2.3.1 概述

自動駕駛汽車導航功能實現的前提和基礎是得到準確可靠的汽車位置和姿態（通常稱為位姿）等定位信息。目前，車輛定位技術主要包括全球導航衛星系統、慣性測量單元以及高精度地圖。

1.全球導航衛星系統

四大全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）包括GPS、北斗（BDS）、格洛納斯（GLONASS）和伽利略（GALILEO）。衛星定位通常需要四個衛星，其中三個用于定位，一個用于減少誤差。因為光速很快，即使是少量的時間誤差也會在計算過程中造成巨大誤差，所以每個衛星都配備了高精度的原子鐘。為進一步減小誤差，還可以使用實時運動定位（Real-Time Kinematic，RTK）技術。

RTK需要在地面上建立幾個基站，每個基站都知道自己的精確地面位置，同時每個基站都通過GPS測量自己的位置，GPS測量的位置和已知的精確地面位置之間的偏差是GPS測量結果中的誤差，其他GPS接收器根據這一誤差來調整自身的定位結果。在RTK的幫助下，GPS可以將定位誤差縮小至10cm以內，但在有建筑或其他障礙物阻擋GPS信號的情況下，定位效果也會變差或無法定位。此外，GPS的更新頻率很低，大約為10Hz（每秒更新10次），而自動駕駛汽車在快速移動中會頻繁地更新位置。

2.慣性測量單元

慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）是測量物體三軸姿態角（或角速率）及加速度的裝置。根據汽車的初始位置、速度和行駛時長，可以算出汽車的當前位置。IMU的主要組件是加速度傳感器和陀螺儀。三軸加速度傳感器可以精確測量加速度。陀螺儀測量值被轉換成世界坐標系。三軸陀螺儀的三個外部平衡環一直在旋轉，但旋轉軸始終固定在世界坐標系中，汽車通過測量旋轉軸和三個外部平衡環的相對位置來計算自身在坐標系中的位置。IMU的優點是高頻率更新，頻率可達1000Hz，因此可以提供接近實時的位置信息。其缺點是運動誤差隨時間增加而增加，只能在很短的時間范圍內進行定位。汽車采用GPS和IMU結合定位方式，一方面，IMU可彌補GPS更新頻率較低的缺陷，另一方面，GPS可糾正IMU的運動誤差。

3.高精度地圖

高精度地圖是相對普通地圖精度更高、數據維度更多的電子地圖，融合了激光雷達點云數據、GPS信號和語義矢量地圖等綜合信息。高精地圖格式化存儲了交通場景中應有的交通要素，并提供厘米級精度的地圖數據，相關信息可分為兩類：第一類是道路數據，例如車道線位置、類型、寬度、坡度和曲率等車道信息；第二類是車道周邊的固定對象信息，例如交通標志、交通信號燈等信息，車道限高、下水道口、障礙物及其他道路細節，還包括高架物體、防護欄、樹木、道路邊緣類型和路邊地標等基礎設施信息。高精度地圖主要用于地圖匹配，輔助環境感知和路徑規劃。

自動駕駛汽車領域對定位系統的準確性和可靠性都提出了極高要求，定位精度需要達到厘米級，而目前的衛星導航技術并不能滿足自動駕駛汽車的高精度定位需求。因此，對自動駕駛汽車來說，僅依靠衛星導航定位是遠遠不夠的，還需要通過其他定位技術來確定準確的位置，例如基于激光雷達點云數據的定位、基于SLAM技術的定位、基于高精度地圖的定位以及基于GPS+INS(Inertial Navigation System，慣性導航系統)信息的定位等。高精度的地理位置信息對保證自動駕駛系統安全穩定運行至關重要，只有高精度的地理位置信息才能配合激光雷達等設備為自動駕駛系統建立準確的地圖，進而為車輛提供可靠的導航服務。