(圖:NPR)

自動駕駛車是近年來相當熱門的議題,包括 Tesla、Google 都投入相當多的資源進行開發。但要讓一台自駕車能夠成功行駛在道路上,當中隱藏著許多最新的科技。就功能面上,這些科技大致可以分為:感知、導航、控制三大區塊,本篇文章主要為介紹其中的導航系統。

說到導航系統,一般就會聯想到 GPS。GPS 又稱為全球衛星定位系統,是美國開發的衛星定位技術。這套衛星定位系統基本設計共有 24 顆衛星(目前運作中的衛星為 31 顆,由於衛星的壽命長短不一,美國每年都會發射一些衛星來更新這個系統)。這些衛星繞行在地球四周,並分布在 6 個平面上,由於其衛星軌道經特殊的設計與安排,使得 GPS 接收器在地球上約 98% 的位置,只要不被障礙物遮蓋,都可以接收到至少 4 顆以上衛星的訊號。而之所以需要至少 4 顆以上衛星的訊號,主要是作為 3 顆衛星的三角定位使用,與 1 顆的輔助定位。

三顆衛星就能決定位置?

要決定你的所在位置,需要利用衛星的三角定位原理。要做到三角定位,首先要量測你和衛星的距離,要測得兩點的距離,可由速度和時間差間接求得(距離=速度x時間)。因為衛星會不斷向地表發送訊號,地面上的 GPS 接收器也會不斷接收衛星訊號,所以藉由衛星發送訊號與地面接收訊號的時間差,乘上已知訊號的傳送速率,就能得到衛星與地面 GPS 接收器的距離。

因為衛星不斷向四周發送訊號,若以衛星為圓心,以前述衛星與 GPS 接收器的距離為半徑,劃出一個球體,它球面上的每一點都是此接收器可能的位置。那麼這個接收器到底在哪一點?這時若有此接收器與其他兩個衛星的距離,就能畫出三個球面,而這三個球面會交會出兩個點,這兩個點有其中一點必會在地表上。因此若可知三顆已知衛星的位置及其與地面接收器的距離,就能知道接收器在地表的實際位置。

不過,透過上述原理只能得知接收器在地表上的大概座標,因為衛星訊號在傳送與接收的過程中,有容易受環境干擾而不穩定的問題。因此通常需要用到第四顆衛星或差分全球定位系統(DGPS),來確保前面三顆衛星計算結果並提高精確度。當然能參考的衛星點越多,位置的計算結果將會越準確。

更高精準度的定位需求

高階無人駕駛的導航系統比傳統的車用導航有更高精準度的定位需求,因為車輛移動速度相當快,加上車輛需要自主控制與決策,若定位稍有偏差,後果將不堪設想。而要如何實現高精準定位系統呢?其關鍵就是對於當前位置資訊了解得越多越好,所以現行車用高精準度的定位系統,除了使用美國的 GPS 定位外,還會額外參考俄羅斯的 GLONASS、中國的北斗(BDS)等衛星資訊。此外,若能配合數位地圖、地標,甚至是車內的慣性測量系統,就能得到更精確的定位效果。

高精準地圖

為了實現高精準度的定位系統,所採用的數位地圖,當然也具有高準確度與較多細節資訊上的需求,這些為了自動駕駛需求而製作的精密 3D 數位地圖,也可以稱為高精準地圖。以 Mercedes-Benz 製作的高精準地圖為例,他們透過搭載立體攝影機的車輛,收集周邊完整的道路資訊,並辨識有助於定位的道路特徵,例如建築物的角落、燈柱及道路標誌等, 也會偵測車道標線、方向箭頭、行人穿越道、停車線及路緣。與來自  GPS 的相關定位資料結合後,即可建立一份詳盡的路線影像,如此可大幅提升自動駕駛的準確性。此外,這些資料還可以隨時更新與提供即時的路況。

結語

能否有效保護自身與用路人的安全,一直都是自動駕駛最需克服的問題。隨著技術水平的提升,目前市面上車用定位的準確度已可提高到公分等級的水準。所以高精準度的定位系統在應用上,除了有導航功能外,也可以在其他感測裝置因為特殊狀況,如影像辨識在夜晚或因天候不佳而無法辨識時,仍能協助判斷周遭的交通狀況,進而提供許多關鍵性的保護作用。安全是自動駕駛最基本的配備,科技始終來自於人性,藉由人們的創意,提出更多有效的解決方案,也讓智慧駕駛不再只是個夢想。

 

參考資料:

  1. 國家實驗研究院科技產業資訊室(2018),精準空間定位 車載系統升級 提升自駕安全
  2. 馬杰(2013),GPS 技術簡介與發展,科學月刊,521
  3. 鄭大偉,全球衛星衛星定位(GPS)簡介
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