面向自動駕駛的高精度定位完好性

完好性是一個反映定位安全與可靠程度的性能指標，由安全至上的航空領域提出，并隨著全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）在飛機導航中的普及而獲得廣泛應用。得益于有效的完好性監測方法，歷史上從未發生過由于GNSS故障造成的空難事件。

以航空應用為標桿，完好性受到了同樣追求極致安全的自動駕駛領域的關注，汽車行業明確提出了定位完好性需求指標。對于大多數自動駕駛方案，車輛的高精度絕對位置信息是域控制器的必要輸入，通常通過融合GNSS、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）與輪速計等傳感器獲取。

作為使用最廣泛的定位性能評價指標，精度衡量的是無故障狀態下系統輸出的估計位置與用戶真實位置的偏離量，通常對應95%的總體性能表現，也就是兩倍標準差（2σ）。盡管它最直觀且容易理解，但是當位置信息直接參與車輛控制與決策時，僅靠精度來衡量定位結果的性能表現遠遠不夠。

它是啥

按照定義，完好性量化了定位系統所提供的位置信息的置信程度，它的直接輸出結果稱為保護水平（Protection Level, PL）。PL隨定位結果一起產生，它提供了當前時刻的定位誤差上限。獲得定位結果的PL值對于自動駕駛至關重要，當PL超出了預設的告警門限（Alert Limit, AL）時，系統將發出告警，提醒用戶此時定位信息不可用。AL的大小取決于絕對定位信息在整個自動駕駛方案的權重，通常由車輛主機廠定義。

精度與完好性的舉例對比如下：

精度

完好性

2σ估計精度：50cm的精度意味著在常規無故障運行條件下，系統可以95%的確定實際定位誤差小于50cm；

完好性：50cm的PL意味著無論在任何運行環境中，系統都可以近100%的確定實際定位誤差小于50cm。

圖1. 不同定位結果對應的精度值

圖1展示了不同定位結果下的精度指標，由于精度只能反映出總體的95%的性能表現，所以圖1a和1b對應相同的精度值（圖1c和1d也是如此）。

然而相比之下，由于兩個飛點的存在，圖1b和1d的結果顯然比1a和1c更差，也就意味著更容易引發自動駕駛事故。圖1b和1d中所展示的這種小概率但誤差值極大的結果稱為定位故障，它們并沒有反應在精度中，但確是完好性重點關注的事件。

怎么用

如上所述，完好性的直接輸出信息是PL，它是和定位結果一起計算、實時輸出的。

圖2. 定位系統實時輸出結果對比

圖2對比了有無完好性情況下的系統輸出狀態。由于實時運行中永遠無法知道實際位置，用戶只能以定位系統提供的估計位置作為自動駕駛的輸入信息，也就是圖2中的藍色中心點。相比于圖2a，圖2b中的PL定義了一個黑色方框，它意味著，雖然我們不知道用戶的實際位置在哪里，但是不管在任何場景下，我們都能近100%的保證實際位置在黑框區域內。

圖3. 無完好性與有完好性下的車道定位示意圖

圖3展示了實時狀態下完好性是如何保護用戶的，其中的紅色方框為提前預設的AL，黑色方框為動態求解的PL。在無完好性的情況下（圖3a），過大的定位誤差會造成潛在的交通事故；有完好性后（圖3b），如果定位誤差大到一定的程度會造成PL>AL，進而引起系統告警，在收到該指令后域控制器可及時采取措施，避免事故的發生。

怎么測

到目前為止，文中多次提到了“近100%”的說法，而這只是為了方便讀者理解的一種簡化。事實上，只要完好性失效的概率足夠小就可以認為定位系統符合安全需求，這種可接受的極小概率稱為完好性風險，它的需求指標（記為IREQ）通常規定在10-7至10-5量級。

圖4. 完好性監測算法流程圖（以多解分離方法為例）

IREQ是計算PL的必要輸入，一般會根據故障假設對其進行風險分解。PL的計算與定位算法方案和故障檢測與排除邏輯高度相關，圖4以多假設解分離方法為例歸納了定位完好性監測步驟。

到這里人們會自然地提出一個疑問，如何證明PL達到了近100%的置信度？

盡管目前有大量的仿真方法可以從不同的角度驗證完好性監測的有效性，但是最有說服力的則是通過實際的道路測試對比PL與定位誤差的關系。通過對比實時定位結果與參考真值可獲得每個數據點的定位誤差，進而可以與PL值一起展示在“定位誤差vs.PL”圖中，也就是圖5所示的斯坦福圖。

圖5. 斯坦福圖的區域劃分及其判斷準則

通過交叉比較定位誤差、PL和AL，斯坦福圖可以劃分為6個區域，每個區域的評定標準歸納于圖5右側表中。

圖6. 新納傳感車規級高精定位產品

作為一家領先的MEMS傳感解決方案提供商，新納其中的兩款車規級高精度定位產品，RTK330LA和INS401（圖6所示），二者均搭載了由新納自主研發的完好性監測算法。

其中，RTK330LA是一款車規級高精度定位模組，采用貼片封裝方式，可直接貼片于自動駕駛域控單元中。INS401是一款車規級高精度定位盒子，支持多種數據輸出接口。

圖7. INS401實測完好性結果

圖7展示了INS401在不同的測試條件與運行環境中的實測完好性結果，本數據對應26次路測，所有的結果均為增強GNSS、IMU與輪速計的融合定位解。

審核編輯：湯梓紅