目前只在城區(qū)或高速公路行駛的L4，無論是Waymo還是百度，都必須使用先驗(yàn)（Prior）激光雷達(dá)地圖才可實(shí)現(xiàn)厘米級定位，但先驗(yàn)（Prior）激光雷達(dá)地圖限制了L4的行駛區(qū)域，通常只能覆蓋主城區(qū)或高速公路。自動駕駛要想拋棄先驗(yàn)激光雷達(dá)地圖或其他先驗(yàn)信息來實(shí)現(xiàn)厘米級定位，進(jìn)而達(dá)到真正的全自動駕駛，也就是L5階段，必須用星基增強(qiáng)系統(tǒng)定位。

L4階段的厘米級定位是依靠先驗(yàn)信息的相對定位，全自動駕駛則應(yīng)該無需任何先驗(yàn)信息支持，絕對定位（單點(diǎn)定位）達(dá)到厘米級。要實(shí)現(xiàn)厘米級的絕對定位，星基增強(qiáng)系統(tǒng)是必須的。因?yàn)橹挥行腔鰪?qiáng)系統(tǒng)是單工通訊，這就意味著其帶寬無限大，即便是有幾十億用戶也不會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞，也不會信息延遲。

傳統(tǒng)的GPS定位精度只有3-7米，在城市道路或峽谷中，精度會進(jìn)一步下降。RTK GPS只能用于無人駕駛的Demo，無法大規(guī)模推廣。即便是美國及北約國家，民用系統(tǒng)也不可能用GPS獲得亞米級定位。GPS衛(wèi)星廣播的信號包括三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。測距碼又分為P碼（精碼）和C/A碼，通常也會把C/A碼叫做民碼，P碼叫軍碼。P碼會再分為明碼和W碼，想要破解是完全不可能的。后來在新一代GPS上老美又提出了專門的M（Military）碼，具體細(xì)節(jié)仍處于高度保密中，只知道速率為5.115 MHz，碼長未知。

指望GPS是不可能的了，只有CORS，基本上可以把CORS看成地基增強(qiáng)系統(tǒng)。CORS（Continuous Operation Reference Stations）即連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，為一個或若干個固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN／WAN）技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的GPS觀測值（載波相位，偽距），各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)。CORS分單基站、多基站和網(wǎng)絡(luò)CORS三大類。大規(guī)模使用自然需要網(wǎng)絡(luò)CORS。網(wǎng)絡(luò)CORS主流技術(shù)有四種，分別是VRS、主輔站技術(shù)（i-MAX）、區(qū)域改正參數(shù)（FKP）技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插法技術(shù)。其中VRS技術(shù)市場占有率最高，是目前公認(rèn)的主流，VRS由天寶公司發(fā)明，早在2004年7月，四川省地震局就搭建了VRS網(wǎng)絡(luò)，而在2005年11月，天寶正式將VRS引進(jìn)中國，中國目前的CORS都是基于VRS技術(shù)。這其中包括了從2006年全國各省測繪系統(tǒng)和北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。南方公司則對VRS進(jìn)行了改進(jìn)，命名為NRS，本質(zhì)上還是VRS。

VRS是虛擬參考站（Virtual Reference Station）的簡稱。這項(xiàng)技術(shù)是CORS應(yīng)用的一種，數(shù)據(jù)處理中心24小時連續(xù)不斷地根據(jù)各基準(zhǔn)站所采集的實(shí)時觀測數(shù)據(jù)在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行整體建模解算，通過建立精確的誤差模型（如電離層、對流層、衛(wèi)星軌道等誤差模型），在移動站附近產(chǎn)生一個物理上并不存在的虛擬參考站（VRS），由于虛擬參考站的位置是通過流動站接收機(jī)（可以是手機(jī)，需要裝一個App，或者直接用魔盒）的單點(diǎn)定位解來確定，故其與移動站構(gòu)成的基線通常只有幾米到十幾米，移動站與虛擬參考站進(jìn)行載波相位差分改正，實(shí)現(xiàn)實(shí)時RTK。


CORS-VRS示意圖

VRS最突出優(yōu)勢是覆蓋范圍更廣：VRS網(wǎng)絡(luò)中固定參考站的距離增大，站間距離可達(dá)到70KM，三個站覆蓋的面積可以達(dá)到2100多平方公里，以北京為例，城區(qū)面積為900多平方公里，三個參考站即可覆蓋，北京市面積1.68萬平方公里，十個參考站即可覆蓋。

但是VRS的缺陷也是很明顯的：

（1）采用雙向通信，限制了它的同時在線用戶數(shù)量。

（2）虛擬參考基站隨著用戶（流動站）的移動（超過一定距離）要重新初始化，并且是不可追蹤、不可重復(fù)的虛擬的參考基站。

（3）人為的規(guī)定了一個參考站站網(wǎng)中參考站的數(shù)量，一般情況下為三個。它們是由參考站軟件所決定的，用于計(jì)算流動站所需要的改正數(shù)。此項(xiàng)約束限制了系統(tǒng)采用合適數(shù)量的參考站解決占主導(dǎo)地位的大氣條件，例如建立大尺度氣象活動的模型問題。這種約束也影響到成果的穩(wěn)定性，并表現(xiàn)出對網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)及對數(shù)據(jù)的傳輸損耗十分敏感。如果三個站中有一個站不能為這個網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)，那么網(wǎng)絡(luò)軟件必須搜索另外一個合適的參考站，并為用戶重新安排改正計(jì)算。在搜索過程中，沒有網(wǎng)絡(luò)改正數(shù)可以提供給流動站用戶，需要長時間等待。

（4）其播發(fā)的數(shù)據(jù)格式不標(biāo)準(zhǔn)，偏向某一類型的接收機(jī)。畢竟天寶還是希望你買它的接收機(jī)。

（5）需要通信網(wǎng)絡(luò)（一般是蜂窩網(wǎng)絡(luò)）支持，沒信號的地方或信號差的地方，無法使用。最致命的是，蜂窩通訊是有延遲的，不僅有通信的延遲還有矯正信息的延遲，總的延遲時間大約在200毫秒到數(shù)秒之間。對于每小時速度為72公里的汽車來說，每秒行駛距離為20米，那么100毫秒的延遲就是2米的距離，300毫秒就是6米。蜂窩通訊的延遲與用戶數(shù)量成正比，如果某區(qū)域突然大量增加用戶，延遲達(dá)幾秒甚至無法連通也是有可能的。而星基增強(qiáng)系統(tǒng)如下面所要說的QZSS ，一個定位周期是4毫秒，刷新頻率是250Hz，對于每小時速度為72公里的汽車來說，4毫秒就是8厘米。比地基增強(qiáng)要強(qiáng)太多了。即便是5G時代也難以縮到100毫秒以下。

要真正解決問題，唯有星基增強(qiáng)系統(tǒng)，目前最常見的有兩種，一種是日本的QZSS，另一種是天寶的RTX。兩者的原理非常近似，因此我們主要分析QZSS（準(zhǔn)天頂衛(wèi)星）系統(tǒng)。

早在1972 年，當(dāng)時的日本電波研究所(現(xiàn)為信息與通信研究所) 就提出了準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)的概念，論證了這種系統(tǒng)很適合日本這樣地處中緯度、國土狹小的國家；1997 年，日本政府發(fā)表報告，要求對建立衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的三項(xiàng)基本技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)，即星載原子鐘的研制、系統(tǒng)時間的管理和衛(wèi)星的精密定軌。2000年6月，日本聯(lián)合郵政省向日本宇宙開發(fā)委員會提交了份題為改進(jìn)日本航天開發(fā)體制，擴(kuò)展航天利用新領(lǐng)域的報告。提出了研制和發(fā)射國際互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的建議。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）經(jīng)過調(diào)查指出QZSS具有非常高的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值，并且JAXA當(dāng)時就已經(jīng)考慮到了無人駕駛。2002年11月1日正式成立了新衛(wèi)星商業(yè)公司AdvancedSpace Business Corporation (ASBC)，共有43家企業(yè)出資，三菱電機(jī)公司、日立制作所和豐田汽車公司等7家企業(yè)持股占77%。但是事情并不順利，最后還是由日本政府內(nèi)務(wù)省出面接管QZSS項(xiàng)目。日本政府接管后，在2010年9月11日，發(fā)射第一顆衛(wèi)星Michibiki，2011年6月1日，正式提供導(dǎo)航服務(wù)。2017年6月日，發(fā)射第二顆衛(wèi)星，2017年8月10日，發(fā)射第三顆衛(wèi)星，2017年10月10日，發(fā)射第四顆衛(wèi)星。



按照日本的計(jì)劃，預(yù)計(jì)在2018年11月1日正式投入商業(yè)化運(yùn)營。在2022年前再發(fā)射3顆衛(wèi)星，保證日本上空任意時刻都有兩顆超過70度仰角的衛(wèi)星。 北斗（二代）目前只發(fā)射了14顆衛(wèi)星，其中5顆是GEO，也就是地球同步軌道衛(wèi)星，在地球赤道上空，在北半球這5顆GEO都是在南邊的天空上，而且衛(wèi)星仰角不高都是四五十度，所以，如果南邊被擋住的話，收星情況會很差，這也導(dǎo)致了目前北斗定位的穩(wěn)定性和連續(xù)性并不如GPS。當(dāng)然北斗也有一些優(yōu)點(diǎn)，比如GEO的電文速率要高于GPS，因此收齊一套完整星歷的時間要比GPS快，因此首次定位時間要比GPS快?？傮w上北斗和GPS相當(dāng)類似，單點(diǎn)定位精度都在10m以內(nèi)。 如果仰角不超過48度，衛(wèi)星發(fā)出的信號由于受地面高層建筑物的遮擋，實(shí)際只能覆蓋城市面積的30%，不僅覆蓋面積小，且定位精度也低。而“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星”的仰角在70度（東京地區(qū)達(dá)85度），覆蓋率可達(dá)100%。


上圖為QZSS 仰角覆蓋



除了用在無人駕駛，QZSS的服務(wù)范圍很廣。

2011年6月1日，第一顆衛(wèi)星提供服務(wù)后，日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無人拖拉機(jī)的農(nóng)業(yè)作業(yè)，無需基準(zhǔn)站，也無需蜂窩網(wǎng)絡(luò)。某種意義上講，日本是全球第一個無人駕駛實(shí)用化的國家，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于Waymo。



由于QZSS也覆蓋了澳洲大部分土地，日本與澳洲合作非常緊密，日本向澳洲輸出了很多無人農(nóng)業(yè)技術(shù)，因此澳洲的無人農(nóng)業(yè)也在2017年底得以實(shí)現(xiàn)，在澳洲荒無人煙的西南部和東北部實(shí)現(xiàn)了無人農(nóng)業(yè)。當(dāng)然日本人也賺了不少澳洲人的錢。



不僅如此，日本的QZSS技術(shù)可以完全移植到歐洲的伽利略系統(tǒng)上，歐洲目前已經(jīng)與三菱、NEC和日立展開合作，為歐洲也打造一套QZSS系統(tǒng)。


上表為為主要的GNSS系統(tǒng)碼率和信道



QZSS之所以能實(shí)現(xiàn)高精度定位，主要來自兩個信道的增強(qiáng)，一個是L1-SAIF，另一個是LEX。



L1-SAIF可以達(dá)到亞米級精度，一般來說，最高38厘米。LEX可以達(dá)到2厘米精度。







L1-SAIF不僅包含時鐘矯正、軌道矯正、電離層矯正，還包括有首次定位加速，同時還有日本本土大約1200個GPS地面觀測站網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的GEONET數(shù)據(jù)。


上圖為L1-SAIF的信息結(jié)構(gòu)，碼率為250bps


上圖為QZSS的LEX信息格式，數(shù)據(jù)為1695字節(jié)，包頭為49字節(jié)，包尾為256字節(jié)的里德所羅門校驗(yàn)糾錯碼。


上圖為LEX的信號調(diào)制，short code的時間只有4毫秒，平方波則比較長，有820毫秒。LEX需要特殊的接收機(jī)，目前的GPS接收機(jī)可以接收到QZSS信號，但無法解調(diào)出LEX信息。不過只需要在軟件上做改動，即可實(shí)現(xiàn)這個功能。


因此，日本將是全球第一個能實(shí)現(xiàn)L5級自動駕駛的國家。