导航系统迎来进化？集成先进技术导引，打造更智能的驾驶导航体验

文/甲瑞说

编辑/甲瑞说

前言

导航系统的功能在于为用户规划从一个地点到另一个地点的最佳路径，主要借助全球定位系统和卫星无线电导航系统等外部技术手段。GPS具备高度精准性、全球覆盖、可靠稳定以及自我校准等诸多优点，然而它的适用范围局限于户外环境。

为了改善导航系统的整体表现，常常会将来自不同来源的数据进行综合，这一做法在各个领域被广泛采纳。地理信息系统已经与GPS融合，能够为特定位置提供可视化展示并支持实际实施。物联网作为一个新兴领域，涉及嵌入式传感器与互联网的连接，它进一步增强了现有导航系统的能力，使其得以更加全面地发展与扩展。

全球定位系统的局限性

目前全球定位系统存在一些缺点，由于其微弱的信号强度，GPS在需要稳定导航的情况、室内以及覆盖区域航行时并不太适用。信号精度的低下导致在拥挤的城市等地标距离较近的情况下，GPS难以区分它们，因此无法有效进行导航。

此外，摩天大楼、树木、地磁风暴等干扰会影响GPS信号的分散和方向改变，使得GPS信号不可靠。这种不可靠性的影响十分巨大，尤其是随着谷歌地图、Waze等导航应用的广泛使用，这些应用严重依赖GPS信号。

这种影响可能导致更多的交通事故，因为在关键时刻缺乏必要的信息，对于驾驶的持续进行至关重要。GPS信号并不能涵盖所有导航情境，因此需要结合当地的及时知识，以提供最新和准确的信息。这有助于在前方道路出现障碍时能够立即做出适当的反应，比如判断是否有可能出现深坑、积水或道路封闭等情况。

为了减少对GPS的依赖，人们提出了几种方法和技术，比如使用详细的地图信息、传感器数据、基于视觉的测量、停止线和将GPS与SLAM技术进行融合。

GPS与GIS集成

地理信息系统（GIS）是一个系统，旨在捕获、存储、操作、分析、管理和呈现各类地理数据。很多电子导航系统仅通过口头命令展示相关电子地图的参考，传递导航指引。这方法假设用户熟悉街道地图和道路网络，但有时并非如此。

此外，有些地方不常用街道地图，转而使用地标进行直观导航，允许辨识和记忆的视图指引。引入建筑物等地标，并配以语音指令，是迈向更自然导航的一步。全球定位系统和地理信息系统的融合提供了这能力。

主要问题在于寻找合适的地标，评估其对导航指示的实用性。现有数据库可助解决此问题，也是多数导航应用的一部分。例如，Brondeel等人利用GPS、GIS和加速度计数据采集出行数据，提出高准确性的交通方式预测模型。

研究人员开发物流配送经理（LDM）软件和智能机器（SM）系统，融合GPS、GIS、大数据、互联网等技术，构建强大物流信息管理系统。由此带来的物流设施，缩短了配送时间，增强运营竞争力，优化物流效率，节约成本。这些示例展示了通过整合GPS、GIS、物联网、移动电话等技术，我们可以期待的改进水平。

GPS和手机一体化

利用手机内置的GPS定位功能，可以采用多种不同的方法来生成位置信息，但这也导致了性能的差异，因为其表现会有很大的变化。这种性能差异取决于智能手机的硬件特性、所处的蜂窝网络质量、GPS卫星的可用情况，以及这些卫星信号与手机的连通性。

从打开智能手机到最终获取到GPS坐标所需的时间可能会相对较长。为了加快这个过程，采用了各种不同的技术手段。有些手机的GPS硬件并不完备，它们需要依赖手机网络的支持才能正常工作。而设备的GPS天线质量则会直接影响定位的稳定性和持续时间。以S3 Mini设备为例，它具备相对优质的GPS硬件，还支持GLONASS和A-GPS等定位辅助技术。

城市车辆导航

城市峡谷、天空堵塞以及多径误差，这些因素都会对GNSS/GPS的质量和精度造成影响。在现代城市中，公共交通系统可能包含数百条线路和数千个公共汽车站、换乘点以及公共汽车。这两个因素使得城市公交系统的跟踪变得十分困难，导航也变得异常复杂。

为了解决这些问题，移动应用程序为乘客提供了交通规划工具，能够寻找最佳路线、下一班公交车的编号、预计到达时间以及乘车所需时间。更高级的应用程序甚至提供了基于微导航的决策支持，比如当前位置和公交车的编号、距离下一站还有多少站、是否应该换乘至更优的路线等。

微导航的决策是高度依赖上下文的，不仅考虑时间和位置，还考虑用户当前的交通状态，即是在等车还是已经乘车。新兴技术的准确性和稳定性对于确保安全导航和稳定控制至关重要。采用差分GNSS（DGNSS）、增强型GNSS以及精确定位服务（PPS）等多种技术可以显著提升全球导航卫星系统的精度，然而这些技术也带来了额外的复杂性和成本负担。

此外，多星座全球导航卫星系统通过增加可见卫星的数量，进一步提升了导航的准确性。但在高楼林立的密集城市地区，由于可见卫星的几何分布，车辆GNSS位置的估计存在较高的不确定性，因此在这样的城市环境中，导航性能依然面临挑战。

使用嵌入式Wi-Fi和智能手机应用程序的总线导航

城市公交导航器（UBN）是一种系统基础设施，通过连接乘客的移动智能手机和支持 Wi-Fi 的公交车，实现乘客与公交车的连接。这个系统可以实时获取有关乘客旅程和交通状况的信息。其中一个重要特点是语义总线乘坐检测，它能够识别乘客具体乘坐的巴士和路线，为巴士乘客提供连续且及时的动态重路由和端到端的导航指引。

技术测试显示了语义总线平稳性检测的可行性，而用户测试则揭示了微导航对用户的有效支持。这个系统包括基于 Wi-Fi 的识别系统，用于语义总线平稳性检测和动态行程跟踪。语义公交检测结合了手机的GPS数据，用于监控乘客的出行进度。

一旦出现偏差，系统会立即识别并触发重新规划行程，从而为乘客提供新的导航指令。整个架构由巴士乘客手机上的基于 Wi-Fi 的接近检测、智能手机应用程序中的行程规划、宏导航、上下文感知的行程提示、微导航、上下文感知、乘坐巴士识别以及行程跟踪组成。

这种城市导航系统采用地图辅助的自适应融合方案。这个方法利用隐马尔可夫模型（HMM）对车辆状态历史、道路几何和地图拓扑进行建模，同时运用隐式推算和鲁棒地图匹配算法对当前地图段进行估计。车辆状态被投影到地图段上，作为积分滤波器的位置补充更新。这个解决方案已经在陆基车载平台上进行了开发和测试。

研究结果显示，在复杂的交叉口、分叉和连接处，系统能够可靠地减小由有偏GNSS（全球导航卫星系统）引起的定位误差，并实现精确的地图段选择。相较于常用的自适应卡尔曼滤波器，这个方法不依赖于冗余伪距和残差，适用于各种噪声特性和积分方案。

针对城市环境的挑战，该解决方案为自动驾驶提供了一个有效的导航方案，几乎不需要先验地图或全球定位系统（GPS）。定位方案通过扩展卡尔曼滤波器实现，包括里程计、罗盘和稀疏的地标测量更新。导航则通过基于指南针的导航控制法则完成。实验验证了模拟结果，并证明在特定条件下可以实现所需的成功率。

系统结构包括转向和速度控制器、目标跟踪器、路径生成器、姿态估计器和基于传感器的导航算法，使实时控制成为可能。高水平的定位由位姿估计器提供，仅使用计量学测量、罗盘测量和基于稀疏地图的测量。基于稀疏地图的测量方法通过比较原始相机图像与包含在稀疏地图中的地标图像生成。

道路场景信息包括车道线标记、道路标志、交通信号灯和其他传感器测量。这些场景信息和惯性姿态估计被输入导航算法，以确定最佳路线以达到目的地。这个导航方案基于指南针的导航控制法则。

微型飞行器的自主导航

还有一种低计算的状态估计方法，使得微型飞行器能够自主飞行。所有的估计和控制任务都在飞行器上完成，并且通过一个简单的计算单元实时解决。状态估计器会综合来自惯性测量单元、光流智能相机和飞行时间距离传感器的观测数据。

智能摄像机能够提供光流测量和里程估计，从而避免了对图像的复杂处理，而且在短时间的飞行中就能够获得这些数据。通过在特殊的欧几里德群SE中操作的非线性控制器，可以基于估计得到的飞行器状态来驱动四旋翼平台在3D空间中的运动，从而保证飞行器位置和航向的渐近稳定性。经过仿真和实验，验证了这种方法的有效性。

另外，还开发了一种基于视觉的导航系统，适用于在大型和未知环境中运行的微型直升机。该系统基于视觉方法和传感器融合技术，用于对传感器状态进行估计和自标定，以及在飞行过程中具有不同的可用性。

系统利用车载摄像头、实时运动传感器和视觉算法来实现，能够同时估计飞行器的姿态和传感器之间的校准，以保持连续运行。该系统以线性方式运行，在之前访问过的区域中捕获关键帧。为了保持计算复杂度的稳定，提高性能、可扩展性和可靠性，计算密集的视觉部分被最终计算的摄像机姿态所取代。

以前的空间定位和导航方法主要依赖于在半固定轨道上运行的大型卫星，造成高昂的成本并且灵活性有限。然而，随着低质量、低功耗导航传感器的最新发展以及小型卫星的普及，出现了一种新的方法，允许多个小型航天器以集群的方式在受控制的配置下飞行，利用集体能量来执行必要的任务。

为了维持稳定但多变的配置，这种方法采用了定位、姿态和卫星间导航。为了确定编队飞行卫星之间的相对位置和姿态，采用了载波相位差GPS，并在航天器之间进行距离系数、GPS差分校正等数据交换，以提高测距和导航功能的精度。CDGPS与NAVSTAR GPS星座通信，提供了相对姿态、车辆之间的位置以及编队中的姿态的精确测量。

行人导航系统

行人导航服务使人们能够获取精确的指引，以到达特定的目的地。由于步行者的空间行为在许多方面与驾驶者不同，因此汽车导航服务的通常概念并不适用于行人导航。汽车通常在拥有明确边界和路标的道路上行驶，因此主要任务是保持在车道内行驶，忽略障碍物和危险，除非与社交网络集成。

然而，与汽车不同，行人可能不会严格遵循预定义的道路。这使得个人导航变得更加复杂，迫使我们添加特殊功能来确保安全导航。行人导航需要高度准确、高分辨率和实时响应，仅靠GPS无法在最后时刻进行路线变更，如绕行道路、遇到重大障碍物以及满足安全需求。

然而，通过将物联网和全球定位系统整合到应用程序中，可以提供精确而安全的导航解决方案。为了实现这一目标，采用了两级个人导航系统。第一阶段中，导航者会记录下行人的行进路径，并将生成的视频存储在云数据库中。

第二阶段，一个移动应用程序会加载到行人的手机上。一旦行人开始行走，该应用程序会启动，与云导航数据库同步，然后通过手机发出指令，引导行人沿着路径前进。更高级的系统还包括应用程序内的两个阶段。移动摄像头被启用，捕捉行人前方的路径图像，经过处理后引导行人。当接近障碍物时，该应用程序会建议最安全和最有效的绕道，并相应地引导行人。

个人导航系统非常准确而且安全，可在室内外环境中运行，只需连接手机并确保足够的内部存储空间。它为登山、漫游和无固定目的地的用户提供了空间信息。它被用于定位受伤人员，以及在能见度低的地区协助救援队自我定位。在军事和安全行动中，士兵使用定位和信息技术进行自我定位、信息收集和整理。

类似功能的其他实现包括前述的带有嵌入式微型设备和软件的手持导航设备，以及带有嵌入式摄像头的可穿戴蓝牙耳机。

结论

在本章中，我们详细阐述了多种互补的导航概念及其实际应用。我们整合了先进技术，对现有传统导航方案进行了改进和扩展。这样做的结果是，在标准导航技术如全球定位系统等效果不佳或不适用的情况下，我们有了多种解决方案的选择。我们针对不同领域的若干具体问题，提出了多种技术方案。针对每个问题，我们都描述了不同情境下独特的技术应用和实施方法。