隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車(chē)輛的精準(zhǔn)定位成為安全駕駛與路徑規(guī)劃的核心基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)人類(lèi)駕駛依賴(lài)路標(biāo)和視覺(jué)判斷，自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要在復(fù)雜多變的交通環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)米級(jí)乃至厘米級(jí)的定位精度，并能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)環(huán)境變化。為此，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通常采用多傳感器融合的方式，將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性測(cè)量單元（IMU）、激光雷達(dá)（LiDAR）、攝像頭、超寬帶（UWB）等多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，通過(guò)算法層層迭代優(yōu)化，達(dá)到高精度、高可靠性的車(chē)輛定位能力。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

GNSS（Global Navigation Satellite System）是定位的基礎(chǔ)手段之一，目前常見(jiàn)的系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國(guó)的北斗。GNSS通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量載波相位或偽距，理論上可實(shí)現(xiàn)米級(jí)定位精度。但受制于大氣層電離層延遲、多路徑效應(yīng)、信號(hào)遮擋等因素，單一GNSS定位往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)米甚至十幾米的誤差。為提升精度，自動(dòng)駕駛往往采用差分GNSS（DGNSS）或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)改正（RTK）技術(shù)，通過(guò)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)向車(chē)載GNSS接收機(jī)發(fā)送改正信息，將定位精度提升到10厘米以?xún)?nèi)。即便如此，在城市峽谷或隧道等GNSS弱覆蓋區(qū)域，GNSS定位還會(huì)出現(xiàn)信號(hào)中斷或精度驟降，需要依賴(lài)其他傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。

慣性測(cè)量單元（IMU）

IMU由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀組成，能夠以高頻率（通常在100Hz以上）測(cè)量車(chē)輛的線(xiàn)加速度與角速度�；�于零速更新（ZUPT）或車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，IMU可以在短時(shí)間內(nèi)提供平滑、連續(xù)的姿態(tài)與位移估計(jì)，彌補(bǔ)GNSS失效時(shí)的定位盲區(qū)。但I(xiàn)MU本身存在累積誤差問(wèn)題，加速度積分得到速度、位置時(shí)，誤差隨時(shí)間呈二次方增長(zhǎng)。因此，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過(guò)濾波器（如擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF、無(wú)跡卡爾曼濾波UKF或基于因子圖的平差）將GNSS與IMU數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正與狀態(tài)估計(jì)，使定位既具有GNSS的全局參考，又具備IMU的高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

激光雷達(dá)（LiDAR）SLAM技術(shù)

LiDAR能夠獲取高精度的三維點(diǎn)云，描繪周?chē)�環(huán)境的幾何特征，并對(duì)點(diǎn)云序列進(jìn)行配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)基于激光的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（LiDAR SLAM）。常見(jiàn)算法包括LOAM（LiDAR Odometry and Mapping）、Cartographer和FAST-LIO等。它們通過(guò)點(diǎn)云特征提�。ㄈ缙矫�、棱線(xiàn)特征）和匹配，將新一幀點(diǎn)云與已有地圖或局部子地圖進(jìn)行位姿估計(jì)，并將高置信度位姿作為優(yōu)化約束，不斷更新車(chē)輛位姿與地圖。LiDAR SLAM具有抗光照變化、強(qiáng)抗干擾的優(yōu)勢(shì)，能夠在GNSS失效或視覺(jué)條件不佳的環(huán)境中持續(xù)定位。但其計(jì)算量大、對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量和環(huán)境特征豐富度有較高要求，需要與其他傳感器協(xié)同使用以保證魯棒性。

視覺(jué)慣導(dǎo)與視覺(jué)里程計(jì)

攝像頭具有成本低、分辨率高、信息量豐富的特點(diǎn)，可用于車(chē)道線(xiàn)識(shí)別、交通標(biāo)志檢測(cè)、物體識(shí)別等場(chǎng)景感知，同時(shí)通過(guò)視覺(jué)里程計(jì)（VO）或視覺(jué)慣性里程計(jì)（VIO）實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì)。VO方法基于兩幀或多幀圖像特征匹配（如SIFT、ORB、SuperPoint），求解相對(duì)運(yùn)動(dòng)；VIO進(jìn)一步結(jié)合IMU數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波或優(yōu)化框架（如MSCKF、VINS-Mono），提高估計(jì)精度與穩(wěn)定性。視覺(jué)定位在特征稠密、紋理豐富的場(chǎng)景下精度較高，但易受光照變化、雨霧天氣等因素影響。未來(lái)還可結(jié)合深度學(xué)習(xí)，利用語(yǔ)義特征輔助定位，提高在相似環(huán)境下的魯棒性。

高精度地圖與定位

高精度地圖（HD Map）是自動(dòng)駕駛定位的重要先驗(yàn)，通常包括厘米級(jí)精度的車(chē)道線(xiàn)中心線(xiàn)、路緣石、坑洞、交通標(biāo)志、信號(hào)燈位置等幾何與語(yǔ)義信息。車(chē)輛在定位時(shí)，將實(shí)時(shí)傳感器感知的環(huán)境特征與地圖要素進(jìn)行匹配，通過(guò)ICP（Iterative Closest Point）、NDT（Normal Distribution Transform）等方法，計(jì)算當(dāng)前車(chē)身位姿。高精度地圖一方面可以彌補(bǔ)傳感器數(shù)據(jù)不足，另一方面還可提供冗余校驗(yàn)，當(dāng)多源傳感器出現(xiàn)異常時(shí)，定位系統(tǒng)依然有可靠依據(jù)。但高精度地圖的構(gòu)建與更新成本較高，需要專(zhuān)業(yè)測(cè)繪設(shè)備和定期維護(hù)。

多傳感器融合算法

在自動(dòng)駕駛定位系統(tǒng)中，多傳感器融合是核心。最常用的方法包括擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）、無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF）、粒子濾波（PF）以及基于因子圖的優(yōu)化（如g2o、GTSAM）。EKF類(lèi)方法適合實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，而因子圖優(yōu)化能更好地處理非線(xiàn)性、多模態(tài)信息，并支持后端批量?jī)?yōu)化。融合框架通常分為前端（測(cè)量預(yù)處理、特征提取與匹配）和后端（狀態(tài)估計(jì)與優(yōu)化）兩部分。前端對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、時(shí)空對(duì)齊，并提取關(guān)鍵特征；后端以融合算法為核心，將各傳感器的觀(guān)測(cè)值、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)模型、地圖先驗(yàn)融入最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)稀疏線(xiàn)性求解器不斷迭代，得到全局一致的最優(yōu)位姿。

挑戰(zhàn)及展望

盡管當(dāng)前定位技術(shù)已能滿(mǎn)足大多數(shù)城市與高速公路場(chǎng)景，但在極端惡劣天氣（暴雪、濃霧）、地下停車(chē)場(chǎng)、高層建筑密集區(qū)等“GNSS陰影區(qū)”，多傳感器融合仍面臨信號(hào)遮擋、傳感器失效、計(jì)算資源受限等挑戰(zhàn)。未來(lái)，隨著5G/6G網(wǎng)絡(luò)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)（V2X）、超寬帶（UWB）等通訊技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)與車(chē)路協(xié)同定位，進(jìn)一步提升定位精度與魯棒性。自監(jiān)督與強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在SLAM與定位中的應(yīng)用，還將助力傳感器數(shù)據(jù)的智能融合與誤差自適應(yīng)校正。未來(lái)，自動(dòng)駕駛車(chē)輛定位必將向著更高精度、更強(qiáng)魯棒性、更低成本的方向演進(jìn)，為智能交通和無(wú)人駕駛的大規(guī)模商業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

-- END --

       原文標(biāo)題 : 自動(dòng)駕駛汽車(chē)是如何準(zhǔn)確定位的？