Всем известно, что GPS использует спутники для передачи информации о местоположении таких вещей, как умные часы и навигационная система вашего автомобиля. Но не многие знают подробности о том, насколько сложны, запутанны и прогрессивны современные спутниковые навигационные системы.
Глобальная система позиционирования (Global Positioning System (GPS)) была запущена правительством США в 1973 году, чтобы предлагать спутниковую навигацию в любой точке земного шара. В созвездии GPS имеется около 30 спутников, которые непрерывно передают текущее время и их положение на землю. Приемник GPS на земле будет следить за сигналом из нескольких спутников. Приемник рассчитывает время, необходимое для «прихода» сигнала со спутника. Приемник может триангулировать свое положение, вычисляя расстояние от каждого наблюдаемого спутника.
Несмотря на свою длинную историю, мифы и недопонимания окружают технологию GPS. В этой статье мы разоблачим 11 из них.
GPS — единственная спутниковая навигационная система
В США склонны рассматривать GPS как основную спутниковую навигационную систему. Оказывается, другие геопространственные сообщества имеют похожие системы. Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) представляет собой общую картину — это международный термин, используемый для описания полной коллекции «спутниковых группировок» по всему миру. Созвездие спутников гео-позиционирования ЕС называется GALILEO (Рисунок ниже). Две другие основные системы — BeiDou для Китая и ГЛОНАСС для России. Каждое созвездие имеет от 24 до 35 спутников на орбите. Они транслируют свои сигналы позиционирования по всему миру в нескольких разных частотных диапазонах.
Современные приемники GNSS надежны и проверены для автомобильных систем
Промышленный двухчастотный многоканальный GNSS-приемник с более чем 150 каналами обеспечит большую часть времени точность измерений. Эти системы смогут предоставлять информацию о местоположении транспортного средства в большинстве условий открытого неба (рисунок ниже).
Однако в городских джунглях, засаженные деревьями улицы, туннели и подземные переходы могут блокировать спутниковые сигналы GNSS достаточно надолго, чтобы прервать определение местоположения. Во время этих сбоев GNSS следует использовать инерциальную единицу измерения (IMU) для измерения движения и ориентации транспортного средства для оценки его положения.
Все автомобильные датчики «чувствуют» внешний мир
В отличие от камер, LiDAR, радаров и ультразвуковых датчиков, IMU представляет собой датчик, который не требует никакой информации или сигналов извне автомобиля. IMU измеряет силы ускорения (силы тяжести и движения) и угловые скорости автомобиля. В сочетании с приемником GNSS IMU может предоставить полное решение для определения местоположения, чтобы точно определить положение транспортного средства. Когда сигнал GNSS недоступен, IMU измеряет траекторию движение транспортного средства и оценивает его положение, пока приемник GNSS не сможет снова получить доступ к спутникам и пересчитать текущие координаты.
GNSS / GPS без дополнительных корректировок достаточно точна для автономных транспортных средств
Лучший двухчастотный приемник GNSS с более чем 150 каналами может отслеживать каждый спутниковый сигнал позиционирования в пределах видимой линии горизонта (рисунок ниже). Это чудо современной инженерии может обеспечить точность в пределах метра, но оно ограничено из-за собственных ошибок при восприятии сигналов из космоса. На сигналы, передаваемые из космоса, влияют неточности на спутниковой орбите, ошибки спутниковых часов и атмосферные помехи.
Кинематическая система позиционирования в реальном времени (RTK) будет использовать сигналы от соседней стационарной базовой станции для измерения этих ошибок и передачи их в автомобиль. Использование корректирующей сети RTK может обеспечить точность в 1 или 2 сантиметра!
MEMS гироскоп / акселерометр микросхема отлично работает для вычислений
Многие автомобили на дорогах сегодня имеют простые навигационные системы, которые обеспечивают базовый сервис позиционирования. К сожалению, точность и надежность этих систем не подходят для частично автоматизированных или высокоавтоматизированных автономных транспортных средств (определенных Обществом инженеров-автомобилестроителей как уровни автоматизации 3, 4 и 5).
Эти базовые навигационные системы используют менее точные одночастотные приемники GNSS, чтобы обеспечить решение для спутникового позиционирования. Многие из них также включают автономный гироскоп / акселерометр MEMS для «точного расчета», когда сигнал GNSS недоступен, например, в туннеле или подземном переходе. Низкокачественный GNSS-приемник и склонные к дрейфу гироскопические / ускоренные микросхемы MEMS обеспечат точность позиционирования в пределах нескольких метров. В отличие от этого, для настоящих автономных транспортных средств требуется точность <10 см с очень высокой надежностью.
GNSS / GPS может работать в помещении и в гараже
GPS или GNSS-позиционирование — это спутниковая навигационная система, которая требует, чтобы антенна имела прямую связь со спутниками. Внутри зданий сигналы ослабляются и рассеиваются на крыше и стенах, что делает информацию ненадежной, неточной и в значительной степени недоступной.
IMU может оценить положение во время отключений GNSS за несколько минут
Несмотря на то, что сегодняшние прецизионные IMU очень точны и надежны, характер IMU говорит о том, что ошибки будут накапливаться со временем. IMU измеряет ускорение объекта и интегрирует один раз, чтобы получить скорость, а затем интегрирует второй раз, чтобы оценить положение. Интеграция ошибки, связанной с датчиками, создает дрейф с течением времени. Даже очень точный IMU все равно выдаст несколько метров ошибки за 60 секунд.
Много сигналов — это здорово! Чем больше сигналов, тем лучше
«Городские джунгли» — это горноподобная среда, созданная плотным скоплением высоких зданий в центре больших городов (рисунок ниже). Эффекты «городских гор» могут генерировать необычные комбинации ветра и света. Сообществу спутниковой навигации городские горы представляют особую проблему, заключающуюся в блокировании сигналов GNSS от непосредственно достигающих приемников, а также в создании отражений, которые могут создать несколько путей к одному и тому же приемнику.
Хотя вы можете подумать, что прием нескольких вариантов одного и того же сигнала улучшит качество, на самом деле это создает существенные проблемы. Сигналы с задержкой по времени могут вызвать ошибки при идентификации правильного (прямого) сигнала с правильной информацией о синхронизации.
Автономным автомобилям нужны только LiDAR, камеры и радарные датчики
В последние несколько лет споры о необходимости использования LiDAR много обсуждались в прессе. То, что не получило почти такого же охвата, — это необходимость точного позиционирования информации в автономном транспортном средстве.
Вся информация, собранная камерами, радаром и, да, LiDAR, используется для идентификации маркеров и объектов вокруг транспортного средства. Чтобы совместить всю эту информацию в контекст и помочь в обеспечении работы наземной контрольной точки, требуется решение для точного позиционирования на уровне сантиметра (рисунок ниже). Обеспечение надежной, экономичной и точной информации о позиционировании на уровне сантиметров не является тривиальной проблемой. Новые GNSS / INS (системы инерциальной навигации) должны быть разработаны для автономных транспортных средств, чтобы удовлетворить растущие потребности автомобильного рынка.
Темное время суток, снег, дождь и туман влияют на все автомобильные датчики
Камеры могут подвергаться воздействию темноты или очень яркого прямого солнечного света. LiDAR и радар могут быть подвержены воздействию дождя, снега или тумана. Однако система GNSS / INS в автомобиле в значительной степени невосприимчива к этим воздействиям. GNSS была разработана для обеспечения точности позиционирования при любых условиях окружающей среды и будет работать практически при любых погодных условиях. IMU, которые также защищены внутри кузова транспортного средства, не получают внешних сигналов и полностью невосприимчивы к погоде.
Точная GPS / GNSS не нужна, пока на рынке не появились полностью автономные автомобили с автономностью уровня 5
Разработчики современных систем помощи водителю (ADAS) быстро осознают, что даже системы уровня 3, которые обеспечивают базовые функции самостоятельного вождения в определенных условиях (например, на автомагистралях), требуют точности GNSS на уровне сантиметров. Внешние датчики (камера, LiDAR, радар) имеют решающее значение, но ни один из них не может помочь в определенных условиях, таких как левые повороты на перекрестках. Во время левого поворота вид на предполагаемую полосу движения может быть заблокирован автомобилями и другими объектами. Ни один из этих датчиков не может видеть «сквозь» большой грузовик. Транспортное средство должно иметь точную информацию о местоположении, чтобы знать, где оно находится и по какому пути следовать через перекресток до тех пор, пока у него не будет четкой линии видимости дороги, на которую автомобиль поворачивает. Точное решение GNSS позиционирования является обязательным требованием!
Инерциальная навигационная система отвечает на вызовы, требующие новых приложений, таких как автономные транспортные средства, робототехника и беспилотники, для предоставления точных решений позиционирования, которые являются точными, экономичными и работают в неблагоприятных условиях. GNSS и инерциальная навигация стремительно развиваются в оборудовании, программном обеспечении и услугах коррекции, чтобы обеспечить производительность, необходимую для стимулирования следующей волны автономности.
Оставьте комментарий