自动化，全球卫星导航的新想象

微言创新 · 公众号 · · 2019-03-31 20:00

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编者按

自动化技术的发展，极大地提高了劳动生产率，增强了人类认识世界、改造世界的能力。而在自动化进一步发展到自主化的过程中，GNSS将成为该领域的重要组成部分，以满足自主化领域鲁棒性和高精密度的要求。

多年以来，自动化领域所取得的进步助力人类生活质的飞跃，帮助人类执行困难、危险或乏味的工作。自动化不仅会在既定环境执行简单的任务，还会在变幻不定的环境中执行日益复杂的任务，包括涉及“生命安全”的应用，如对无人驾驶船只、车辆或飞行器的自动化操作。自动控制器需要获取各种传感器的系统状态、输出信息，以便向致动器发出指令，以使系统运行到计划状态。GNSS将会成为自动化领域的重要传感设备，在日益复杂的传感器及处理领域的使用数量将越来越宏大。

一、交通领域自动化中的GNSS

1、道路交通自动化

自动化级别（0-5）作为描述车辆自主级别的指南，涵盖了单一自动化及全自动化车辆。4级以无人为干涉驾驶为特征，可能在下一个十年的早期及中期实现。5级则实现完全自动驾驶，可以随时随地处理所有道路情况，没有操作设计领域的限制。这将通过高频率数据更新、大量可用于交换的数据以及先进的数据处理计算机来实现。该级别的车辆有望在2030年前后实现。

如今正在进行开发的大量技术正在让车辆实现自动化。其中包括采用了车辆到车辆（Vehicle to Vehicle, V2V）及车辆到外界（Vehicle to Everything, V2X）的通讯技术的协作型智能交通系统（C-ITS）。GNSS可在确保精准定位和速度数据及所有V2V信息必要的精准时间戳记方面发挥关键作用。由于地面环境很难预测，要实现全面自主极具挑战性，需要利用诸如即时定位及地图构建（Simultaneous Localisation and Mapping, SLAM）技术，以便让车辆获得其所在环境的详细信息，并确定其与环境特征相关的位置。为达到这一目的，需要将GNSS定位信息与激光雷达、雷达、超声波或摄相机提供的信息相结合。

汽车行业正向更高水平的安全性、可预测性及自主性快速发展，新的要求亟待满足。这样一来，精准授时信息的可用性、行程方向、速度及精准定位正成为新的要求。

2、海洋交通自动化

在与PNT相关应用中主要用于港口以及船只上的自动驾驶仪和动态定位系统。越来越多无人驾驶的远程操纵、自动化水面及水下船舰在使用诸如水道测量、搜寻和救援以及海洋资源勘探等应用，成功运行的关键是精准且自动化的导航，而GNSS是整个导航系统的核心。

不将信息源寄托在单一信息源上，是保证电子导航稳定可靠的核心理念。该理念适用于各种船只，其重要性也随着全自动化船只的出现而更加明显。自动化操作需要定位系统具备高精度及高完好性，从而确保提供可靠的PNT。随着自动化水平的提高，出现了有人操纵船只上不常见的激光雷达、相机等新传感器。

3、航空交通自动化

从遥控无人机到自主飞行机器人。专业的无人机应用已提出了精准且可靠的跟踪要求，但升级到自动化应用后，会超出人类视线飞行，对GNSS的稳定性和可靠性需求就上升了。有些无人机操作已实现了自动化，但飞行的端对端安全依然需要操作员介入——即使是在“视线外”操作。为充分利用无人机服务所带来的经济效益及社会效益，需通过合适的无人驾驶交通管制或UAS交通管制系统将无人机安全整合到各种空域。

迪拜无人驾驶舱将实现“飞行出租车”。迪拜道路及交通局正在对创新型无人驾驶舱进行测试。这些驾驶舱由大量自主“舱”组成，可在5秒内合拢和分开，具体取决于乘客的目的地。它们不仅可为用户提供急需的门到门交通，乘客还可以在旅行期间提出对服务模块（酒吧、商店、洗手间、酒店等）的需求，这些模块会在移动中到达并加入乘客模块，无需停车。未来目标是实现2017年在迪拜展示的“飞行出租车”。

二、其他领域自动化中GNSS

1、自主运载工具整合

自主机械的整合可为有些应用提供明显的优势。例如，精准农业中无人机与自主拖拉机的整合可以降低拖拉机对农作物造成的潜在损害。同时扩展无人机的传感及应用领域，并消除其在飞行时间及荷载能力方面的限制。

由于应用会涉及两台同时运行的运载工具，任何定位延迟或未校正误差都生死攸关。应对这个问题的方法通常涉及通过GNSS来遵循GIS路线规划的地面车辆或两台运载工具之间的通讯链路。当空中运载工具需要返回到地面车辆时，GNSS可为其提供大致方位，并采用简单便宜的控制器通过计算机视觉来操纵控制回路。

2、电网自动化

电网可从自动化中大大受益。自动化在这些应用中的一些示例包括远程故障指示器、智能中继、自动化馈路开关、自动化电容器、自动化稳压器、变压器监控器及自动化馈路监控器。随着对现有基础设施要求的提高，GNSS可用于获取微秒级授时信息、同步采样及数据时间标记。这些应用可确保电网中继传输电力时不跳闸。例如，Tesla 利用该技术在澳大利亚实现了100 MW电池安装。因此， GNSS关乎电网的高性能同步，特别是可提供授时服务来满足高精度即时测定、事件同步以及使用认证及认证时间方面的需求。

3、农业自动化

随着地球人口数量的指数性增长，农业/食物生产需要采用自动化。目前在这方面的需求是农作物的保护与生产。自主运载工具目前广泛应用于大面积耕作。先进耕作系统（Advanced Farming System, AFS）硬件可进行精度在可接受水平的指引校正，并提供诸如机器位置、诊断及燃油和发动机状态等方面的数据。无人机是用以从空中及3D检查模型以1毫米的分辨率获取地理图像的一种新的高精度方法。结合新的MEMS传感器、小型GNSS接收机、功率强大的处理器及大量数字无线电，无人机可以成为一名完美的自动化/自主化工人。

4、海底探测自动化

70%的地球表面被水覆盖，但目前其中被探测过的仅有20%。当搜寻人员想要找到失踪的MH370飞机时，他们发现了两个水下火山，其中一个比维苏威火山还要大。这也凸显了海底探测的重要性。为快速提升海底测绘，大洋水深制图委员会联同日本基金会发起了海底2030项目，旨在在2030年前帮助全面完成全球海底的测绘。同时，为期三年的Shell Ocean Discovery XPRIZE竞赛项目也同步发起。该项目旨在促进海洋技术进步，以进行快速、无人操纵且高分辨率的海洋探测。所提议的创新型方法包括人工智能、无人机、水下机器人群、激光器以及自主的水面及水下运载工具；高精度GNSS尚未用于水下定位。

（本报告英文原版版权属于欧洲全球导航卫星系统局（GSA），特此感谢其对GNSS行业发展所做的贡献。欢迎访问其官方网站： www.gsa.europa.eu ）

（译者：蔡雪松、叶子，责任编辑：张冬梅）

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