新的3D地图制图技术改变了全球定位的游戏规则

news2024/11/19 19:40:08

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有人说：一个人从1岁活到80岁很平凡，但如果从80岁倒着活，那么一半以上的人都可能不凡。

生活没有捷径，我们踩过的坑都成为了生活的经验，这些经验越早知道，你要走的弯路就会越少。

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。

图1：GNSS 信号干扰情况

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：

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。
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）。

图2：通过光线追踪确定 GNSS 可靠性

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：

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。
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：

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。
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。
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。