北斗卫星：无人驾驶的交通警察｜星岛教室

2023-08-10 12:42

6月一个星空灿烂的夜晚，我们带领中华基督教会区会杰出学生到可观中心观赏星空。仰望着天空，了望着那些遥远的星宿，不禁赞叹造物主的伟大。古人以为银河是天上的河流，因而产生了无尽的遐想，宋代诗人苏泂的诗〈秋夜〉写道：「一派银河似练横，浅深波浪浸天青。夜阑忽有风吹动，摇漾南箕北斗星。」北斗星在中国文化中具有重要地位，被誉为「导向之星」，古人很重视北斗，更利用它来辨别方向、定季节。如今，随着北斗卫星的出现，我们可以在地球上任何一个角落准确定位，这是中国科技发展的新里程碑。

北斗卫星崛起

说起导航卫星，我们不能不提及美国的「全球定位系统」（GPS）。作为世界上第一个导航卫星系统，GPS自从1978年开始运行以来，已成为全球定位、导航和授时服务的核心。然而，中国自行研制的「北斗卫星导航系统」（BDS）不仅在内地取得了广泛应用，还在国际舞台上展现强大竞争力。2020年3月，中国在西昌卫星发射中心，成功发射的北斗系统第54颗导航卫星，北斗的太空卫星已能覆盖全球，国家的「北斗大棋盘」亦正式完成。

目前北斗系统已是全球4大卫星导航系统之一，不但为使用者提供全天候高精度的定位、导航和授时服务，亦渐渐融入人们的日常生活，例如导航应用程式︰百度地图与高德地图都以北斗卫星优先定位。7月中，我校学生更参与由中国航天科技国际交流中心提供的北斗卫星导航系统科普课程，认识到北斗系统的高精度定位及定时的稳定性，日均使用量已逾3600亿次，车辆实时定位讯息已达厘米级。

自动驾驶根源

以前曾幻想过，如果我们能发明一个超巨型的「交通警察」，他有一双比红磡体育馆还要大的手，手臂比港铁路线还要长，然后让他来指挥香港的交通：当这条路塞车，他便指挥司机行另一条路；他能控制每部车的距离和速度，他不会容许司机急煞车和胡乱切线，更不容许司机打瞌睡……那香港便不会再有交通意外了。根据2021年联合国道路安全基金（UNRSF）报告，全球每年因交通事故死亡的人数高达130万，美国交通部的一项研究中更将94％的事故归咎于人为错误。假设能够移除驾驶人员的因素，我们可以期待安全性的惊人提升，无人驾驶汽车可能是解决方案。

无人驾驶技术亦是智能交通发展的重要方向之一，除了能够减少交通意外，更可以减少交通量，因为自动驾驶汽车利用网络进行互通，以确定最佳、最有效的行驶路线。

汽车不再受个人控制，而是全部作为同一单位共同运作，一起移动，对人类生活带来便利。但谁可担当这个「超巨型交通警察」？北斗卫星导航系统便可以，它比我幻想的超巨型交通警察还要大，它遥远地站在太空上，透过太空卫星，它的「手」能覆盖全球，除了提供高精度的定位和导航服务，还能提供全球应急通讯服务。

无人驾驶技术与北斗结合

北斗与无人驾驶汽车结合，需要实现精确定位、可靠通讯、高精度遥感和智能决策等技术支持，这些技术可以通过相应的设备和系统实现。

1. 安装北斗定位系统：无人驾驶车上安装北斗定位系统，包括接收器和相关的定位天线等设备去接收讯号，让北斗的实时动态差分（RTK）及超高精度惯性测量单元（IMU）等定位技术在无人车实现。

2. 多频讯号数据传输：无人驾驶车须与控制中心进行数据传输和通讯，以实现对无人车的监控、控制和指令传递。北斗可以提供可靠的通讯服务，包括数据下行和上行通讯、短报文通讯和语音通讯等，以实现及时、高效的数据传输。

3. 遥感技术：无人驾驶车可以利用北斗与遥感技术相结合，实现对所处场景的高精度测量和分析，包括地形、地貌、气象、交通等方面的数据。这些数据为无人车的智能决策提供重要的参考依据，实现自主避障、规划最优路线等。

4. 智能决策技术：无人车可以利用北斗系统精确的授时功能，与自动驾驶系统的多传感器时间同步，实现智能化决策。例如无人车可以对路况进行预测和分析，自主规划路线和实时调整行进速度，以实现安全和高效的行车。

最高时速达每小时80公里，搭载全自动无人驾驶系统，名为「云巴」的空中巴士系统在2021年已在重庆开通运行，香港特区政府近日亦提出积极考虑引入。未来无人车能否像变形金刚一样，我相信这想法只流于科幻电影世界里，不过未来世界随着北斗卫星更成熟的发展，我们必定可以看到这位「超级交通警察」在茫茫无际的太空上，为我们完美地指挥无人驾驶的汽车，让我们享受「交通世界」和平，并且为智慧城市打造坚实的基础。现在我们可下载「高德地图」先感受一下北斗卫星导航系统的精准和伟大吧！

小思考，大智慧

1. 全球有哪4大卫星导航系统？
2. 何谓「无人驾驶等级5」，怎样区分自动驾驶等级？

参考答案

1. 除了中国的「北斗卫星导航系统」（BDS），还有美国的「全球定位系统」（GPS）、俄罗斯的「格洛纳斯」（GNSS）及欧盟的「伽利略定位系统」（GALILEO）。
2. SAE（美国汽车工程师协会）将自动驾驶等级区分为0至5级。

等级0︰无自动化，全人类驾驶等级；
等级1︰驾驶辅助，主要还是经由人类驾驶，汽车具有多种自动化控制功能，但每次仅能单独使用其中一项；
等级2︰部分自动，汽车拥有多项自动驾驶控制功能，更可紧急处理路况的环境变化，但驾驶人员还是须自行控制车辆；
等级3︰有条件自动驾驶，驾驶人员只须在遇到系统无法处理的情况下，接手后续的驾驶；
等级4︰高度自动，此等级可在无人的情况下自动驾驶并抵达目的地，但仅能在车辆较少的道路使用；
等级5︰完全自动，在所有条件下，车辆可以在所有道路上自行驾驶使用，并执行所有控制功能，即使没有人在车上也可以自动驾驶。

文：中华基督教会协和小学（长沙湾）校长、教育评议会主席蔡世鸿、中华基督教会协和小学（长沙湾）副校长郑俊杰

本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。