摘要: 在人类技术发展的历史长河中,精确定位技术的能力如魔术般神奇。如今,全球导航卫星系统(GNSS)技术在商业、民用和军事应用中无处不在,但它仍然不是一个完美的工具,其最大问题是往往不是那么不可靠。当接收器对 GNSS 卫星有清晰的视线时,定位效果就会很好。大多数...
在人类技术发展的历史长河中,精确定位技术的能力如魔术般神奇。如今,全球导航卫星系统(GNSS)技术在商业、民用和军事应用中无处不在,但它仍然不是一个完美的工具,其最大问题是往往不是那么不可靠。当接收器对 GNSS 卫星有清晰的视线时,定位效果就会很好。大多数情况下,它们确实也是如此,特别是在空中、海上或高速公路上。不过可惜的是在某些地方,建筑物和地形可能会干扰卫星信号,导致重大错误甚至失去固定,因此定位系统通常无法预测这些重大误差将在何时何地发生。
长期以来,技术人员一直认为这是 GNSS 固有的功能,毕竟,我们无法改变物理定律来使卫星信号免受反射或干扰。不过通过新的 3D 地图制图技术,我们可以实现一些同样的功能,也能够确切地了解 GNSS 在何时何地可以信任,以及在哪种情况下不能信任。如今,行业领导者正在使用这些技术从根本上改善当前和新兴用例的定位,换言之,他们正在改写 GNSS 可能的规则。
应对GNSS的挑战
全球导航卫星系统技术的优势在于其对卫星星座的使用。接收器只需要根据其中几个接收器的清晰视线即可准确确定位置,并且大多数情况下都可以被获取,即使在大多数卫星信号被阻挡的情况下。不过问题是 GNSS 卫星从未停止移动,以每分钟约一度的速度绕地球运行。
如果在一个有高层建筑的城市地区计算位置,那么通常可以信任 GNSS 信号,特别是建筑物的反射可能会使定位偏离数十米(图1),定位系统也不能避免 “bad spots”,它随着卫星的移动而变化,不过实际上每一秒都在发生变化。
到目前为止,该问题还没有成为大多数商业 GNSS 应用的破坏者,然而在其它的用例中,如自动驾驶汽车或基于无人机的交付情况下,可靠的定位数据就会变得更加至关重要。
通过3D地图制图改变游戏规则
如今,行业领导者利用新技术,将 GNSS 数据与高分辨率 3D 地图相结合,他们可以准确地识别 GNSS 信号在哪些地方可用,也可以向任何商业客户或政府机构提供该见解(通常作为云服务),因此某些客户或政府机构也可以从更可靠的定位中受益。
对于航空和汽车用例,目前正在使用地图制图方案,该解决方案可提供低至30厘米的原始分辨率,并能够获得更高的分辨率。他们还使用多光谱成像等技术来区分天然和人造材料、穿透烟雾等。
一旦有了高保真地图,就会在该地区创建一个可观察点的叠加功能,例如将该地区分割成一平方米,之后确定哪些卫星将在给定时间内清晰可见,并且包括多种方法,其中最受欢迎的是以下两项:
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阴影匹配:这种技术通常应用于智能手机,创建一个 3D 地图辅助 (3DMA) 网格,显示给定区域的预测 GNSS 信号,将这些预测与测量信号进行实时比较,以识别和纠正错误。
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光线追踪:在其他领域,尤其是航空领域,需要更精细的仰角和方位角细节,领先的解决方案使用从每个可观测点到星座中每颗卫星的光线追踪。经过反复操作后,构建一个数据集,在 3D 地图的每一米(图 2)中逐秒显示哪些卫星是视距(可靠的)。
下一代定位在行动
GNSS 可靠性解决方案针对不同的用例,应用于不同的技术。除了系统如何计算视线外,决定解决方案方法的最大因素是计算速度需要多快以及需要多少点,包括以下两个主要选项:
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单点设备计算:对于具有充足本地计算资源的应用程序,计算定位的延迟量是可以接受的,并且设备只想知道单个(或少数)点,以设备为中心的解决方案是较合适的。这种方法用于大多数基于智能手机的场景,其中应用程序具有强大的端点设备,通常具有强大的网络连接,并且不需要以毫秒为单位测量精度。
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基于云的扩展解决方案:在很多场景中,例如空中无人机和无人驾驶车辆,其中车辆或路线周围的整个环境都需要快速,并且车辆没有专用于 GNSS 的计算。在这些情况下,GNSS 云服务可以提供实时预测性见解。它们在云中提前执行某个区域的所有计算,预测未来的某个时期。定位引擎可以提前实时了解 GNSS 信号的可信和不可信任之处,以及利用它预测提取可能的最佳信号并提高其性能。
展望未来
早期集成的有效实施表明,这些技术可以将 GNSS 系统的精度提高一倍,这在多种航空、汽车和军事场景中潜力往往更大:
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航空:3D 测绘技术可实现更智能的飞行计划,使组织能够提前知道何时何地可以安全飞行,并调整飞行时间以优化定位的可靠性。或者,在大型无人机应用中,如基于无人机的交付,公司可以选择特定时间的已知可靠路线。
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汽车:汽车制造商可以实时使用这些预测来提高 GNSS 系统的性能,并通过了解 GNSS 作为汽车上所有传感器的一部分来提高安全性。
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军事:任务规划人员都可以通过了解给定区域内 GNSS 的性能改进风险分析。还可以评估现场 GNSS 信号的完整性,包括检测定位数据何时被阻止或欺骗。
这些只是其中的几种可能性,借助新的 3D 映射技术,我们可以将 GNSS 从“通常可靠”转变为高度精确并开始挖掘定位的潜力。