自动驾驶汽车需要始终准确了解自身在道路上的位置。据外媒报道，一项来自挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology，简称NTNU）的新发明或将彻底变革无人驾驶汽车的发展，并为手机和健身手表提供更精准的GPS定位。Ardeshir Mohamadi是NTNU的博士生，正在研究如何让价格实惠的GPS接收器（例如手机或健身手表中的接收器）更加精准，而无需使用昂贵的附加服务。对于设计为无人驾驶的汽车（即所谓的自动驾驶汽车）而言，拥有精准的GPS定位尤为重要。

图片来源：挪威科技大学

城市峡谷

Mohamadi和在NTNU的同事们开发了一种新系统，帮助自动驾驶汽车在城市中安全导航。其相关研究论文发表在期刊《空间科学杂志（Journal of Spatial Science）》上。

Mohamadi说道：“在城市中，玻璃和混凝土会使卫星信号来回反射。高楼大厦遮挡视线，在开阔高速公路上能完美运行的导航系统，进入建筑密集区后效果会大打折扣。”

问题在于，信号在建筑物之间发生反射，到达接收器所需的时间更长。因此，与卫星之间的距离计算会出现误差，定位也会变得不准确。这类复杂的城市环境通常被称为“城市峡谷”。感觉就像身处深谷底部。到达你或自动驾驶汽车的GPS信号，在进入深谷的过程中可能已经反射多次。

Mohamadi解释道：“对于自动驾驶汽车来说，这决定了它究竟是自信、安全驾驶，还是犹豫不决、不可靠。正因如此，我们开发了SmartNav定位技术，这是一种专为‘城市峡谷’设计的定位技术。”

精确到厘米

卫星信号不仅在高层建筑之间受到干扰，而且即使正确信号也精度不足。为了解决这个问题，研究人员结合了多种不同的技术来校正信号，最终开发出一个可以集成到自动驾驶汽车导航系统中的计算机程序。

为此，研究人员借助了谷歌的一项新服务。但在进一步探讨之前，了解一下GPS的工作原理可能会有所帮助：GPS（全球定位系统）由许多绕地球运行的小型卫星组成。这些卫星通过无线电波发出信号，并由GPS接收器接收。当接收器接收到来自至少四颗卫星的信号时，就能计算出自身位置。信号由一条带有代码的消息组成，该代码指示卫星的位置以及信号发送的确切时间，就像来自卫星的短信一样。

用波代替代码

当信号在城市建筑物之间反射时，这种代码经常会出错。因此，NTNU的研究人员研究的第一个解决方案是完全放弃代码，转而使用无线电波的信息。当波到达接收器时，波是向上传播还是向下传播？这被称为波的载波相位。Mohamadi说道：“仅使用载波相位虽能实现极高精度，但耗时较长，这在接收器移动时不太实用。”

问题在于，研究人员必须保持静止，直到计算结果足够准确——不仅仅是一微秒，而是几分钟。然而，还有其他方法可以改善GPS信号。用户可以使用一种名为RTK（实时动态定位）的服务，该服务利用基站来校正信号。只要用户位于其中一个基站附近，RTK就能正常工作。然而，这种解决方案价格昂贵，主要面向专业用户。另一种方法是PPP-RTK（精密单点定位-实时动态定位）技术，它将精确校正与卫星信号相结合。欧洲伽利略系统目前通过免费广播其校正数据来支持这一技术。此外，还有更多帮助可供选择。

纯相位定位（载波相位定位）

卫星发射的信号由码和载波组成。码信号通常用于计算与卫星的距离。在城市中，码信号常因建筑物反射（即多径效应）受到干扰，从而产生较大的误差。载波是信号中更加稳定和精确的部分。它以稳定的模式（0-360°）振荡。纯相位定位的工作原理是忽略码信号，仅使用载波来计算位置。当接收器知道接收波的相位时，它可以非常精确地确定与卫星的距离。然而，必须计算出已经经过了多少个完整的波长。这可以通过先进的信号处理技术和统计方法来解决。

谷歌与“走错路”问题

当特隆赫姆（Trondheim，挪威城市）的研究人员致力于寻找更好的解决方案时，谷歌为其安卓用户推出了一项新服务。想象一下自己正在计划去伦敦度假。在平板电脑上打开谷歌地图，输入酒店地址，就能立即放大街道环境，查看酒店的外观和周围建筑的高度。谷歌目前在全球近4000个城市拥有此类建筑的3D模型。该公司正在利用这些模型来预测卫星信号在建筑物之间的反射情况。这样一来，他们就能解决在使用地图应用时，例如在试图返回酒店时，出现走错路的情况。Mohamadi解释道：“他们结合了来自传感器、Wi-Fi、移动网络和3D建筑模型的数据，生成平滑的定位估计结果，可抵御反射导致的误差影响。”

值得信赖的精度

研究人员现在能够将所有这些不同的校正系统与他们自行开发的算法相结合。他们在特隆赫姆的街道上进行了测试，90%的测试结果都达到了10厘米以内的精度。据研究人员称，这提供了在城市中值得信赖的精度。PPP-RTK的使用也将使这项技术面向大众，因为它是一项相对经济实惠的服务。Mohamadi总结道：“PPP-RTK减少了对密集本地基站网络和昂贵订阅费用的需求，从而能以低成本在大众市场的接收器上大规模应用。”

GPS信号如何校正？

不仅仅是建筑物之间的反射会导致GPS定位误差，信号误差可能出现在卫星、下降过程中的大气以及接收器上。有几种方法可以校正此类误差。

RTK（实时动态定位）：RTK定位是一种使用GPS或其他卫星导航系统实时确定精确位置的方法。RTK定位是一种高精度定位方法，广泛应用于测量、建筑、农业和土地管理等诸多领域。RTK定位需要两个设备：基站和移动单元。基站位于固定位置并收集卫星数据。然后将这些数据发送到移动单元，移动单元结合其GPS接收器使用这些数据实时确定其精确位置。

PPP（精密单点定位）：一种允许单个接收机实现极高精度（精确到分米或厘米级）的方法。与RTK不同，PPP不需要附近的基站。PPP使用卫星的全球校正数据。这些数据由全球参考站网络计算得出。借助这些校正数据，接收机无论身处世界何处，都能计算出非常精确的位置。然而，PPP通常需要较长的启动时间（收敛时间），最多需要20-30分钟才能达到厘米级精度。

PPP-RTK：将PPP的全球覆盖范围与RTK的快速收敛和高精度相结合。PPP-RTK同时使用全球校正（PPP）和来自参考站的区域实时数据。