精準的「絕對位置」-- 鼎堅航太的精密導航
 
2018/07/24
 
涂煥昌 | 特約文字編輯
 
 

美國政府自1970年代開始研發全球衛星定位系統(GPS),而在1994年完成系統的建構,基本上已滿足地表上絕大部分地區在三維空間上的精確定位。如今,小至手機上的google地圖導航,大到飛行機具的自動駕駛,都離不開這種定位技術。

 

2017年,國立師範大學機電工程學系吳順德教授與國立海洋大學通訊與導航工程學系林修國教授合作,率領「精密導航」團隊以其發展的「衛星定位技術」,能大幅提升即時定位的精密度,並可運用在日益重要的「無人機具」導航的潛能性,拿下了科技部「創新創業激勵計畫」的創業傑出獎。

 

從「GPS」到「GPSRTK」

 

GPS定位,擁有不受天候、地形限制,全球覆蓋率又高的特色,也兼具快速、省時、高效率等優勢,發展至今,應用頗為廣泛。這種定位系統的原理,是靠太空中的「衛星」向地球發送訊號,在地表上的任一位置,只要能同時接收到三顆以上不同衛星的訊號,便可透過計算得到該處在地球上的「絕對位置」坐標。

 

 

定位衛星,初期主要是由美國政府發射升空,但因數量有限,可用的訊號來源不多;但隨後,俄羅斯、中國、印度、日本、歐盟等國,也陸續各自發射了功能相似的衛星;如今,地球周圍已有百顆以上的定位衛星,環繞在不同的軌道與高度,不斷地向地面發送訊號。想當然爾「接收可用的衛星定位訊號」,因此變得十分方便,生活中的應用也更多了。然,受限於「大氣層」的影響,GPS定位在解析能力上,似乎存在著一些侷限,其「誤差」大約為數公尺到數十公尺。這個問題,也因應用層面的日益細緻,而慢慢被凸顯出來。

 

吳教授的團隊便是提出一個可突破這種誤差的方法,將定位的精準度大幅提升至「公分」等級。其概念為,先架設一個好的「地面參考站」,使其發送特定的單頻定位訊號,「使用者」可利用這個多加的「地面參考訊號」,結合原本所接收到的衛星定位訊號,再透過某些特別計算,便能大幅提升定位的精準度了。即使使用者是處於「移動狀態」,也因為此法能計算到每秒就精準定位乙次,因此也等同於可做到「即時」(Real Time)定位了。

 

「絕對位置」的應用

 

吳教授團隊能獲得「高精密度」即時定位的方法(GPSRTK),其實是利用了「差分技術」;但這並非吳教授的專利,而是拜當今架設「地面參考站」與「用戶端」的成本,大幅降低之賜,然而關鍵技術還是有的,利用林教授的「特殊演算法」,可即時整合來自不同衛星系統的訊號,並針對「應用端」開發出獨特的定位技術,這個利器便是獨一無二的了。

 

傳統上,GPS的功能,被認為僅能應用於「測量定位」與「導航」。但吳教授團隊的「精確定位」方法,卻將其應用推廣到超乎過去的想像。例如:自來水公司因為公共安全,每年均需派員巡查埋設在路面上的圓型「制水控制閥」;但常因年代久遠圖資老舊、缺損,或因傳統GPS定位精度不良,甚至是路面新鋪了柏油覆蓋,導致工作人員無法確認圓孔蓋的實際位置。往昔的解決方法是派遣更多的人力,實地進行「大地測量」,以修正定位。但若採用吳教授的方法,只需一人用儀器進行「精準定位」即可,除避免日後「找不到」的機率,人力成本之降低,更是不言可喻。

 
 
 
此外使用本技術還有一個附帶的好處:對於新埋設在地底下的各式管線,若能埋設之初,便做好「精準定位」,那麼管線的「絕對位置」便十分清楚,日後也不會有「誤挖斷」管線的麻煩了。
 

另一個「絕對位置」的應用是「導航」,這是近年來比較熱門的應用。除了一般車用「圖資導航」之外,吳教授還分享了北美、中國大陸等在農業上使用的例子:在廣大的農田上,無論是播種、除草、用藥、甚至收割,今後都可以靠「無人農具機」或是「無人飛機」代勞,只要能精密地掌握農具、目標範圍的「絕對位置」座標,便可以精細地進行「路徑的規劃」;由於計算「誤差」較以往小很多,因此田埂、小路…等障礙物,都能列入計算與規劃,效率與實用性自然可大幅提升。

 

除了上述的例子外,在公共安全方面,如「監控」山坡地邊坡的滑動、橋樑橋墩的位置…等,也可以即時掌握精準的「絕對位置」;而無人駕駛車輛、無人機,利用其即時定位的功能以大幅提升導航的精準度,也是可以預見的應用。

 

 

 

「人」是問題 「應用」是核心

 

吳教授的團隊,雖然擁有獨門的演算技術與優秀的整合、研發實力,但是他遺憾地表示「創業之路」仍是充滿著崎嶇,「人」一直是個關鍵的問題。

 

他回憶,雖然與林教授合組團隊,參與包含「FITI」在內的國內多項大型競賽,成績也不錯,但是「鼎堅航太」新創成立之後,首先面臨的竟是「合夥人」的問題。「打天下」與「治天下」是截然不同的事,擁有「核心演算法」技術的林教授與負責硬體、軟體設計整合的吳教授,在比賽時雖能合作無間,但對新成立公司的「未來」,想法卻截然不同。歧見的鴻溝,使得成立不滿數月的新公司,幾近分裂;所幸在經過數度協商、溝通後,林教授選擇離開公司經營核心,兩人關係改以「合作」取代「合夥」,並繼續發展相關的計畫。

 
 

吳教授進一步分享,另一個也很重點的問題,則是「客戶」。他回憶在參與「FITI」 計劃時,最大的收獲是建立了「商業模式」的概念:「技術」必須能轉換成商品,一定要去思考本「技術」能夠衍生出什麼「產品」?「市場」在哪裡?「客戶」又在哪裡?等等使公司能夠生存、持續經營的關鍵問題。而這些問題,又都指向單一核心:「客戶的問題與需求」;公司所有的努力,都必須能解決客戶的問題,滿足客戶的需求,凡是能帶來價值的,便是公司可賴以生存的「產品」。

 

這種以「應用性」為核心,滿足「需求」的商業觀念,是一向處於「高教」象牙塔內的吳教授較不熟悉的。因為在學術圈裡,只要進步1%,便有其價值;但同樣的1%,在商業模式裡,若不能帶來「顯著的效益」,顯然是沒什麼用的。因此吳教授認為若想以「科學技術」為本,跨足「創業」,心理上必得先走出「學術的象牙塔」,做好面對「人的需求」,才有可能接近成功。

 

蹲好馬步才是關鍵

 

吳教授長期在師大擔任教職,「教學」、「服務」,表現都極優異,但現在創立了「鼎堅航太」,兩種角色屬性不同,關於「創業」他會給學子什麼建議呢?他表示,「科學」的終端價值,在於「應用」。但是想要有好的「應用」,扎實的「基本工夫」是唯一的道路。他以武俠小說裡的「內功」與「招式」的關係說明:蹲馬步等雖是「基本工夫」,但卻是厚實「內功」的不二法門,因為所有的「應用」,都只是「招式」而已;若「內力」不夠,卻強練「招式」,也只落了個走火入魔,註定失敗的後果。

 

以機電專長來說,學習「數學」、「電子學」、「電路學」、「程式設計」、「機構學」…等基礎科目,就是在練「基本工夫」。至於現在一些熱門的應用,例如AI人工智慧等,其實仍是圍繞著這些基本學問。唯有厚實根基,將來在應用發展上,才能「招隨意轉」,隨心所欲。

 

註1:師範大學機電工程學系吳順德教授與海洋大學通訊與導航工程學系林修國教授合作參加科技部「創新創業激勵計畫競賽」於106年第一梯次選中勇奪創業傑出獎殊榮,並獲200萬創業獎金。

 

註2:科技部推動「創新創業激勵計畫」之目的,在鼓勵我國年輕研究人員創業,引導高等教育研究機構建立創新創業文化,並營造研發成果或創意產業化的友善環境。該計畫每年舉辦兩梯次的創業團隊評選,每梯次遴選至多40個團隊,藉由系列課程與實作研習、國內及矽谷成功華人創業家與創投家擔任業師,並由國研院、3個科學工業園區管理局提供原型開發支援、技術試驗場域、資源轉介服務等,經過3階段的評選及決選、小額創業資金挹注,以及舉辦天使創投媒合會,協助團隊創業。

 
 
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