Nowa rola bezpiecznych i precyzyjnych systemów GNSS na rynku motoryzacyjnym
Globalne Systemy Nawigacji Satelitarnej (z ang. GNSS), zwłaszcza amerykański GPS i europejski Galileo, tworzą technologię, która jest w pełni zintegrowana z naszą codzienną działalnością. Możemy ją znaleźć w naszych pojazdach, telefonach komórkowych, urządzeniach ubieralnych i urządzeniach IoT, w pełni przyswoiliśmy sobie zatem znajomość naszej lokalizacji w dowolnym miejscu i czasie.
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych zastosowań systemu GNSS jest nawigacja „od drzwi do drzwi”. Muszę przyznać, że autor tego tekstu czasami wzdryga się, gdy zauważa, iż na ulicach, w programach telewizyjnych, programach informacyjnych, gazetach itp. aplikacje nawigacyjne są nieustannie nazywane „GPS”. W rzeczywistości termin GPS (który nie jest nawet wystarczająco rygorystyczny, jako że należałoby używać skrótu GNSS, gdyż istnieją inne systemy, takie jak Galileo, BeiDou, Glonass itp.) to technologia, która umożliwia urządzeniu poznanie jego pozycji, prędkości i bieżącego kursu. Sposób, w jaki poruszamy się po ulicach i autostradach, aż do momentu dotarcia do celu wynika z map i algorytmów obliczania trasy, które znajdują się w urządzeniach lub aplikacjach nawigacyjnych, a nie pozycji GNSS (chociaż bez tego pierwszego nie byłoby możliwe istnienie drugiego).
Z pewnością pod wpływem tej powszechnie funkcjonującej synekdochy, w kontekście interesującego nas rynku motoryzacyjnego, wciąż pokutuje tradycyjne przekonanie, które systemy GNSS asocjuje z multimedialnym obszarem dotyczącym pojazdów (obejmującym zazwyczaj właśnie systemy nawigacji). W przypadku tych klasycznych zastosowań systemów GNSS (w ramach których można również uwzględnić systemy połączeń alarmowych) wystarczy sam GNSS, który jest w stanie osiągnąć precyzję około 5-10 m dla pojedynczej częstotliwości lub 3-5 m dla wieloczęstotliwości. Zwłaszcza zważywszy na fakt, że wspomnianą dokładność można poprawić nawet do 1-3 m za pomocą systemów wspomagających, takich jak DGNSS czy SBAS.
Niemniej jednak te poziomy precyzji, jakkolwiek byłyby dobre, nie są wystarczające, aby sprostać najbardziej restrykcyjnym wymaganiom powstających aplikacji w dziedzinie systemów współpracujących lub jazdy autonomicznej. W dzisiejszym świecie stosowane systemy muszą stopniowo zwiększać dostępność funkcji globalnej lokalizacji i wspomniane poziomy precyzji. To tu właśnie pojawiają się wysokoprecyzyjne systemy GNSS (PPP, RTK, PPP-RTK), gdyż dzięki nim możemy uzyskać centymetrową precyzję, która – w połączeniu z innymi czujnikami lokalnymi, takimi jak radar, kamery czy LiDAR – jest odpowiedzialna za dokładną lokalizację pojazdu.
W każdym razie w zastosowaniach, w których kwestia bezpieczeństwa odgrywa kluczową rolę, takich jak jazda autonomiczna, nasze systemy muszą oferować znacznie więcej niż tylko precyzję. Posiadanie dokładnych informacji o pozycji jest mało przydatne, jeśli nie mamy możliwości sprawdzenia, czy pozycja, którą wprowadzamy jako dane wejściowe do systemu bezpieczeństwa, jest błędna. Wartością dodaną tych bezpiecznych systemów pozycjonowania jest to, że zapewniają one „bezpieczną”, tj. dokładną i niezawodną pozycję. W tym celu systemy te wdrażają koncepcję integralności związanej z pozycją, dzięki wykrywaniu i wykluczaniu – w czasie rzeczywistym i podczas obliczania pozycji – wpływających na nią źródeł błędów. Dzięki temu jesteśmy w stanie obliczyć obszar zaufania, zwany pod nazwą protection level. Prawdopodobieństwo tego, że rzeczywista pozycja (tj. pozycja obliczona pomniejszona o błąd) znajduje się poza obszarem zaufania otaczającym pozycję obliczoną, jest bardzo niskie i poniżej prawdopodobieństwa docelowego (znanego jako Target Integrity Risk lub TIR). Im niższe będzie docelowe TIR, tym wyższy protection level, gdyż przy ograniczaniu błędu trzeba będzie wziąć pod uwagę więcej dodatkowych czynników.
Poza obszarem zaufania czy poziomem ochrony, zgodność z normami takimi jak ISO 26262 czy ISO 21448 (SOTIF) przy opracowywaniu wspomnianych systemów oraz koncepcja integralności pozwalają systemowi osiągnąć odpowiedni poziom ASIL (Automotive Safety Integrity Level) oraz zintegrować komponent GNSS z innymi podsystemami ASIL, aby przyczynić się do zapewnienia safety case pojazdu.
W każdym razie, jak już przedtem wspomnieliśmy, system GNSS ma sens w autonomicznej jeździe tylko wtedy, gdy jest zestawiony również z innymi czujnikami. Sam system GNSS nie może być wykorzystany do prowadzenia pojazdu autonomicznego (nawet bez uwzględnienia elementów zewnętrznych, takich jak przeszkody, inne pojazdy itp.), gdyż – jak wiemy – system ten ma swoje ograniczenia, szczególnie w obszarach o słabej widoczności nieba, takie jak obszary miejskie czy tunele. W takich przypadkach integracja z informacjami pochodzącymi z innych czujników, jak czujniki bezwładnościowe, liczniki kilometrów itp. umożliwia dalsze działanie funkcji lokalizacji poprzez projekcję ostatniej znanej pozycji GNSS przez krótki okres. Jeśli ponadto zastanowimy się nad tym, jak działają samochody autonomiczne, zdamy sobie sprawę, że na pokładzie znajduje się wiele innych czujników, takich jak kamery, radary i LiDAR, pełniące rolę ludzkiego oka, składające się wspólnie na system percepcji pojazdu. Percepcja, wraz ze sztuczną inteligencją, udostępniają pojazdowi informacje o jego otoczeniu i przeszkodach – zarówno statycznych, jak i dynamicznych, oczekiwanych i nieoczekiwanych. System percepcji, wraz ze sztuczną inteligencja i globalnym systemem pozycjonowania, dostarczającym również informacji o prędkości i kierunku pojazdu, składają się razem na kluczowe elementy ADAS autonomicznej jazdy.
W tym zestawie wysoce precyzyjne i bezpieczne rozwiązanie GNSS jest architektonicznie niezależne od czujników percepcji i map. Zgodnie z normą ISO 26262-9, dotyczącą bezpieczeństwa funkcjonalnego pojazdu (functional safety), połączenie niezależnych podsystemów o niższym poziomie ASIL (ASIL-B) może – poprzez wdrożenie redundancji – osiągnąć wyższy poziom ASIL (na przykład ASIL-D). W rezultacie, stosując bezpieczny system GNSS, będący w stanie osiągnąć poziomy ASIL-B, jako dodatkowy element safety case pojazdu, producent OEM może osiągnąć najwyższe wymagane poziomy ASIL. Jest to szczególnie ważne, jeśli weźmiemy również pod uwagę fakt, że GNSS jest czujnikiem o ograniczonych kosztach i może pracować w bardzo zróżnicowanych środowiskach we wszystkich warunkach pogodowych, w tym w sytuacjach bez wizualnych odniesień, oddziałujących na inne systemy ADAS, takich jak pustynie, zaśnieżone drogi itp.
System GNSS nie jest powiązany tylko z kwestią bezpieczeństwa, może być również wykorzystywany do celów inicjalizacji i kalibracji innych czujników percepcji, wspierając bardziej efektywne wykorzystanie zasobów platformy. Stanowi również niezawodne źródło do dynamicznej aktualizacji map HD (np. poprzez techniki symultanicznej lokalizacji i mapowania – SLAM – lub inne). Ponadto połączenie dokładnej pozycji ze wcześniej wspomnianym protection level może okazać się kluczowe dla jednoznacznego określenia zdarzeń wejściowych lub wyjściowych w określonym obszarze geograficznym (geofencing). Jest to szczególnie istotne w przypadku jazdy autonomicznej, aby zapewnić pojazdowi dostęp do określonej infrastruktury (na przykład autostrady), w której dozwolony jest wyższy poziom automatyzacji. Krótko mówiąc, liczba aplikacji do precyzyjnego i niezawodnego pozycjonowania rośnie z minuty na minutę.
Większość producentów OEM zaczęła już odkrywać korzyści, jakie rozwiązania takie jak Point Safe® dla Motoryzacji – dostarczane przez u-blox i zintegrowane z produktem GMV GSharp® dla Motoryzacji – mogą zapewnić we wszystkich przypadkach zastosowań omawianych w tym tekście. Obecnie technologia ta jest stopniowo wprowadzana w konkretnych modelach, podobnie jak inne funkcje jazdy autonomicznej, niemniej przewiduje się, że rynek tego typu rozwiązań ulegnie w najbliższych latach znacznemu wzrostowi.
Dlatego przed systemami GNSS w branży motoryzacyjnej jest jeszcze długa droga do przebycia.
Autor(ka): Carlos Busnadiego Gutiérrez