为什么导航仪在隧道中会失效？信号遮挡与惯性导航的临时替代方案

信号遮挡，但现代设备通常会采用惯性导航（INS） 作为临时替代方案来维持基本的导航功能。以下是详细解释：

1. 卫星信号遮挡是失效的根本原因

• 工作原理依赖： GPS、北斗、GLONASS、Galileo等卫星导航系统的工作原理是，设备接收来自至少4颗卫星的信号，通过计算信号传播时间差来确定自身的三维位置（经度、纬度、高度）和时间。
• 隧道结构的阻挡：
  • 物理屏障： 隧道的顶部、侧壁（通常是钢筋混凝土或岩石）以及覆盖在其上的山体或土壤，构成了坚固的物理屏障，完全阻断了来自天空的卫星信号。
  • 信号衰减与反射： 即使有微弱的信号穿透入口或某些缝隙进入隧道，也会在隧道壁之间多次反射，信号强度急剧衰减，变得极其微弱且不稳定（多径效应），无法被设备有效识别和利用来进行定位计算。
  • 金属结构影响： 隧道内的钢筋结构和金属构件（如通风管道、照明支架）会进一步屏蔽或干扰无线电信号。
• 后果： 一旦进入隧道，导航设备会立即失去与卫星的连接，无法计算出新的位置坐标。屏幕上通常会显示“信号丢失”、“搜索卫星”或位置点停滞在隧道入口处不动。

2. 惯性导航（INS） - 隧道中的临时替代方案

为了解决卫星信号丢失的问题，许多现代导航设备（特别是车载导航仪、智能手机和专业的导航系统）会集成一个基础的惯性测量单元，这就是惯性导航的核心。它利用以下传感器在信号丢失期间进行航位推算：

• 加速度计： 测量设备（车辆）在三个方向（前后、左右、上下）上的加速度变化。
• 陀螺仪： 测量设备（车辆）围绕三个轴的旋转角速度（偏航、俯仰、横滚），从而确定方向（航向）的变化。
• 工作原理（航位推算）：
• 起点： 在进入隧道失去卫星信号前，设备记录下最后一个已知的精确位置（P0）、速度（V0）和航向（H0）。
• 测量运动： 进入隧道后，加速度计持续测量车辆的加速度变化（加速、减速），陀螺仪持续测量车辆的转向角度变化（左转、右转）。
• 积分计算：
  • 对加速度进行积分一次，得到速度的变化量（ΔV）。结合之前的V0，推算出当前速度（Vt）。
  • 对速度进行积分一次，得到位移的变化量（ΔS）。结合之前的P0和航向H0（以及陀螺仪测量的航向变化ΔH），推算出当前的大致位置（Pt）。
  • 陀螺仪测量的航向变化（ΔH）用于持续更新当前的行驶方向（Ht）。

惯性导航在隧道中的优缺点

• 优点：
  • 完全自主： 不依赖任何外部信号（卫星、基站、Wi-Fi），仅靠自身传感器工作，是隧道、地下车库、茂密森林等无信号环境的理想临时解决方案。
  • 连续输出： 能提供连续的位置、速度和姿态（方向）信息，不会像卫星那样完全中断。
  • 短时精度尚可： 在进入隧道后的短时间内（几十秒到几分钟，取决于隧道长度和行驶状态），推算的位置相对准确，足以维持基本的导航引导（例如显示车辆仍在隧道内的道路上移动）。
• 缺点（关键限制）：
  • 误差累积： 这是最核心的问题。加速度计和陀螺仪都存在微小的固有误差（零偏、刻度因子误差、噪声等）。每次积分计算都会将这些误差放大并累积起来。时间越长或行驶距离越远，累积的位置和方向误差就越大。对于低成本的消费级MEMS传感器，误差增长非常快。
  • 精度依赖初始状态： 推算的准确性高度依赖于进入隧道前最后一个卫星定位点的精度。
  • 无法感知外部环境： INS无法检测到车辆是否发生了侧滑、打滑或被抬起（如在拖车上），这些情况会导致推算位置严重偏离实际位置。
  • 需要外部校正： 一旦驶出隧道重新获得卫星信号，设备会立即用精确的卫星定位数据来校正INS累积的误差，重置其状态。长时间的信号丢失后，出隧道时的推算位置可能与实际位置相差几十米甚至上百米。

3. 其他辅助技术与增强方案

为了弥补纯惯性导航的不足，提高在隧道等环境中的导航连续性，现代系统还会结合其他技术：

• 车速传感器（轮速脉冲）： 许多车载导航系统会接入车辆的CAN总线，获取更精确的车速信息（来自轮速传感器）。这比单纯用加速度计积分得到的车速更准确、更稳定，大大减少了速度推算的误差积累，显著提高了航位推算的精度和持续时间。
• 地图匹配：
  • 基于道路形状： 系统将INS推算出的粗略轨迹与存储在设备中的高精度数字地图（尤其是包含隧道详细形状的地图）进行匹配。即使推算位置有偏差，系统也能根据道路网络的拓扑结构和车辆可能的行驶方向（例如隧道内通常是直线或固定曲率的弯道），将位置“吸附”到最可能的道路上。
  • 基于隧道出入口： 系统知道隧道的入口和出口位置。当车辆进入隧道时，位置被固定在入口；在隧道内依靠INS推算；当检测到车辆驶出隧道（结合信号恢复或地图匹配），位置被固定在出口。这保证了导航路线在隧道两端是准确的。
• （未来/特定场景）其他定位技术：
  • UWB/蓝牙信标： 在极少数部署了室内定位信标的特长隧道中，设备可能通过这些信标进行辅助定位。
  • 高精地图与传感器融合： 自动驾驶车辆会结合激光雷达、摄像头感知到的隧道内环境特征（如车道线、标识牌、墙壁），与高精地图进行匹配定位（SLAM的一种应用），精度远高于纯INS，但成本高昂。

总结 失效主因： 导航仪在隧道中失效的根本原因是隧道结构完全遮挡了卫星信号，导致设备无法进行定位计算。 临时方案： 现代导航设备普遍采用惯性导航（航位推算） 作为隧道中的临时替代方案，利用加速度计和陀螺仪推算位置和方向。 方案局限： 惯性导航存在误差累积问题，时间越长、距离越远，位置偏差越大。其效果是临时的、精度有限的。 增强手段： 结合车速传感器提供精确速度、利用地图匹配技术将推算位置校正到道路上，可以显著提高隧道内导航的连续性和实用性。 恢复校正： 驶出隧道重新获得卫星信号后，设备会立即用精确位置校正惯性导航累积的误差。

因此，当你开车进入隧道时，导航仪并非完全“瞎了”，而是切换到了精度较低、会随时间漂移的“推算模式”。一出隧道，它就会迅速找回精确位置。选择带有惯性导航功能且地图数据（尤其是隧道形状）准确的车载导航仪或手机导航App，能让你在隧道中拥有更好的导航体验。