Нельзя отрицать, что общество движется к автономному будущему. От роботов-доставщиков до дронов, беспилотных автомобилей и всего, что между ними, технологическая индустрия сосредоточена на разработке решений, которые делают нашу жизнь проще и удобнее.
Навигация играет огромную роль в этом развитии, поскольку большинство автономных продуктов предполагают перемещение человека или объекта из одного места в другое без каких-либо человеческих усилий. Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) используют созвездие спутников и приемников для установления данных о географическом местоположении , которые могут генерировать позиционирование, которое является либо абсолютным , либо относительным .
В этой статье мы рассмотрим дебаты по поводу абсолютного позиционирования GNSS и относительной навигации GNSS, спорную тему в технологическом сообществе. Хотя никто не сомневается в важности оснащения роботов, дронов или беспилотных транспортных средств навигационными возможностями, существуют две разные школы мысли о том, как именно это сделать.
В целом, сегодняшние разработчики автономных технологий склонны отдавать предпочтение либо абсолютному, либо относительному позиционированию и испытывают по этому поводу ОЧЕНЬ сильные чувства.
Абсолютная и относительная навигация
Прежде чем приступить к обсуждению, давайте дадим определение этим двум типам навигации и узнаем, как они генерируют данные о местоположении.
Абсолютная навигация
Абсолютная навигация — это метод определения вашего местонахождения и направления с использованием точных геопространственных координат. По сути, каждый объект имеет географическое местоположение на поверхности Земли, и эти координаты местоположения используются для навигации между различными местами и объектами.
Доступная глобальная точность без лишних хлопот.
Получайте точное позиционирование до сантиметра на любом двухдиапазонном устройстве GNSS с молниеносным временем сходимости в нашей сети поправок RTK.
Картографические приложения для потребителей являются примером абсолютной навигации: если ввести два адреса, будет рассчитан конкретный маршрут на основе географических координат этих мест и расположения дорожных сетей, соединяющих их.
Абсолютное позиционирование GNSS
GNSS обеспечивает абсолютное позиционирование, используя сигналы, передаваемые со спутников, вращающихся вокруг Земли, для определения точных координат объекта.
Получая несколько сигналов одновременно, приемник GNSS может трилатерировать свое положение, вычисляя расстояние от каждого спутника на основе времени прохождения сигнала. Эти расчеты позволяют приемнику определять свое абсолютное положение с точки зрения широты, долготы и высоты, предоставляя точную информацию о местоположении независимо от начальной точки отсчета приемника или его стартовой позиции.
Относительная навигация
Относительная навигация подразумевает использование восприятия непосредственного окружения для перемещения из одного места в другое и обычно лучше всего подходит для избегания препятствий. Именно так люди ориентируются в мире; например, если вы ходите по дому в темноте, вы будете полагаться на собственные знания о том, где находится мебель, а также на все, что вы можете видеть или чувствовать вокруг себя.
Относительное позиционирование GNSS
GNSS обеспечивает относительное позиционирование путем сравнения положений нескольких приемников друг относительно друга, а не путем определения абсолютных положений относительно поверхности Земли.
Два распространенных метода вычисления относительного позиционирования — Real-Time-Kinematic (RTK) и Differential GPS (DGPS), оба из которых используют два приемника (один фиксированный и один мобильный). Существует ряд систем RTK , которые произвели революцию в сельском хозяйстве, логистике поставок, строительстве, дроновой геодезии и картографии и многом другом.
Фундаментальная структура сосредоточена вокруг базовой станции - приемника с известным, фиксированным положением - который непрерывно получает сигналы от спутников GNSS. Между тем, марсоход одновременно получает сигналы от тех же спутников и сравнивает их с поправками, полученными от базовой станции в реальном времени.
Применяя эти поправки к измерениям ровера, RTK достигает сантиметровой точности относительного позиционирования базовой станции и ровера.
Дискуссия об абсолютной и относительной навигации
У каждого из этих методов навигации есть свои преимущества и ограничения, что делает их более или менее идеальными для некоторых приложений, чем для других . Для ситуаций, требующих точных координат точки на поверхности Земли, независимо от внешних опорных точек, лучше подойдут методы абсолютного позиционирования GNSS. Однако в других приложениях относительное позиционирование предоставит больше полезных данных.
Когда речь идет о разработке автономных навигационных систем, мы твердо убеждены, что единственный способ минимизировать риск и максимально повысить точность — это объединить лучшие возможности абсолютного и относительного позиционирования.
Если вы знакомы с этой сферой, у вас, вероятно, уже есть мнение по поводу спора относительной и абсолютной навигации. Чтобы показать вам, почему одного метода недостаточно, мы разберем, как может выглядеть автономное решение в каждом из этих трех сценариев: на основе абсолютного местоположения, на основе относительного положения и на основе правильной комбинации этих двух.
Аргументы в пользу абсолютного позиционирования
Давайте начнем с абсолютного позиционирования. Теоретически это идеальное решение. Компьютеры обладают идеальной памятью, то есть они могут хранить и извлекать географические координаты любого человека, места или объекта. Эти координаты гипотетически могут быть записаны для всего в мире, создавая абсолютную систему отсчета для всех возможных пунктов назначения и препятствий.
Люди никогда не смогут запомнить точные координаты всего в мире, не говоря уже о том, чтобы вычислить точные градусы и направления движения, необходимые для навигации среди них. Сторонники абсолютного позиционирования GNSS говорят, что мы должны воспользоваться этой дихотомией и позволить компьютерам делать то, что люди не могут.
Но разве что-то вообще идеально? Нет. Геопространственные данные невероятно сложно поддерживать в актуальном состоянии в нашем динамично меняющемся мире, поэтому в любой момент времени не существует абсолютной системы отсчета.
Конечно, существуют наборы данных, которые близки к новейшим технологиям позиционирования GNSS (включая такие технологии, как навигационное счисление и NTRIP ), но они неравномерно распределены по всему миру.
Правда в том, что навигация и позиционирование все еще требуют некоторого уровня нюансов. Возьмем, к примеру, беспилотный автомобиль, едущий по дороге. Несмотря на то, что он оснащен данными о местоположении, представляющими линии на дороге, велосипедную дорожку рядом с ней и деревья сразу за обочиной, у него нет координат транспортного средства, которое только что резко остановилось в пяти ярдах впереди. В этом случае человек или система, обнаружившие остановившуюся машину, смогут лучше избежать столкновения.
Аргументы в пользу относительной навигации
Итак, если восприятие и рассуждение превосходят абсолютную навигацию, то не следует ли нам разрабатывать только автономные решения, использующие относительное местоположение?
Не обязательно. Хотя компьютеры обладают идеальной памятью, они все еще не обладают уровнем точности в интерпретации окружающей среды, как люди. Компьютеры могут превзойти людей во многих вещах, но контекстная интерпретация не входит в их число (пока).
Есть несколько причин, по которым компьютеры не могут декодировать реальный физический мир с той же надежностью, что и люди. Наш мир не только невероятно быстро меняется, но и человеческое восприятие также сильно локализовано на основе различной географии разных мест. Погода — еще один яркий пример динамических условий, требующих суждения на основе восприятия.
Компьютер не может предвидеть и планировать все возможные сценарии реального мира, поэтому точное местоположение само по себе не может дать все ответы. При этом неточности сигнала и другие источники ошибок присущи относительной навигации GNSS и должны устраняться с помощью усовершенствованных методов коррекции . Более того, когда дело доходит до ситуаций, в которых отсутствуют известные опорные точки для контекстуализации, относительная навигация имеет некоторые существенные ограничения.
Давайте снова представим AV. Относительная навигационная система автомобиля использует двойную желтую линию, чтобы определить, как оставаться на своей полосе, но затем накатывает сильный туман, который полностью скрывает любую дорожную разметку.
Без точных географических координат, отображающих двойную желтую линию, транспортное средство не имеет возможности определить свое местоположение или оставаться на соответствующей полосе.
Реальность: для автономных решений позиционирования нам нужны как абсолютная, так и относительная навигация.
Все это означает, что в великом споре по поводу решений относительного и абсолютного позиционирования никто не прав на 100% — или неправ. У каждого метода есть определенные преимущества и ограничения, и один из них может быть достаточным в зависимости от вашего варианта использования.
Однако, высокие ставки в природе автономной навигации означают, что мы не можем просто принять недостатки одного решения, не пытаясь смягчить их другим. Вот почему мы утверждаем, что будущее автономной навигации заключается в использовании как абсолютного, так и относительного позиционирования GNSS.
Реальность такова, что автономность не является бинарным понятием, а безопасность — это градиент. Все в разработке автономных технологий следует рассматривать с точки зрения допустимого риска.
Избыточные навигационные системы позволяют нам снизить риск в сценариях, которые было бы слишком опасно продолжать, используя только одну систему. Хитрость заключается в оптимизации как абсолютного, так и относительного позиционирования, чтобы создать максимально безопасную и максимально автономную систему.
Нам необходимо ввести человеческие или компьютерные контрмеры для ситуаций, когда одна навигационная система выходит из строя. Вероятностные условия абсолютной и относительной навигации GNSS помогают каждой системе принимать критические решения, но их объединенная совместная вероятность всегда будет выше, чем у любого метода в отдельности.
Другими словами, беспилотные летательные аппараты, роботы, дроны и другие технологии, использующие автономную навигацию, должны использовать лучшее из каждого метода, оптимизируя его для обеспечения безопасности, точности и максимально возможной степени автономности.
Объединение абсолютной и относительной навигации в технологии GNSS
В этот момент вы, вероятно, думаете, что все это звучит великолепно в теории, но на практике почти невозможно. Настройка и обслуживание даже одной навигационной системы требует больших ресурсов, не говоря уже о двух.
Однако новые инновации в технологии ГНСС меняют правила игры для разработчиков автономной навигации, делая использование преимуществ как абсолютной, так и относительной навигации не только возможным, но и предпочтительным.
Беспилотные автомобили и другие автономные технологии почти всегда уже оснащены базовым оборудованием, необходимым для работы резервных навигационных систем.
Датчики GNSS идеально подходят для обеспечения абсолютной навигации и расчета точного позиционирования на основе существующей системы отсчета координат местоположения; камеры служат датчиками относительной навигации, используя визуальный одометрический конвейер для восприятия окружающей обстановки и влияния на движение.
Когда эти системы работают одновременно, их сигналы можно анализировать на предмет любых несоответствий, а автономно навигационный объект может использовать логику для определения того, на что следует полагаться в конкретном сценарии. Данные, собранные с помощью относительного позиционирования, можно даже затем использовать для информирования абсолютной системы отсчета, непрерывно улучшая общую навигационную систему и поддерживая ее в актуальном состоянии с учетом изменений в реальном мире.
Используя наш предыдущий пример, когда AV сталкивается с резко останавливающимся автомобилем и туманными условиями, давайте посмотрим, как избыточные абсолютные и относительные системы могут работать вместе для оптимальной автономной навигации. Когда автомобиль в пяти ярдах впереди неожиданно останавливается, относительные датчики могут пересилить абсолютную навигационную систему, чтобы сообщить AV также остановиться.
Когда автомобиль попадает в туманную зону, которая препятствует работе относительной навигационной системы, система отсчета абсолютной системы может взять на себя управление, чтобы гарантировать, что автомобиль останется в пределах известных полос.
Вы можете думать о всех способах, которыми эти системы могут противоречить друг другу. Что, если автомобиль резко останавливается в тумане, заслоняя относительные навигационные датчики, но все еще не представлен в абсолютной системе отсчета?
Это справедливое замечание – как мы уже говорили ранее, ничто не идеально. Но объединенная вероятность абсолютных и относительных навигационных систем всегда будет более устойчивой, чем любая из систем, работающих идеально по отдельности.
Так почему же это не статус-кво в автономной навигации? Ну, так и должно быть, но многие разработчики испытывают трудности с поиском подходящей технологии для питания избыточных навигационных систем.
Несмотря на то, что сегодня существует широкий спектр надежных решений относительной навигации с открытым исходным кодом, создание универсальной системы отсчета для абсолютного позиционирования остается сложной задачей.
Самое точное позиционирование GNSS с абсолютной и относительной навигацией
Недавно мы объединили эту технологию с решениями относительной навигации с открытым исходным кодом, чтобы показать, насколько легко ссылаться на данные LiDAR как на глобальном, так и на локальном уровне (спойлер: на это ушло всего полдня).
Подробнее об абсолютном и относительном позиционировании GNSS
Давайте ответим на несколько главных вопросов о позиционировании отпущения грехов и относительном позиционировании.
Что такое концепция позиционирования GNSS?
Глобальные навигационные спутниковые системы определяют точное географическое местоположение приемника на поверхности Земли или вблизи нее, используя сигналы, передаваемые со спутников в космосе. Эта технология обеспечивает широкий спектр приложений, включая навигацию, картографирование, геодезию и синхронизацию времени, предоставляя точную информацию о местоположении пользователям по всему миру.
Может ли GPS измерить абсолютное местоположение?
Да, GPS измеряет абсолютное местоположение, принимая сигналы от нескольких спутников в космосе и используя методы трилатерации для расчета местоположения приемника на основе времени, необходимого сигналам для прохождения от спутников до приемника.
В чем разница между позиционированием GPS и GNSS?
GPS — это особая система в рамках более крупного зонтика GNSS, который охватывает несколько спутниковых навигационных систем, эксплуатируемых разными странами и организациями. Позиционирование GNSS использует сигналы от нескольких систем для определения точных координат местоположения, в то время как GPS конкретно относится к системе, разработанной и эксплуатируемой Соединенными Штатами.
Что такое абсолютное и дифференциальное позиционирование в GPS?
Абсолютное позиционирование в GPS определяет точное местоположение приемника независимо - то есть, без ссылки на другую точку или базовую линию - в то время как дифференциальное позиционирование сравнивает измерения между ровером и известной базовой станцией. Дифференциальное позиционирование может значительно повысить точность позиционирования GPS.
В чем разница между относительным позиционированием и дифференциальным GPS?
Относительное позиционирование и дифференциальный GPS (DGPS) — оба метода, используемые для повышения точности позиционирования GPS. Относительное позиционирование сравнивает измерения двух или более приемников GPS для вычисления относительных расстояний или положений, в то время как DGPS корректирует измерения GPS, используя данные с известной опорной станции.
Каковы режимы позиционирования GNSS?
Режимы позиционирования GNSS (глобальные навигационные спутниковые системы) относятся к различным методам, используемым для определения положения приемника на поверхности Земли или вблизи нее. Четыре основных режима позиционирования — это автономный, дифференциальный, кинематический в реальном времени и точное позиционирование точки.
В чем разница между относительным и абсолютным положением?
Относительное положение измеряется по отношению к другому объекту или точке, тогда как абсолютное положение измеряется в соответствии с системой координат, обеспечивающей уникальное местоположение независимо от других объектов.
0 комментариев