El nuevo rol de los sistemas GNSS seguros y de alta precisión en el mercado de automoción
Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS en inglés), especialmente el norteamericano GPS y el europeo Galileo, conforman una tecnología que está completamente integrada en nuestras actividades del día a día. La encontramos en nuestros vehículos, teléfonos móviles, wearables y dispositivos en general, y tenemos completamente asimilado el conocer nuestra ubicación en cada momento y lugar.
Uno de los usos más extendidos de GNSS es para la navegación puerta a puerta. Reconozco que el autor que subscribe este texto en ocasiones se crispa cuando advierte que, en las calles, en programas de TV, informativos, periódicos, etc. se llama continuamente “GPS” a las aplicaciones de navegación. La realidad es que el término GPS (que ni siquiera es lo suficientemente riguroso, dado que se debería utilizar GNSS al existir otros sistemas como Galileo, BeiDou, Glonass, etc.) es la tecnología que permite al dispositivo conocer su posición, velocidad y curso actuales. Cómo navegar por las calles y carreteras hasta alcanzar la dirección de destino es consecuencia de los mapas y los algoritmos de cálculo de caminos que se encuentran dentro de los dispositivos o aplicaciones de navegación, no de la posición GNSS (si bien sin la una no podría existir lo otro).
Seguramente influenciados por esta sinécdoque, y ya abordando el tema del mercado de automoción que nos ocupa, existe todavía en el mismo una visión tradicional que asocia los sistemas GNSS al área multimedia de los vehículos (donde habitualmente se incluyen los sistemas de navegación). Para estas aplicaciones clásicas de los sistemas GNSS (donde también se pueden encuadrar los sistemas de llamadas de emergencia) basta el GNSS por sí solo, que puede alcanzar precisiones en torno a 5-10m para mono frecuencia o 3-5m para multifrecuencia. Especialmente teniendo en cuenta que dicha precisión puede incluso mejorarse a 1-3m por medio de sistemas de aumentación como DGNSS o SBAS.
Sin embargo, estos niveles de precisión, por buenos que sean, no son suficiente para cubrir los requisitos más exigentes de las aplicaciones emergentes en el campo de los sistemas cooperativos o la conducción autónoma. En este mundo, los sistemas utilizados necesitan incrementar progresivamente la disponibilidad de la función de localización global y los niveles mencionados de precisión. Aquí es donde los sistemas GNSS de alta precisión (PPP, RTK, PPP-RTK) aparecen, puesto que con ellos podemos obtener una precisión de nivel centrimétrico, lo que, complementado con otros sensores locales como radar, cámaras o LiDAR, cumple con el rol de posicionar al vehículo de una manera precisa.
En cualquier caso, en aquellas aplicaciones donde el concepto de safety es clave, como es el caso de la conducción autónoma, nuestros sistemas deben ir más allá de la precisión. De poco sirve tener posiciones precisas si no tenemos forma de saber si la posición que entramos como entrada a un sistema safety es errónea. El valor añadido de estos sistemas de posicionamiento seguro es que proporcionan una posición “segura”, lo que significa una posición precisa y confiable. Para ello, estos sistemas implementan el concepto de integridad asociado a la posición, gracias a la detección y exclusión, en tiempo real y durante el cálculo de la posición, de las fuentes de error que afectan a la misma. Gracias a ello somos capaces de calcular un área de confianza, conocida como protection level. La probabilidad de que la posición real (posición calculada menos el error) se encuentre fuera del área de confianza que circunda a la posición calculada es extremadamente baja, y por debajo de la probabilidad objetivo (conocida como Target Integrity Risk o TIR). Cuanto menor sea el TIR objetivo, mayor será el protection level ya que habrá más consideraciones a tener en cuenta a la hora de acotar el error.
Además del área de confianza o protection level, el cumplimiento con estándares como ISO 26262 o ISO 21448 (SOTIF) en el desarrollo de dichos sistemas y el concepto de integridad permiten al sistema alcanzar un nivel de ASIL (Automotive Safety Integrity Level) adecuado e integrar el componente GNSS con otros subsistemas ASIL, con el objetivo de contribuir al safey case del vehículo.
En cualquier caso, y tal y como ya hemos avanzado, el GNSS tiene sentido en conducción autónoma cuando además se combina con otros sensores. Por sí solo, GNSS no puede utilizarse para guiar un vehículo autónomo (incluso sin tener en cuenta los elementos externos como obstáculos, otros vehículos, etc.), ya que como sabemos el sistema tiene sus limitaciones especialmente en áreas con escasa visibilidad del cielo como puedan ser entornos urbanos o túneles. En estos casos, la integración con la información que proviene de otros sensores como inerciales, odómetros, etc. permiten continuar con la función de localización por medio de una proyección de la última posición GNSS conocida durante un breve periodo de tiempo. Si además pensamos en cómo funcionan los coches autónomos, veremos que hay otros numerosos sensores a bordo, como cámaras, radares y LiDAR que implementan el rol del ojo humano conformando el sistema de percepción del vehículo. Junto con la inteligencia artificial, la percepción proporciona al vehículo el conocimiento de su entorno y obstáculos, tanto estáticos como dinámicos, esperados e inesperados. Juntos el sistema de percepción, la IA y el sistema de posicionamiento global que además proporciona velocidad y rumbo del vehículo conforman los componentes ADAS cruciales de la conducción autónoma.
En este conjunto, la solución GNSS de alta precisión y segura presenta independencia, arquitecturalmente hablando, respecto a los sensores de percepción y los mapas. De acuerdo con la ISO 26262-9 sobre functional safety, la combinación de subsistemas independientes con un nivel más bajo de ASIL (ASIL-B) puede a través de implementar redundancia, alcanzar un nivel ASIL más alto (por ejemplo, ASIL-D). Como resultado, utilizando un sistema GNSS seguro, que puede alcanzar niveles ASIL-B, como una pieza adicional del safety case del vehículo, el OEM puede alcanzar los niveles más altos de ASIL requeridos. Esto cobra especial importancia si además consideramos que GNSS es un sensor con un coste contenido y que puede trabajar en entornos muy diversos bajo todo tipo de condiciones climáticas, incluyendo aquellas situaciones sin referencias visuales que sí que afectan a otros sistemas ADAS, como puedan ser desiertos, calzadas cubiertas de nieve, etc.
Además de su contribución al safety case, el sistema GNSS también puede utilizarse para inicializar y calibrar otros sensores de percepción, apoyando un uso más eficiente de los recursos de la plataforma. También supone una fuente fiable para la actualización dinámica de mapas HD (por ejemplo, por medio de técnicas SLAM u otras). Asimismo, la combinación de una posición precisa junto al protection level que hemos comentado anteriormente, puede ser clave para determinar de manera univoca los eventos de entrada o salida dentro de un área geográfica determinada (geofencing). Esto es particularmente relevante en conducción autónoma para asegurarse de que en vehículo ha accedido a cierta infraestructura (por ejemplo una autovía) donde se permite un nivel de automatización mayor. En resumen, el número de aplicaciones para una posición precisa y confiable aumentan por momentos.
La mayoría de los OEM han empezado ya a descubrir los beneficios que soluciones como Point Safe® for Automotive, suministrada por u-blox y que integra el producto GMV GSharp® for Automotive, pueden proporcionar a todos los casos de uso que hemos comentado en este texto. De momento esta tecnología se está introduciendo poco a poco en modelos específicos, de manera análoga a otras funciones de conducción autónoma, pero se prevé que el mercado para este tipo de soluciones crezca considerablemente en los próximos años.
Por tanto, a los sistemas GNSS todavía les queda un largo camino por delante en automoción.
Autor: Carlos Busnadiego Gutiérrez