNSS芯片。2017年发布了首款28nm支持北斗全球信号的最小芯片和芯火鸟Ufirebird;同年北斗星通收购了加拿大RX Networks,构建云+IC业务板块。2020年发布了22nm的射频基带及高精度算法一体化GNSS SoC芯片NebulasIV,面向未来智能驾驶、无人机、机器人等市场方向。

 

 

和芯星通研制的GNSS卫星定位导航芯片首个通过AEC-Q100车规认证,并率先在车载前装实现商用,国产芯片前装出货No.1。北斗高精度厘米级产品率先在无人机、机器人、及机车等领域实现批量应用,无人机市场出货量 No.1。

 

 

2015年,和芯星通设计的北斗卫星定位芯片技术唯一独立获得国家科技进步二等奖;2018年,和芯星通研制的北斗卫星定位芯片应用成果获得国家科技进步一等奖。

 

(二)智能车载应用与北斗定位产品

近年来,车载导航应用对北斗卫星定位的精度、可靠性,以及驾驶舒适度要求日益提高,使得北斗卫星定位产品的定位精度、质量、工艺有了明显提升。车载导航应用模组从开始的支持单GPS卫星系统,到如今的支持多系统联合定位解算,并且支持多系统多频信号;定位精度从初始的3米-5米精度的单点定位精度,上升到了厘米级的RTK定位精度,满足智能驾驶、自动驾驶应用要求。和芯星通北斗卫星定位模组在车载应用市场方面,有应用于V2X、T-Box、导航仪、监控等领域,其次在L3、L4的自动驾驶场景上也有相应产品。

 

 

下图是和芯星通的标准精度定位模组产品应用模式,主要在乘用车前装的T-Box和IVI中规模应用。

 

 

随着车载卫星定位体验要求不断提高,为了满足在隧道、高架桥梁等场景时无卫星信号也能实现连续定位的需求,UM220-INS集成了MEMS器件,具备GNSS+INS组合导航功能,使得车辆进入诸如隧道、桥梁,甚至城市峡谷等遮挡严重的场景时,还能够实现车辆连续、准确的定位。

 

 

另一方面,在面向精度需求较高的场景,比如农机自动驾驶、乘用车、摆渡车自动驾驶、高精度地图采集的应用场景,要求北斗卫星定位模组能到厘米级的定位精度。在上述应用场景,和芯星通都有成熟的产品。

 

根据车载应用模式不同,和芯星通定义了以下2款产品:

 

 

第一款 UM4B0

以前卫星定位厘米级精度的产品还只存在于测量测绘上,现在厘米级定位精度的北斗卫星定位模组UM4B0,可在高精度车载上使用。UM4B0 是基于 NebulasII 高性能高精度芯片开发的全系统全频 RTK 定位模块,支持 BDS B1I/B2I/B3I/B1C/B2a、GPS L1/L2/L5、 GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5a/E5b、QZSS L1/L2/L5 等卫星信号,支持窄带抗干扰,主要面向高精度地图采集、智能驾驶和无人机等应用领域。

 

 

第二款 UM482

对于在车载高精度应用,有些模式不仅需要厘米级的位置信息,还要求实时精确确定车辆的航向,甚至即使在停车状态下也有精准的航向值。和芯星通针对此类需求开发了全系统多频高精度定位定向模块——UM482。该产品支持两个天线信号输入,同时输出RTK定位和Heading航向信息。

 

UM482 是基于 NebulasII 高性能高精度芯片开发的全系统多频高精度定位定向模块,支持 BDS B1I/B2I、GPS L1/L2、 GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5b、QZSS L1/L2 等卫星信号,面向农机自动驾驶、智能驾驶等应用领域。

 

 

但是对于量产车载应用而言,30×40mm的模组尺寸依旧较大。因此,和芯星通去年发布了22纳米射频基带及高精度算法一体化的GNSS SoC芯片——NebulasIV。NebulasIV芯片秉承了All in one的设计理念,把所有射频部分的信息处理、基带信号捕获跟踪、高精度厘米级算法、抗干扰算法等都集成到该芯片上,真正实现片上高精度厘米级北斗卫星定位功能。

 

NebulasIV 兼备高集成度,高可靠性,RTK fix准确率>99.9%;高质量满足车规级AEC-Q104,满足车载前装、无人机、农机应用要求;具备独一无二设备ID及RSA数字签名,具备低功耗、小尺寸等特点,适用于精准农业、智能驾驶及电信授时等多个高精度应用领域。

 

而在车载应用上,除了芯片之外,不同车厂的解决方案、应用模式不同,对于GNSS卫星定位产品的形态要求有些差异。例如一些车厂使用17×22的表贴模块,而一些车厂使用的设备上直接集成GNSS芯片,和芯星通基于NebulasIV芯片开发了一系列不同产品形态的高精度厘米级RTK定位模组。

 

 

上图是以17×22mm和12×16mm尺寸为主的定位模组。为高精度车载应用提供不同的产品形态。其中以UM960为例,尺寸是12×16mm,尺寸兼容车载市场主流 GNSS 模组产品,具备片上RTK定位解算功能,可达厘米级定位精度。UM960模组可做到高精度小尺寸主要源自于22纳米射频基带及高精度算法一体化的GNSS SoC芯片中将射频部分的信息处理、基带信号捕获跟踪、高精度厘米级算法、抗干扰算法等有效融合到一颗芯片上的功效。

 

(三)“云”服务解决方案赋能智能车载应用

为了更好地在终端展现极致的定位精度,北斗星通旗下真点科技将自有参考站数据与全国范围内合作伙伴数据进行融合,接入真点云端数据服务平台,为全国用户提供7*24h的厘米级数据服务。

 

车辆只需通过车载终端连接到云服务平台获取服务数据并传送给终端内置GNSS芯片或模组即可在终端侧实现厘米级的高精度定位。

 

下图即为云服务平台架构图,基准站采集数据之后将数据返回平台,在平台侧对定位误差参数进行分析和解算并完成服务数据播发,自动驾驶车辆接收到服务数据后完成高精度定位解算,从而提升定位精度。

 

 

 

针对“云”+“端”一体化解决方案,真点科技提供的数据服务主要有以下几种:

其一,是A-GNSS辅助定位数据服务。包含实时星历服务和预测星历两类服务,主要用于车辆等载体的快速定位,改善用户体验。其中,实时星历服务可以将定位时间从十几秒甚至几十秒缩短至3秒以内,预测星历服务可以提供最长14天星历预测数据,用于在弱网络环境下的快速定位。

 

其二,是GNSS增强定位数据服务,主要包含D-GNSS、RTK数据服务、PPP及PPP-RTK数据服务等,其中最主要的是RTK数据服务。受益于大规模部署的参考站网络和RTK算法的性能优势,RTK数据服务已经在智慧农业、无人机、智能驾驶等行业得到广泛应用。其他类型服务也逐渐开始在不同行业、不同场景下应用。

 

以外,真点可以提供高精度RTK算法服务,支持在云端部署和端侧集成两种模式。面向共享单车等监控行业和智能驾驶行业,提供一体化高精度定位解决方案。

 

 

上图是2019年基于UM220-INS产品在鸟巢隧道和中关村做的测试数据。该产品主要面向V2X或者车载导航应用场景,最新测试数据显示,该产品定位有效率达到100%。

 

对于农业机械的自动驾驶,国内在农业的耕、种、管、收四个环节基本上具备了农机的自动驾驶。在智慧农业的耕、种、管、收各个环节中,北斗高精度卫星定位产品均发挥着重要的作用。从2019年至2020年农机自动驾驶的安装数量看,农业机械的自动驾驶的需求增长45%以上。因此,在农业机械的自动驾驶领域对北斗卫星定位的需求也有较大的应用需求。

 

 

上图是农机的自动驾驶耕种场景。农机在多机协同作业以及不同的作业模式上,也依赖精准定位实现自动驾驶。市场上已经实现了多机协同作业,这要求车和车之间的位置和距离要精准把控,并且前行速度也需精准匹配,这样才能实现多机协同作业。

 

 

上图是产品在封闭园区自动驾驶车辆上的应用实拍图。对于低速无人自动驾驶车辆而言,基本都在一个封闭园区里作业,但是场景较为复杂,如高楼、树荫遮挡等对卫星信号影响比较大。因此在此类车辆上不仅有卫星定位,还有雷达摄像头等一系列传感器进行辅助。

 

传感器依赖GNSS卫星定位结果的校准能够对车辆进行精准起始位置定位,因此GNSS定位的有效率以及准确度和精度对车辆而言就至关重要。上图体现产品在封闭园区行驶路径状况,右侧两图中上面体现自有产品,下面是国际知名产品的轨迹情况,进行对比和标注的地方就是轨迹缺失情况。

 

 

众所周知,实现自动驾驶离不开高精度地图。而高精度地图的采集,需要北斗高精度卫星定位作为基站。同时结合其他传感器,实现对路标,道路、场景的感知形成精准高精度地图。

 

 

上图是面向L3及L3以上自动驾驶车辆的应用场景和展示。我们在高精度GNSS定位里面集成了较高性能的惯导器件。满足车载在L3+级别的应用需求,实际测试车辆行驶经过了一条2.8公里的隧道之后,依旧保持在车道上。上图是重庆的测试图,车辆经过了2.8公里的隧道其显示线路仍是非常连贯的。

 

在未来,和芯星通会继续专注于打造自动驾驶的核心传感器——卫星定位芯片,为自动驾驶提供精准的时间、空间信息。

 

问答环节

Q1、卫星定位在自动驾驶的应用除了遮挡的影响之外,是否面临其它挑战?

 

刀礼洋:除了遮挡、隧道对卫星定位的影响比较大以外,还会受到电视台、高功率电台等发生信号的干扰,这些干扰信号可能会导致GNSS定位模组不能正常定位。这个主要由于卫星信号是从两万多公里的外太空发送到地面上,经过电离层、对流层延迟,卫星信号达到地球表面已经非常微弱,且卫星信号淹没在嘈杂无线电信号中,所以卫星信号也容易受到周围电磁波的影响。但是卫星信号之所以能被识别出来,是因为卫星信号是基于伪随机码(PRN码)编码方式,有其特殊性。另外,电子欺骗信号也会影响GNSS卫星定位模组在车辆上的使用。