2.3.1 概述

自动驾驶汽车导航功能实现的前提和基础是得到准确可靠的汽车位置和姿态（通常称为位姿）等定位信息。目前，车辆定位技术主要包括全球导航卫星系统、惯性测量单元以及高精度地图。

1.全球导航卫星系统

四大全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）包括GPS、北斗（BDS）、格洛纳斯（GLONASS）和伽利略（GALILEO）。卫星定位通常需要四个卫星，其中三个用于定位，一个用于减少误差。因为光速很快，即使是少量的时间误差也会在计算过程中造成巨大误差，所以每个卫星都配备了高精度的原子钟。为进一步减小误差，还可以使用实时运动定位（Real-Time Kinematic，RTK）技术。

RTK需要在地面上建立几个基站，每个基站都知道自己的精确地面位置，同时每个基站都通过GPS测量自己的位置，GPS测量的位置和已知的精确地面位置之间的偏差是GPS测量结果中的误差，其他GPS接收器根据这一误差来调整自身的定位结果。在RTK的帮助下，GPS可以将定位误差缩小至10cm以内，但在有建筑或其他障碍物阻挡GPS信号的情况下，定位效果也会变差或无法定位。此外，GPS的更新频率很低，大约为10Hz（每秒更新10次），而自动驾驶汽车在快速移动中会频繁地更新位置。

2.惯性测量单元

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速度的装置。根据汽车的初始位置、速度和行驶时长，可以算出汽车的当前位置。IMU的主要组件是加速度传感器和陀螺仪。三轴加速度传感器可以精确测量加速度。陀螺仪测量值被转换成世界坐标系。三轴陀螺仪的三个外部平衡环一直在旋转，但旋转轴始终固定在世界坐标系中，汽车通过测量旋转轴和三个外部平衡环的相对位置来计算自身在坐标系中的位置。IMU的优点是高频率更新，频率可达1000Hz，因此可以提供接近实时的位置信息。其缺点是运动误差随时间增加而增加，只能在很短的时间范围内进行定位。汽车采用GPS和IMU结合定位方式，一方面，IMU可弥补GPS更新频率较低的缺陷，另一方面，GPS可纠正IMU的运动误差。

3.高精度地图

高精度地图是相对普通地图精度更高、数据维度更多的电子地图，融合了激光雷达点云数据、GPS信号和语义矢量地图等综合信息。高精地图格式化存储了交通场景中应有的交通要素，并提供厘米级精度的地图数据，相关信息可分为两类：第一类是道路数据，例如车道线位置、类型、宽度、坡度和曲率等车道信息；第二类是车道周边的固定对象信息，例如交通标志、交通信号灯等信息，车道限高、下水道口、障碍物及其他道路细节，还包括高架物体、防护栏、树木、道路边缘类型和路边地标等基础设施信息。高精度地图主要用于地图匹配，辅助环境感知和路径规划。

自动驾驶汽车领域对定位系统的准确性和可靠性都提出了极高要求，定位精度需要达到厘米级，而目前的卫星导航技术并不能满足自动驾驶汽车的高精度定位需求。因此，对自动驾驶汽车来说，仅依靠卫星导航定位是远远不够的，还需要通过其他定位技术来确定准确的位置，例如基于激光雷达点云数据的定位、基于SLAM技术的定位、基于高精度地图的定位以及基于GPS+INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)信息的定位等。高精度的地理位置信息对保证自动驾驶系统安全稳定运行至关重要，只有高精度的地理位置信息才能配合激光雷达等设备为自动驾驶系统建立准确的地图，进而为车辆提供可靠的导航服务。