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从势如水火到如胶似漆 三大导航系统为何要兼容?

2018-07-10 16:13 来源:科普中国-军事科技前沿 

  出品:科普中国

  制作:旋钮工作室

  监制:光明网科普事业部

  在寻常人眼中,中、美、俄三国自研的导航系统,也就是“北斗”、GPS和“格洛纳斯”从来都是三个彼此独立的系统。诚然,这三个系统提供的定位导航服务虽然从性质到内容都基本相同,颇有互相竞争的意味。

  但在2017年年末,中美正式签署了《北斗和GPS信号兼容和互操作联合声明》之后,基于之前中俄、俄美双方签署的同样文件,这三种卫星导航系统将如字面上所说那般,同时协力为民间用户提供定位服务。

从势如水火到如胶似漆 三大导航系统为何要兼容?

图为北斗卫星的轨道覆盖情况。(来源:Geospatial World)

  在这里,笔者首先将解释“为什么要互相兼容”这个问题。首先,无论是开世界之先河的“老前辈”GPS,还是后起之秀北斗和格洛纳斯,这三个导航系统都已经形成了自己的“星座”,也在自身的预定区域内实现了当初设计所需的精度要求。

  比方说北斗导航注重欧亚大陆的服务精度,在高纬度地区精度较差,相反格洛纳斯就注重高纬度定位效果,因为运营格洛纳斯的俄罗斯绝大多数领土位于高纬度寒带区,这都是卫星轨道的取舍结果。

  事实上,若是只要应付民航、海运等现存领域的定位导航需求,三大导航系统实在没有必要寻求信号兼容和互操作,因为同时支持三种导航系统寻星信号的民用定位芯片已经逐渐占到了市场主流,离开卫星覆盖区域找不到信号了?切换系统就行。

  但随着人工智能和嵌入式设备在民用领域的快速发展,新的定位导航需求也相应出现,并对现在既存的导航精度提出了极大的挑战。

  跨过钢筋丛林的唯一办法:更多的卫星?

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  图为浦东同一地区不同时间的卫星影像图。可见在卫星角度不同的情况下,高楼对无线电波信号的遮挡效果之明显。(图源:GoogleEarth)

  不同于净空条件良好的高空或海上条件,错综复杂的混凝土丛林天生就对卫星信号有极强的排斥力。设想一下吧,用户如果在高楼林布的楼根人行道处对某一定位系统发出服务请求,但这个定位系统最近的卫星则很不恰好地位于天际线处,可怜的用户自然就得不到卫星信号,继而无法进行定位导航了。

  当然,类似的地形遮挡问题还出现在峡谷、山地等偏远地区,不过都没有城市地带来得严重,这是因为在智能手机等嵌入式设备普及的同时,城市地带还拥有最密集的人口密度,以及最高的导航服务使用率。

  复杂的地形因素和高使用率互相矛盾,这就出现了令导航服务提供商改善服务质量的压力,而导航系统信号兼容和互操作,便是短时间内解决民用设备在城区内“定位难”的良策:几股微弱信号并在一起,起码还能达到“又不是不能用”的地步。

  另一个不速之客:认死理的人工智能

从势如水火到如胶似漆 三大导航系统为何要兼容?

图为UBER在美国小范围试点的自动驾驶车。(图源:Uber)

  很多时候,用户在城区里的定位服务即使能收到信号,也依旧要面临着少则3-5米,多则数十米的误差,譬如定位到马路的另一边,或是从小区里定到了小区外之类的例子比比皆是,人工调整定位点更是家常便饭。

  当然,根据地名和参照物矫正定位结果对人类是小菜一碟。但如果是思考逻辑完全不一样的机器呢?它们可不会碰一碰路人的后背,和善地询问这里到底是哪条路哪个路口。碍于人工智能技术目前的高度所限,它们暂时只会“认死理”,即在有限的图像识别规避能力框架下,使用卫星导航系统作为自己寻路的唯一根据。

  根据公开资料显示,即便在东亚低纬度地区,北斗导航系统对动态目标的定位误差也依旧会达到数十米之多,这对于需要在城区范围内精准定位的人工智能设备而言是致命的。

  而根据相关领域专家的计算,要想在城区内达到分米级精度的定位,在大洲范围内都需要上百颗的导航卫星,这对于发起三大卫星导航系统的中、美、俄而言都是很难承受的结果。因此,在迫切的需求面前,原本激烈竞争的三大导航系统,在民用领域展开近乎全面而彻底的合作,这一结果实际上是不令人意外的,毕竟火箭也好,卫星也罢,每一发都是真金白银,更不用谈上百颗卫星的高昂购置和运行成本了。

[责任编辑:赵清建]

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