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专访白峰:谈GPS现状、工业级应用挑战与实践

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10年前谈GPS,或许很多人根本不清楚它是什么意思,然而随着移动设备和互联网的快速发展,时下各种各样的定位服务已经充斥着人们的生活。基于这一点,我们可以确信,目前的定位技术精度已基本可以满足人们的生活所需。然而如果你足够细心就会发现:如果叫个车,司机往往还需要致电来确认乘车的实际位置;如果你使用某某同学提供的位置进行导航,会发现导航的终点总是存在一些误差。那么,时下我们的定位技术究竟处于一个什么样的水平?在某些苛刻精度定位的需求下,又有哪些技术可以满足?近日,笔者有幸结识了一个做室外精准定位的团队,并就此进行了详细的了解。

CSDN:请详细的介绍一下自己和你所在的团队。

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北京红旗胜利科技发展有限责任公司CEO 白峰

白峰:我是北京理工大学硕士、北京大学博士,中国首批互联网工程师(1998年)和中国首批IC设计工程师(2000年)。曾先后在中星微电子、以色列CEVA中国区担任要职。2010年创立北京红旗胜利科技发展有限责任公司,担任CEO。

目前,公司有18名员工,吸引了包括北京大学、北京理工大学等众多优秀高校毕业的专业人才,获得中国授权发明专利技术19项。

杨彤,华中科技大学经济学硕士,历任中信证券投资银行部经理,北京首润(集团)有限公司副总经理,华睿集团(汉能控股)投资银行部总经理,现任红旗胜利科技CFO。

CSDN:贵团队现有的工业级客户,对比我们平常所使用的各种定位产品,其区别是什么?又是什么样的技术现状让你们看到了这里的商机?

白峰:工业级客户,例如国家电网和测绘局,对室外定位精度的要求是厘米级别。我们平常所使用的智能手机,室外GPS定位精度通常是10米。

2014年曾经有工业级客户希望Android手机仅通过APP软件,就可以实现1-2米更精确的室外定位。当时我们仔细研究了Android系统,遗憾地发现由于Android操作统的限制无法实现该功能。今年2016年6月Google IO大会上Google 宣布下一代Android N 操作系统,我们发现通过APP软件就可以实现Android N 操作系统智能手机更精确的室外定位。

GPS的误差来源主要是三种:与GPS卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。前二种误差通过室外定位增强系统提供的修正数据几乎可以完全去除,而第三种误差,例如智能手机中低成本的GPS天线(通常为chip 天线,其接收效率为专业级天线的8%)所导致的误差则通过Android N系统上红旗胜利SDK中的数字信号处理算法进行消除。

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CSDN:可否谈谈贵公司现在的工业级用户,其使用场景是什么?

白峰:工业级客户国家电网的使用场景就是当工人进行高压线路(如66KV即6万6千伏)维修时,为确保工人的生命安全需精确掌握工人的位置,其要求精度达到厘米级。国家电网规定66 KV线路的安全距离是1.5米,如果人和66KV线路距离小于1.5米,就会有被高压电击的生命危险。

做厘米级定位的初衷是了解到东北变电站的一些情况:在东北,比如哈尔滨,冬季的气温会降到零下几十度,在这种低温下工人为了御寒往往会在检修之前喝一些酒暖身,而这样很容易使得工人在工作中头脑出现瞬间的不清醒从而导致爬错电线杆,后果就是与220千伏的高压线太近造成重大生产事故,每年都会因为这种情况造成人员伤亡。于是我们想到研究一款便携式厘米级定位设备来杜绝这种问题的发生,而这也正与我们公司悲智同源的价值观相契合。

虽然在这款产品的研究过程中,产品本身的技术门槛对我们来说是一个很大的难题,不过更大的挑战还是在于对员工生命的担忧。为了测试这款设备,3年来我们在高压线下面共计行走了一千多公里,危险无时无刻不在,但为了我们的理想我们还是坚持了下来并最终将产品研发成功。

CSDN:实现这种厘米级的定位,你们主要运用了哪些技术?在工业级实现上,你们又遇到了哪些挑战?

白峰:厘米级GPS定位技术历史上第一次出现是在1992年,主要应用领域是测绘地图,目前已经发展较为成熟。我们在工业级实现上遇到过四大挑战:

第一挑战是尺寸和重量上,如何做出比现有厘米级GPS接收机体积缩小10倍、重量减轻10倍的设备。最终,我们的厘米级GPS接收机成为了目前全球最小最轻的厘米级接收机。

第二是如何在人员步行甚至奔跑时实现厘米级定位。现有厘米级接收机只能在人员静止时并在设备水平放置的情况下才能实现厘米级定位;而我们的厘米级GPS接收机则是全球第一款可穿戴厘米级卫星接收机。

第三是客户现场测试时各种可能发生的危险挑战。现场有66KV甚至220KV(22万伏特)高压电,有一次突然发生自动跳闸,高压电线产生的电弧把我们都吓了一跳。即便在晴天,高压线路也会发出滋滋的声音,非常让人害怕。

第四是供应链问题。做硬件供应链是个必须重视的问题。最开始研究工业级可穿戴厘米级定位接收机时,因为该细分市场相比消费级市场小很多,供应商都不支持我们。

CSDN:贵团队使用了大数据平台进行数据优化,可否聊聊这个平台的架构?另外该平台是否使用了一些开源技术,又分别用于什么样的场景中?

白峰:在开源大数据体系的帮助下,红旗胜利团队建立了一套基于传统RTK技术的室外定位增强系统,其中多项中国发明专利已经获批。红旗团队的整体云平台架构如下图所示:

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  • 大数据方面

我们在大数据方面面临的主要问题是数据的整合和存贮。最开始的时候我们使用最简单的存储方式,即以时间为关键字,直接将大量数据存储在文本中,查询时首先根据时间找到文本,再解析出文本的内容。但是这种方式很快就遇到了问题:当云基站数量逐渐增多,每秒钟服务器需要存储的数据多达几十兆,传统的文本写入方式导致CPU大量资源被占用,在云服务器替换SSD存储的情况下依然不能解决这个问题,所以我们只能寻找大数据方面的技术专家支持。

大数据方面的框架选用的redis,这样选择的原因是因为redis除了nosql的存储方式之外,还有一个重要的作用,即可以实现“缓存”的效果,这在我们实时差分系统中有重要作用。经过测试,使用redis的KEY-VALUE模式,性能提升超过20%;同时redis目前的版本也支持分布式存储,保证数据不会丢失。

  • 数据通讯同步方面

现在的云服务器供应商帮我们解决了不少问题,在分布式部署、负载均衡等方面,都可以实现鼠标点几下就完成了,但是我们自己的室外定位增强系统中做数据同步还是遇到了 一些问题,最后我们选择了ApacheMina。

Apache Mina Server 是一个网络通信应用框架,也就是说,它主要是对基于TCP/IP、UDP/IP协议栈的通信框架(当然,也可以提供JAVA 对象的序列化服务、虚拟机管道通信服务等),Mina 可以帮助我们快速开发高性能、高扩展性的网络通信应用,Mina 提供了事件驱动、异步(Mina 的异步IO 默认使用的是JAVA NIO 作为底层支持)操作的编程模型。

CSDN:可否为大家分享一下这些开源技术使用过程中遇到的坑?

白峰:算不上坑,但是开发使用中可能需要注意的问题:

  • Redis有时会出现connect timeout,我们一度怀疑是带宽不够导致的,花了不少钱加大带宽,后来发现可能是因为redis本身的链接使用的TCP,而redis对连接是采用的队列管理。所以,还是不可以完全把redis当作缓存来使用,缓存的存在,是必须的。
  • Mysql方面,我们团队也一度迷信于开源迅猛发展的技术,根据各位网上的大牛指导,希望可以实现单表千万条记录,查询时间足够快等效果,但是实际证明,即使不使用商业数据库,也不能把鸡蛋放到一个篮子里面,分布式部署是个好技术,千万不要试图使用个人英雄主义。
  • Mina方面,需要注意看基金会的文档描述,mina2的建议文档有说面,建议多线程的管理中,使用的线程数量是cpu数量+1,而并不是线程越多效率越高。

CSDN:刚你有提到线下卫星定位的增强站,可否详细的介绍一下?其对比传统的固定基站优势又是什么?现在的无线技术是否能保障服务的稳定?

白峰:我们线下增强站有三点优势:

第一点是室外部署时间成本和硬件成本比传统低一个数量级。传统增强站要求部署地点架设光纤等网络,部署时间长。我们线下增强站内置4G LTE通讯,可以在全球部署。而且IP67三防设计支持各种室外的恶劣环境。

第二点是任意位置选址部署。这样我们与用户足够近,也可以提供更好的室外位置增强服务。室外精确定位技术的原理是卫星差分定位技术,就是与线下增强站越近,智能手机室外定位就越准确。

第三点是增强站零配置即插即用。传统增强站用户需要配置各种IP和端口等等参数,这对于最大几十个增强站的省或直辖市测绘局不会成为一个问题。但是如果全国部署成千上万个线下增强站,手工配置的成本是无法想像的。

我们室外定位增强系统的设计哲学是追求整体最优,而不是局部最优。类似互联网的设计原则,我们把每个室外增强站硬件成本降低,部署时间缩短,通过室外增强站的冗余来保障整个室外增强系统的稳定。所以现有的无线技术能保障用户的稳定服务。

CSDN:你们使用云化的思想来做“基站即服务”,初期肯定投入了很多的成本,对于一个创业公司来说是否可以吃得消?又是如何解决这一块问题的?

白峰:我们整个服务的核心优势就是线上和线下系统的先进架构,能够以传统线下增强站10分之一的部署成本和10分之一的部署时间来部署线下设施,线上架构设计不但要考虑几亿智能手机用户的在线链接,而且还要处理成千上万台线下增强站的365x24小时数据交换。

只有这样,我们才可以打造一个快速迭代的室外定位增强网络,以更低的成本、更近的距离、更多的线下增强站建设一个服务全国未来甚至全球的室外手机定位增强网络。

CSDN:你还有什么对读者补充的?

白峰: 2010年GPS技术在智能手机的普及使得共享经济成为可能,之后出现了千亿美元规模的出行服务市场。那么智能手机室外定位精度提高10倍后,是否也会在未来产生更多的应用呢?

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