作者：Stefania Sesia，u-blox全球汽車應(yīng)用營(yíng)銷總監(jiān)
在邁向自動(dòng)駕駛車輛的道路上，每一代新車的功能集中都會(huì)增加一系列駕駛員輔助功能。例如，人工智能與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng)全自動(dòng)化駕駛的演進(jìn)，也就是自動(dòng)駕駛第5級(jí)(ADL5)。
到2030年，約70%的新車至少提供車道保持和車道變更功能。如今，中高端市場(chǎng)上已有部分車型具備這些第2級(jí)(ADL2)基本自動(dòng)駕駛功能。到本十年末，市場(chǎng)將發(fā)展到在成本較低的細(xì)分市場(chǎng)內(nèi)提供更高的自動(dòng)駕駛級(jí)別。與此同時(shí)，基于ADL4/ADL5的出行即服務(wù)(MaaS)大眾市場(chǎng)產(chǎn)品也將在全球各大都市出現(xiàn)。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(ADS)可解讀來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)(傳感器融合)。雷達(dá)、激光雷達(dá)、視頻、超聲波和攝像頭數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后，可生成有關(guān)車輛周邊環(huán)境及其相對(duì)位置的精準(zhǔn)概要信息。
此外，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)是唯一能將車輛的絕對(duì)位置精確到分米級(jí)(即精確到車道)的傳感器。因此，GNSS使車輛能夠精準(zhǔn)確定自己在地圖上以及環(huán)境中的位置。
ADAS系統(tǒng)可利用GNSS信息來建議/決定最佳車輛行為，例如路線規(guī)劃。借助無線通信技術(shù)(5G/V2X)，車輛還能與附近的車輛和交通基礎(chǔ)設(shè)施共享這些數(shù)據(jù)，或通過這些數(shù)據(jù)確定車輛所處的道路類型是否適合使用特定駕駛功能(地理圍欄)。只要車輛依賴于自動(dòng)駕駛，就等同于依賴車輛的實(shí)際位置，并根據(jù)定位做出決策，就有可能威脅到人的生命，因此有必要確定信息的可信度/完整性。
這就要求具備一種完整性的概念，即定位系統(tǒng)所提供信息的正確性有多可信。如下圖所示，危及完整性的潛在風(fēng)險(xiǎn)可分為：與車輛軟硬件相關(guān)的故障、環(huán)境因素和無意的誤用。在汽車領(lǐng)域，使用不安全信息的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)保證低至每個(gè)駕駛周期10-8和10-6(一個(gè)駕駛周期等于一個(gè)小時(shí))。
ISO 26262-功能安全性
汽車在嚴(yán)苛的環(huán)境中工作。諸多干擾、熱量和振動(dòng)來源會(huì)降低電路的功能或?qū)ζ湓斐蓳p壞。自主安全系統(tǒng)一旦失靈，可能就會(huì)引發(fā)碰撞，造成人員傷亡。這是極其高昂的風(fēng)險(xiǎn)。這其中還牽涉到法律后果。
汽車ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)專門用于規(guī)管系統(tǒng)(如自動(dòng)駕駛系統(tǒng))在故障條件下的行為。汽車制造商必須確保其系統(tǒng)遵循安全標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，并提供證據(jù)來表明硬件或系統(tǒng)性開發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)低到可以接受的程度。通過危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(HARA)，原始設(shè)備制造商或系統(tǒng)所有者，評(píng)估不同威脅和錯(cuò)誤來源造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨后需要根據(jù)一系列指標(biāo)對(duì)每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行分類，以確定汽車安全完整性等級(jí)(ASIL等級(jí))，并在此基礎(chǔ)上確定安全目標(biāo)。
在某些情況下(特別是對(duì)于高度自動(dòng)化的駕駛解決方案)，特定安全目標(biāo)還與具有相應(yīng)目標(biāo)ASIL等級(jí)(通常是ASIL B)的GNSS接收機(jī)有關(guān)。目標(biāo)是設(shè)定實(shí)施硬件和軟件的要求，以防止出現(xiàn)故障或危險(xiǎn)。
預(yù)期功能安全性(SOTIF)
作為ISO 26262汽車功能安全性標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，ISO 21448標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了預(yù)期功能安全性，即系統(tǒng)中的電氣和/或電子(E/E)元件因外部環(huán)境條件等造成的性能缺陷而導(dǎo)致的危險(xiǎn)不存在不合理的風(fēng)險(xiǎn)。
就GNSS而言，與環(huán)境條件有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)來自于更廣泛的星座和GNSS系統(tǒng)部件的故障。此類故障可能是因以下因素造成的重大誤差：對(duì)流層和電離層風(fēng)暴等大氣擾動(dòng)、電離層閃爍、直接信號(hào)或反射信號(hào)的多徑畸變(非視距-NLOS)以及來自其他傳感器(如慣性或輪速傳感器)的其他威脅。
保護(hù)級(jí)別-完整性衡量指標(biāo)
為解決完整性問題，航空業(yè)過去曾經(jīng)推出過“保護(hù)等級(jí)”(PL)。這是一種實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算界限。以有保證的統(tǒng)計(jì)概率顯示用戶所在區(qū)域，而且確保能在無法提供此類保證時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。
PL與稱為警報(bào)限值(AL)的閾值一起使用，AL取決于應(yīng)用。下圖所示的斯坦福圖展示了PL、AL和實(shí)際誤差(AE)之間的關(guān)系，以及認(rèn)為系統(tǒng)正常工作的條件。特別是在實(shí)際誤差大于PL和AL時(shí)，如果未能檢測(cè)到這種誤差情況，未在“告警時(shí)間”之前發(fā)出告警，則認(rèn)為系統(tǒng)處于危險(xiǎn)、誤導(dǎo)性工作(不安全工作)狀態(tài)。這種情況發(fā)生的概率必須保證低于目標(biāo)完整性風(fēng)險(xiǎn)(TIR)。
[斯坦福圖]Pr-概率，PL-保護(hù)級(jí)別，AE-實(shí)際(位置)誤差，AL-警報(bào)限值，TTA-告警時(shí)間，TIR-目標(biāo)完整性風(fēng)險(xiǎn)
完整性概念的主要挑戰(zhàn)之一是，確定足夠嚴(yán)格的保護(hù)級(jí)別界限以及極低的目標(biāo)完整性風(fēng)險(xiǎn)，例如每個(gè)駕駛周期10-6或更低。這就需要考慮到法律概率極低的錯(cuò)誤。這一領(lǐng)域的研究非?；钴S，u-blox公司率先開發(fā)了先進(jìn)技術(shù)，如參考文獻(xiàn)[1-3]所示。
為了表明完整性的重要性，我們可以舉一個(gè)例子?？紤]這樣一種應(yīng)用場(chǎng)景，車輛使用位置信息來激活特定的自動(dòng)駕駛功能。在下圖的第一種情況(左)中，車輛位置被錯(cuò)誤地投射到錯(cuò)誤的街道上，誤差大于平均值，而PL值低于平均值。如果沒有檢測(cè)到這種誤差，也沒有發(fā)送告警，可能會(huì)錯(cuò)誤地激活特定自動(dòng)駕駛功能，而這種功能并不適合車輛當(dāng)前實(shí)際所在的特定道路類型。在第二個(gè)例子(右)中，位置誤差在PL和AL范圍內(nèi)。這是正常工作狀態(tài)。有必要注意，在這個(gè)例子中，還需要精確可靠的地圖。
結(jié)論
為保證自主安全系統(tǒng)正常工作，必須了解車輛在環(huán)境中的位置，以及與其他車輛和物體的距離。該位置為估計(jì)值，受環(huán)境影響、硬件故障和系統(tǒng)性開發(fā)故障的影響。完整性是指所提供信息正確性的可信度。
GNSS傳感器可提供絕對(duì)定位信息，是傳感器融合系統(tǒng)中其他ADAS/ADS傳感器的補(bǔ)充。系統(tǒng)內(nèi)的完整性包括及時(shí)警告用戶何時(shí)不應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)使用相應(yīng)信息。如符合汽車標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262，即可確保自主安全系統(tǒng)在故障情況下的行為具有可預(yù)見性。符合補(bǔ)充性ISO 21448標(biāo)準(zhǔn)(SOTIF)則可確保系統(tǒng)在嚴(yán)苛條件下的功能性。
未來將有更多新車配備自主安全功能，我們相信，隨著高度自動(dòng)化駕駛和高級(jí)V2X應(yīng)用場(chǎng)景的部署，GNSS等安全組件的需求將在未來大幅度增加。
參考文獻(xiàn)：
[1]Julien 等，Extended Results of Single Epoch Position Bound (SEPB)
[2]Martini 等，Galileo High Accuracy Service Performance and Anomaly Mitigation Capabilities，2023 年 6 月 13 日，PREPRINT (Version 1) of journal GPS solutions
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