关于人工智能:215-GPS定位导航

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GPS 是 Global Positioning System（全球定位系统）的简称，个别指美国 GPS 零碎。国内上投入运行且具备寰球定位能力的零碎还有俄罗斯的格罗纳斯（GLONASS）和中国的北斗卫星导航定位系统，正在建设中的有欧盟伽利略（GALILEO）定位系统，这些全球卫星定位系统在零碎组成和定位原理方面基本一致，能够统称为卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS)。

GPS 导航系统具备全天候服务能力，不受天气影响，寰球笼罩，定位速度快，精度高，利用宽泛，已造成了宏大的空间导航定位产业链。

20 世纪 60 年代末，美国开始着手研制卫星导航系统，次要目标是为陆海空三大畛域提供实时、全天候和全球性的导航服务，美国海军提出了 Timation 打算。该打算采纳 12-18 颗卫星组成寰球定位网，通过 20 余年的钻研试验，到 1994 年，建成了寰球覆盖率高达 98% 的 24 颗 GPS 卫星定位网络，这就是导航卫星授时与测距全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System, NAVSTART GPS），简称全球定位系统（GPS)。

该工程是阿波罗登月工程和航天飞机打算之后的第三大空间打算，从最后的军事目标，到古代人类生存的方方面面，人类都已离不开基于 GPS 零碎的定位与导航服务。俄罗斯、欧盟、中国、日本及印度也先后着手建设了自主的寰球或区域型卫星导航系统。

如上图 2，从三个已知点对同一指标进行察看并测量间隔，别离以已知点为圆心，以所测间隔为半径做三个圆，可得三个圆在立体上的惟一交点，这种定位办法称为三角测量法。GPS 就是在已知卫星某一时刻的地位和速度的根底上，以卫星为空间基准点，通过接管设施，测定所测点至卫星的间隔来确定所测点某一时刻的空间地位的定位技术。

以 GPS 零碎为例，一个典型的卫星定位系统分为空间局部、高空监控局部、用户承受局部。

1. 空间局部

由 24 颗 GPS 工作卫星组成，其中 3 颗为备用卫星，散布在 6 个倾角为 55°，约为 20200 公里高的轨道上绕地球运行，每颗卫星都会发射用于导航定位的信号。这种布局的目标是保障在寰球任何地点、任何时刻至多能够观测到 4 颗卫星。

2. 高空监控局部

分为主控站、监控站和注入站，次要性能是计算卫星星历和卫星钟的改过参数，监控卫星状态，进行卫星调度与参数注入工作等。

3. 用户承受局部

指所有具备 GPS 信号接管能力的终端机，能够根据所观测信号计算失去本人某时刻所处的空间三维地位，且毋庸通过授意也毋庸就承受 GPS 信号付费。

1. 卫星导航系统的定位精度次要由两方面因素决定：

(1) 地位精度衰减因子（PDOP）

次要取决于星座的笼罩个性，一般来说，用户可观测到的卫星数越多，与用户的几何构型越好，PDOP 值就更优。目前，世界四大全球卫星导航系统，PDOP 寰球均值个别为 2 左右。

(2) 用户等效测距误差（UERE）

该误差是由空间段卫星轨道钟差、传输环境段的电离层和对流层误差、用户段接收机噪声和多径误差等三局部误差项独特组成。目前，四大零碎 UERE 个别为 2.0 米（95%）左右，PDOP 与 UERE 两者的乘积即为零碎定位精度。

2. 实时动静载波相位差分技术。RTK（Real – time kinematic，实时动静）

如上图 3，在高空上建基站（Base Station），基站能够失去准确地位信息（经纬度），并且具备接管卫星信号的性能。当基站的 GPS 接收机与车载 GPS 接收机相距较近时（<30km），能够认为两者的 GPS 信号通过的是同一片大气区域，即两者的信号误差基本一致。依据基站的准确地位和信号流传的工夫，反推此时天气起因导致的信号流传误差，之后利用该误差修改车载的 GPS 信号，即可升高云层、天气等对信号传输的影响。应用差分 GPS 技术，能够使无人车的定位精度从 10 米级别晋升至米级。

3. 遮挡、反射等问题仍然难以解决

(1) 信号失落

GPS 接收机在高楼四周，很容易失去某一方向、所有的卫星信号，仅依附另外三面的卫星信号求得的定位后果，在精度上很难满足无人驾驶的需要。

(2) 多路径问题

在高楼四周也可能导致本来收不到的卫星信号，通过大楼楼体的镜面反射被接管到，这种信号被称为多路径信号（Multi-Path Signal）。从图中能够看出，依据多路径信号计算失去的间隔会显著大于理论间隔。而无人车是很难判断，以后接管到的信号是单门路还是多路径的。

4. GPS 定位频率不高

GPS 定位的频率只有 10Hz，以速度为 72km/h（20m/s）为例，GPS 定位的周期为 100ms，则一个周期后，汽车绝对于前一次定位的后果挪动了 20m/s * 0.1s = 2m，即两次的定位后果相距 2 米。为了解决 GPS 频率太低所带来的问题，工程师引入了其余传感器信号（IMU、激光、视觉）用以进步无人车的定位频率。

全球定位系统因为其使用方便，定位效率高，利用宽泛，从性能类别角度来看，导航利用的典型利用如，军事、物流、交通、户外探险；测量定位的典型利用如，基础设施建设、防灾减灾、地球科学研究；授时服务的典型利用如，为电信基站、电视发射站、工业设施等提供准确同步时钟源等。

全球定位系统体现了近十年跨畛域关键技术的发展趋势，已成为当代重大跨畛域技术倒退的基本要素。作为一个具备老本效益和寰球可用的地位和工夫信息源，全球定位系统对于技术和利用多元化的疾速倒退起了很大作用，这反过来又产生了大量的利用实例，值得关注的跨畛域技术包含物联网、大数据、挪动医疗、加强事实、智慧城市、多式联运物流。

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