IoT 時(shí)代，定位是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的重要基礎(chǔ)，在一些重要的 IoT 場(chǎng)景下，精準(zhǔn)時(shí)空技術(shù)如何與 IoT 結(jié)合？GNSS 定位經(jīng)過(guò)技術(shù)發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)定位從 10 米到亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的跨越？精準(zhǔn)時(shí)空技術(shù)的進(jìn)步，對(duì) IoT 的發(fā)展又意味著什么？

從互聯(lián)網(wǎng)到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再到 IoT，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展其實(shí)是解決從人與人的連接到人與物的連接，最終到物與物連接的過(guò)程。IoT 并不是一個(gè)新的行業(yè)，而是多行業(yè)融合形成的產(chǎn)業(yè)，從產(chǎn)業(yè)鏈角度自下而上來(lái)看，IoT 被分為 4 個(gè)層次：感知層 (芯片 / 傳感器)、網(wǎng)絡(luò)層 (芯片 / 通信模組 / 通信網(wǎng)絡(luò))、平臺(tái)層 (平臺(tái) / 操作系統(tǒng)) 和應(yīng)用層 (智能終端 / 集成應(yīng)用)。

在今天，5G、數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)時(shí)空都被認(rèn)為是 IoT 時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施，5G 是網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)設(shè)施：在網(wǎng)絡(luò)傳輸層面讓實(shí)時(shí)傳輸?shù)乃俣茸兊酶旄€(wěn)定；數(shù)據(jù)是平臺(tái)層的基礎(chǔ)設(shè)施：數(shù)據(jù)層面，包括 AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在內(nèi)的技術(shù)讓信息處理能力快速提升；而精準(zhǔn)時(shí)空定位其實(shí)是聚焦于 IoT 感知層的基礎(chǔ)設(shè)施：涉及到芯片和傳感器的應(yīng)用，讓位置定位更實(shí)時(shí)更精準(zhǔn)。很多人對(duì)精準(zhǔn)時(shí)空定位是既熟悉又陌生的，可能聽(tīng)過(guò) GPS、北斗，但是對(duì)精準(zhǔn)時(shí)空的概念、 GNSS 是什么以及背后的定位原理不甚了解。

IoT 時(shí)代，隨著定位高精準(zhǔn)化及定制化需求的出現(xiàn)，精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)中的基礎(chǔ)設(shè)施和高精度定位方案，將是打通從空間維度“物與物交流”的新一代科技及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，在解決各類(lèi)終端設(shè)備的硬件適配和系統(tǒng)通用性問(wèn)題后，精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)技術(shù)將使得未來(lái)消費(fèi)終端的更新?lián)Q代以幾何式增長(zhǎng)。

在 IoT 產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中，高精度 GNSS 技術(shù)代表的精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)無(wú)處不在：芯片、傳感器、智能終端、以及精準(zhǔn)時(shí)空能力開(kāi)放平臺(tái)，它投射在生產(chǎn)生活中的方方面面，對(duì) IoT 的重要性不言而喻。那么，到底高精度 GNSS 技術(shù)如何解決 IoT 場(chǎng)景下的時(shí)空定位問(wèn)題呢？

1 說(shuō)了半天，高精度 GNSS 定位是什么

在精準(zhǔn)時(shí)空的概念里，高精度 GNSS 定位是確保時(shí)空定位精準(zhǔn)的技術(shù)手段。GNSS 是指具有全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ男l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，目前包括四大導(dǎo)航系統(tǒng)北斗、GPS、伽利略、格洛納斯。GNSS 無(wú)處不在，對(duì) C 端用戶來(lái)說(shuō)，我們?nèi)粘５?a target="_blank">手機(jī)地圖定位、車(chē)載導(dǎo)航、智能手表定位都是精準(zhǔn)時(shí)空能力的體現(xiàn)；對(duì)于 B 端企業(yè)來(lái)說(shuō)，則在芯片、傳感器等硬件制造以及軟件、算法能力方向進(jìn)行布局。

據(jù)中信建投證券通信組統(tǒng)計(jì)，2018 年，全球傳感器市場(chǎng)主要由海外公司主導(dǎo)，如 TI、ST、博世、飛思卡爾等，我國(guó)傳感器企業(yè)與海外仍有較大差距，國(guó)內(nèi)約 70% 的份額被外資企業(yè)占據(jù)。中國(guó)精準(zhǔn)時(shí)空技術(shù)的基礎(chǔ)夯實(shí)，是保證在 IoT 時(shí)代占領(lǐng)制高點(diǎn)的重要一環(huán)。

目前，高精度 GNSS 定位在以下 IoT 場(chǎng)景都得以了應(yīng)用：

自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，包含車(chē)路協(xié)同、高速公路自動(dòng)巡航、自主代客泊車(chē)等；

大眾消費(fèi)領(lǐng)域，解決智能設(shè)備如兒童手表、手機(jī)等的智能化、互聯(lián)化；

公共服務(wù)領(lǐng)域，城市運(yùn)轉(zhuǎn)中公共交通系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制、共享設(shè)備的定位、地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等；

產(chǎn)業(yè)升級(jí)，滿足農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)播種植保、森林精細(xì)業(yè)、地質(zhì)測(cè)量工程、新能源等多行業(yè)定位方向需求；

未來(lái)智慧城市，為“未來(lái)之城”提供精準(zhǔn)時(shí)空信息保障。

…………

IoT 的應(yīng)用場(chǎng)景往往具有垂直行業(yè)屬性，在以上領(lǐng)域，負(fù)責(zé)國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)“全國(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)的千尋位置，已經(jīng)讓北斗高精度定位技術(shù)都有了落地的案例。

高精度定位在行業(yè)應(yīng)用中想象空間有多大？一二線城市的居民對(duì)共享單車(chē)、共享汽車(chē)一定不陌生，下載 APP 就可以查到“離我最近的一輛車(chē)的位置以及距離”，共享汽車(chē)可以利用北斗高精度定位 + 慣性導(dǎo)航融合，結(jié)合車(chē)輛地理圍欄，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)用車(chē)、還車(chē)；在大眾消費(fèi)領(lǐng)域，智能手機(jī)是北斗系統(tǒng)最典型的應(yīng)用，2019 年第一季度數(shù)據(jù)，在國(guó)內(nèi)超過(guò) 70% 的手機(jī)都支持北斗定位系統(tǒng)；在農(nóng)業(yè)植保場(chǎng)景中，大疆無(wú)人機(jī)搭配北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)，將定位精度提升至厘米級(jí)，讓航線軌跡精確可重復(fù)。而“未來(lái)之城”還是美好的愿景，需要先滿足“城中各物”的精準(zhǔn)定位，才能實(shí)現(xiàn)智慧城市中的萬(wàn)物互聯(lián)……精準(zhǔn)時(shí)空為 IoT 多種場(chǎng)景賦能，高精度 GNSS 定位成為了跨越多行業(yè)、多場(chǎng)景的應(yīng)用。未來(lái)，擁有時(shí)空坐標(biāo)的萬(wàn)物數(shù)據(jù)才是指導(dǎo) IoT 發(fā)展的方向標(biāo)。

2 高精度 GNSS 定位的基本原理

那么，高精度 GNSS 定位到底是如何解決 IoT 場(chǎng)景的定位問(wèn)題的呢？

首先，這與衛(wèi)星定位的原理相關(guān)：衛(wèi)星定位中至少需要 4 顆衛(wèi)星完成三維空間內(nèi)的定位，想要知道地面某一點(diǎn)的精確三維位置（x、y、z），需要三顆衛(wèi)星基礎(chǔ)定位，但是由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo) x、y、z 外，還要引進(jìn)一個(gè)時(shí)間 t 即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)來(lái)求解，這就需要第四顆進(jìn)行修正，收到越多的衛(wèi)星信號(hào)，解算的速度和精度也會(huì)越好。

即使有了四顆衛(wèi)星進(jìn)行定位，在衛(wèi)星端、傳播層、用戶端還會(huì)有誤差產(chǎn)生，這樣的誤差在 IoT 一些要求精準(zhǔn)位置場(chǎng)景中是不能滿足需求的，普通定位還需往高精度 GNSS 定位的方向發(fā)展。

如何消除各種誤差的影響呢？網(wǎng)絡(luò) RTK、SSR 服務(wù)技術(shù)前來(lái)助陣：

網(wǎng)絡(luò) RTK 差分服務(wù)技術(shù)

RTK（ Real-time kinematic）指的是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，也叫載波相位差分定位，是 GNSS 相對(duì)定位技術(shù)的一種，主要通過(guò)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站（接收機(jī)位置）之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路和載波相對(duì)定位快速解算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。

具體實(shí)現(xiàn)方法就是，在地面設(shè)置固定的基準(zhǔn)站（要保證位置精準(zhǔn)標(biāo)定），用來(lái)接收衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)兩種方式為用戶提供差分服務(wù)，一種是用已知的基準(zhǔn)站位置解算所收到信號(hào)中的誤差，誤差通過(guò)網(wǎng)絡(luò)播發(fā)的形式傳輸給附近的用戶接收機(jī)，由于參考站和接收機(jī)端的誤差存在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，在接收機(jī)端減掉誤差后，得到的就是一個(gè)高精度位置信息了。另一種方法是將基準(zhǔn)站接收機(jī)收到的觀測(cè)量直接發(fā)送給用戶，用戶端通過(guò)“求差”的方式消除或減少誤差的影響。這就是高精度 GNSS 定位技術(shù)的基本原理。第二種方法的效果較好，所以被廣泛采用。

在解決誤差問(wèn)題上，千尋位置提出并建設(shè)了基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男l(wèi)星導(dǎo)航差分增強(qiáng)系統(tǒng)，其中就包含 RTK 載波相位差分服務(wù)技術(shù)。目前單獨(dú)使用北斗定位精度為 10 米，而通過(guò)北斗地基一張網(wǎng)的增強(qiáng)服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)亞米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)，靜態(tài)毫米級(jí)高精度定位。

廣域差分服務(wù)技術(shù)

利用大范圍分布的參考站解算導(dǎo)航衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘的誤差、信號(hào)偏差、廣域電離層效應(yīng)，這種校準(zhǔn)數(shù)的表述方式稱為 SSR （State Space Representation）， 即狀態(tài)空間表述。過(guò)去通常采用通信衛(wèi)星播發(fā)校準(zhǔn)數(shù)， 所以實(shí)際系統(tǒng)被稱作星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS：Satellite-based Augmentation System），現(xiàn)在 SSR 校準(zhǔn)數(shù)也通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)。千尋位置使用全球分布的參考站和北斗地基一張網(wǎng)提供高精度 SSR 服務(wù)，增加了區(qū)域電離層和對(duì)流層校準(zhǔn)數(shù)，通過(guò)通信衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)鏈路實(shí)時(shí)播發(fā)給用戶。用戶端結(jié)合 PPP-RTK 可以快速達(dá)到厘米級(jí)定位精度。

3 以自動(dòng)駕駛為例，高精度 GNSS 定位如何發(fā)揮作用

精準(zhǔn)時(shí)空為 IoT 多種場(chǎng)景賦能，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用也被討論得尤為火熱。自動(dòng)駕駛可以說(shuō)是在 IoT 體系中能讓大眾較清晰看到落地場(chǎng)景的應(yīng)用，也是高精度 GNSS 定位技術(shù)非常重要的應(yīng)用場(chǎng)景。

業(yè)界根據(jù)智能程度將自動(dòng)駕駛分為 5 級(jí)，常被提及的駕駛輔助、自動(dòng)駕駛、無(wú)人駕駛其實(shí)代表了自動(dòng)駕駛的不同程度的智能化。高精度 GNSS 定位更多是賦能 L2 以上的自動(dòng)駕駛，讓系統(tǒng)獲取高精度的絕對(duì)位置。

（SAE 國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)）

自動(dòng)駕駛中定位技術(shù)的瓶頸

1、定位系統(tǒng)的可用性問(wèn)題（各種傳感器失效造成的用戶體驗(yàn)差）；

2、L3 級(jí)以上自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全問(wèn)題；

3、由傳感器性能要求升級(jí)帶來(lái)的系統(tǒng)成本增加問(wèn)題。

隨著自動(dòng)駕駛的智能程度不斷上升，在 L1-L5 不同階段，定位的要求層層遞進(jìn)，定位距離從 10 米到亞米級(jí)、甚至 L3 級(jí)以上要求厘米級(jí)。而高精度定位是通過(guò)各種定位傳感器實(shí)現(xiàn)的，定位傳感器構(gòu)成了整個(gè)車(chē)輛的感知系統(tǒng)，在選擇上，不同場(chǎng)景下不同的傳感器各有優(yōu)劣，往往不能兼顧全面的需求。而在系統(tǒng)中引入高精度的衛(wèi)星定位與各種傳感器做融合，各自覆蓋各自專長(zhǎng)的工作場(chǎng)景，互為冗余備份，可以大大提高系統(tǒng)的可用性與安全性，并且由于各傳感器各司其職，也能夠一定程度上起到降低系統(tǒng)整體成本的作用。

高精度 GNSS 定位如何突破在自動(dòng)駕駛中的瓶頸

相較于其他傳感器，GNSS 成本低、絕對(duì)位置精度高的優(yōu)勢(shì)在大部分自動(dòng)駕駛場(chǎng)景及量產(chǎn)落地的需求下是大勢(shì)所趨。

在傳感器的選擇上，GNSS 可以和其他傳感器的搭配以解決對(duì)于絕對(duì)定位場(chǎng)景和相對(duì)定位場(chǎng)景下的不同自動(dòng)駕駛需求。業(yè)界在車(chē)載導(dǎo)航應(yīng)用方向上，常使用 GNSS 定位 + 慣性導(dǎo)航融合的方法。GNSS 定位能得到車(chē)輛所處的經(jīng)緯度信息和當(dāng)前的姿態(tài)信息，但是在普通 GNSS 定位中常產(chǎn)生信號(hào)丟失的問(wèn)題，慣性導(dǎo)航則能夠在信號(hào)丟失情況下可持續(xù)維持準(zhǔn)確方向及位置，所以經(jīng)常結(jié)合使用，完成車(chē)輛的精準(zhǔn)定位。

賦能自動(dòng)駕駛需要五個(gè)時(shí)空基準(zhǔn)必要因素：GNSS 衛(wèi)星、高精度地圖、全疆域通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋、全疆域統(tǒng)一基準(zhǔn)的 GNSS 基站、性能良好的移動(dòng)端 GNSS 接收機(jī)，5 者合力保證自動(dòng)駕駛安全。其中高精度地圖的作用在于讓車(chē)“記住路線”，當(dāng) GNSS 定位在復(fù)雜場(chǎng)景下暫時(shí)失去對(duì)空間位置的感知，車(chē)輛憑借實(shí)時(shí)感知及記憶數(shù)據(jù)保證能正常行走?，F(xiàn)在的高精度定位一般都是通過(guò) RTK 技術(shù)來(lái)獲取的，為了與高精度地圖信息進(jìn)行匹配，必須要做到時(shí)空基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

有了高精度 GNSS 定位技術(shù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中車(chē)的絕對(duì)定位、地圖的糾偏、測(cè)試相對(duì)位置準(zhǔn)確度的三大方向也就有了解決方案。高精度地圖現(xiàn)階段是通過(guò)后處理為地圖進(jìn)行糾偏，對(duì)于基礎(chǔ)地面標(biāo)識(shí)的精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中的車(chē)來(lái)說(shuō)是最好的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。此外，高精度 GNSS 定位加高精度地圖，也能實(shí)現(xiàn)很多智能駕駛輔助方面的功能，比如提醒司機(jī)前方有急轉(zhuǎn)彎道、坡道、交叉路口，還有一些已知的事故點(diǎn)，帶來(lái)更好的駕駛體驗(yàn)；另外，作為基準(zhǔn)評(píng)估相對(duì)位置的準(zhǔn)確度已經(jīng)普遍用于 L1、L2 級(jí)別的功能實(shí)踐。

高精度 GNSS 定位在自動(dòng)駕駛中的案例

1、高精度 GNSS 與車(chē)路協(xié)同（V2X）

車(chē)路協(xié)同中一個(gè)最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的技術(shù)就是高精度 GNSS 定位技術(shù)，車(chē)端、路端是車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下需要連接的兩端，對(duì)汽車(chē)及路面基礎(chǔ)設(shè)施的組合定位服務(wù)是必須要解決的問(wèn)題。

在車(chē)路協(xié)同這一場(chǎng)景下，千尋位置構(gòu)建了一套解決方案以應(yīng)對(duì)厘米級(jí)定位問(wèn)題。

（千尋位置車(chē)路協(xié)同（V2X）高精度定位方案架構(gòu)）

通過(guò)差分服務(wù)技術(shù)解決定位誤差問(wèn)題后，通過(guò)通信模塊（無(wú)線蜂窩通信或者說(shuō)衛(wèi)星鏈路通信）將差分改正數(shù)據(jù)傳播到定位終端。數(shù)據(jù)傳到定位終端即 V2X 車(chē)載單元和 V2X 路側(cè)單元后，在 GNSS+IMU（慣性傳感器）+ 其他傳感器系統(tǒng)方案輔助下，結(jié)合差分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)使用高精度定位算法，從而生成車(chē)載單元和路側(cè)單元的組合定位。最后通過(guò)這一定位方式服務(wù)于車(chē)路協(xié)同一些典型應(yīng)用場(chǎng)景。

在車(chē)路協(xié)同解決方案中，方案的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性具備較高要求。這時(shí)候，邊緣節(jié)點(diǎn)的引入非常重要，邊緣計(jì)算平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、路由和分發(fā)等工作。但隨著數(shù)據(jù)的并發(fā)和數(shù)據(jù)量的增多，提升邊緣計(jì)算單元（MEC）使用數(shù)據(jù)的有效率就非常重要。千尋位置的解決方案中就為 V2X 及物聯(lián)網(wǎng)提供終端統(tǒng)一的時(shí)間體系，保障數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜協(xié)同功能。

2、高精度 GNSS 與高級(jí)自動(dòng)駕駛 HAD 場(chǎng)景

針對(duì) L3 以上的功能場(chǎng)景，即高級(jí)自動(dòng)駕駛 HAD 場(chǎng)景，千尋位置也提出了一套高精度定位解決方案。

（千尋位置 HAD 高精度定位方案架構(gòu)）

同理通過(guò) RTK 或者 SSR 差分服務(wù)技術(shù)解決定位誤差問(wèn)題后，通過(guò)通信模塊將差分改正數(shù)據(jù)傳播到車(chē)載端，在車(chē)載端接收云端處理后數(shù)據(jù)后，除了 GNSS+ 慣性導(dǎo)航融合技術(shù)之外加入高精地圖的共同作用，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能，除了常規(guī)的高精度位置之外，在 HAD 類(lèi)型的定位解決方案中，千尋位置推出高完好性及功能安全 ASIL-B 等級(jí)的定位服務(wù)，有效解決系統(tǒng)級(jí)定位輸出不準(zhǔn)導(dǎo)致的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)應(yīng)用該高精度定位解決方案，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)關(guān)鍵判斷，例如，幫助自動(dòng)駕駛功能準(zhǔn)確判斷設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)域（ODD），決定自動(dòng)駕駛功能在合適的時(shí)候進(jìn)行交接；在車(chē)道線不規(guī)則、車(chē)道線短暫覆蓋、道路無(wú)明顯標(biāo)志物、彎道曲率過(guò)大等相對(duì)定位方案失效的情況下，汽車(chē)依然能夠根據(jù)準(zhǔn)確的衛(wèi)星定位和高精度地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)駕駛功能決策。

最后，以上整體解決方案，都能夠被最小化集成至自動(dòng)駕駛域控制器上，在不需求額外系統(tǒng)硬件配置，不消耗大量系統(tǒng)算力的情況下，最終落地在應(yīng)用場(chǎng)景中。

4 如何從 0 接觸精準(zhǔn)時(shí)空定位技術(shù)

目前，千尋位置面向企業(yè)開(kāi)發(fā)者、個(gè)人開(kāi)發(fā)者發(fā)布了名為“北斗智造者計(jì)劃”的支持計(jì)劃，旨在讓 IoT 開(kāi)發(fā)者能夠通過(guò)北斗精準(zhǔn)時(shí)空技術(shù)能力突破技術(shù)壁壘。并將在技術(shù)、生態(tài)、資金三個(gè)方面給予個(gè)人、企業(yè)開(kāi)發(fā)者支持。