2. 定位系统基础
在定位失效检测与冗余切换工程中，第一步不是设计切换逻辑，而是彻底理解每个定位源“能提供什么、什么时候会失效、误差长什么样”。只有把各定位源的输出特性与误差来源摸清，后续的残差检测、一致性校验和切换门限才有物理依据。本节围绕四类主流定位源展开：GNSS、INS、视觉与激光雷达，并补充轮速/里程计作为常用辅助源。
一、核心原理：四类定位源的物理基础
GNSS通过接收多颗卫星的测距信号，利用伪距或载波相位观测值解算接收机位置。伪距定位精度在米级，RTK载波相位差分可到厘米级。其本质是“绝对定位”，输出全局坐标，但依赖天空视野与信号传播环境。
INS由陀螺仪和加速度计组成，通过积分角速度和比力得到姿态、速度和位置。它不依赖外部信号，短时精度极高、输出频率可达100~1000Hz，但误差随时间累积，纯惯性几分钟内即可漂移数十米甚至更远。
视觉定位通过相机提取特征点、光流或直接法配准，结合多视图几何或视觉惯性里程计（VIO）估计位姿。它在纹理丰富、光照稳定的场景中精度高、成本低，但受光照突变、弱纹理、动态遮挡影响显著。
激光雷达通过扫描获取三维点云，利用ICP、NDT或特征匹配进行帧间配准与地图匹配。它提供高精度三维结构与距离信息，对光照不敏感，但在长走廊、空旷广场、雨雪雾天气中易退化。
二、输出特性对比：频率、精度与失效模式
不同定位源的输出频率、精度量级和失效模式差异巨大，这直接决定了冗余切换策略的设计。下表汇总了五类定位源的关键参数与典型失效场景。
| 定位源 | 输出频率 | 典型精度 | 输出内容 | 典型失效模式 |
|---|---|---|---|---|
| GNSS | 1~10 Hz | 米级（RTK厘米级） | 绝对位置、速度 | 遮挡、多路径、欺骗干扰 |
| INS | 100~1000 Hz | 短时厘米级，长时漂移 | 姿态、速度、位置、角速度 | 零偏漂移、积分发散 |
| 视觉 | 10~60 Hz | 厘米级（相对） | 相对位姿、稀疏地图 | 光照突变、弱纹理、遮挡 |
| 激光雷达 | 10~20 Hz | 厘米级（相对） | 相对位姿、稠密点云 | 场景退化、雨雪雾 |
| 轮速/里程计 | 50~200 Hz | 1%~5% 行程误差 | 速度、增量位移 | 打滑、轮胎半径变化 |
三、方法流程：从原始观测到可用定位
每个定位源从原始观测到输出可用位姿，通常经历以下流程：
- 数据采集与预处理：GNSS 进行伪距/载波提取与周跳检测；INS 进行温度补偿与零偏标定；视觉进行去畸变与特征提取；激光雷达进行运动补偿与点云滤波。
- 状态估计：GNSS 采用最小二乘或卡尔曼滤波解算位置；INS 进行姿态更新与速度位置积分；视觉/激光雷达通过帧间配准或因子图优化求解相对位姿。
- 质量评估：输出协方差、内点率、残差、卫星数、PDOP、特征跟踪数等质量指标，作为后续失效检测的输入。
- 坐标统一：将各源输出统一到同一坐标系与时间基准，为融合与切换做准备。
GNSS: 卫星数=12, PDOP=1.8, 定位状态=RTK_FIXED, 协方差=0.02m²
INS: 陀螺零偏=0.5°/h, 加速度计零偏=0.1mg, 积分时长=120s
视觉: 跟踪特征数=180, 内点率=0.92, 重投影误差=0.8px
激光: 匹配内点率=0.85, 残差=0.12m, 场景退化标志=否四、案例/场景：城市峡谷中的定位源表现
以城市峡谷场景为例：车辆行驶在高楼密集区域，GNSS 可见卫星数从 14 颗骤降至 5 颗，PDOP 从 1.5 恶化到 6.0，多路径导致位置跳变 8~15 米；此时 INS 在 10 秒内位置漂移约 1.5 米，仍可维持短时连续输出；视觉因建筑阴影与动态车辆遮挡，特征跟踪数从 200 降至 40，内点率跌至 0.5；激光雷达在长直街道中沿道路方向约束退化，横向精度尚可但纵向漂移明显。这一场景说明：单一源无法覆盖全部工况，必须依靠多源互补与实时失效检测。
五、误区与复盘
- 认为 GNSS 始终可靠，忽略城市峡谷与欺骗干扰。
- 认为 INS 短时精度高就可长时间独立使用，忽视积分漂移。
- 认为视觉在夜间也能正常工作，忽略光照与纹理依赖。
- 认为激光雷达不受天气影响，忽略雨雪雾对点云的衰减。
- 只看定位结果，不看协方差、内点率等质量指标，导致失效检测滞后。
复盘要点：在设计冗余切换前，必须为每个定位源建立“正常—降级—失效”三态模型，明确其输出频率、精度量级、失效触发条件与恢复条件。只有把误差来源与失效模式量化，后续的残差检测、一致性校验和切换门限才能做到既不误切也不漏切。