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从南京导航失灵看语义贝叶斯公式妙用

已有 187 次阅读 2026-1-2 11:35 |个人分类:信息的数学和哲学|系统分类:科普集锦

2025年12月17日傍晚,南京地区大量小车导航设备失灵,导航地图上,小车会荒唐地出现在农田和河流中, 甚至楼顶上。由此引发出集体恐慌。

 导航不准类似于下面情况。

图1 卫星定位系统一次定位图解

 

不过我的手机截图不是取自南京, 而是取自安徽某个动车上。我明明在动车上,但是导航指针却说我在农田里。你们每个人乘动车都可以看到偏差更大的定位——相差达一公里——都有。为什么会出现这种情况?这要从定位原理说起。

       卫星定位根据三个卫星到用户的距离计算设备的位置。大家用同步时钟,距离是根据卫星发射时间信号到达用户(设备)的时差计算的。想象以三个卫星为圆心,以到用户的三个距离为半径画球面,三个球面的交点就是用户所在位置。

       但是由于自然条件和通信噪声的干扰,时差可能算得不准,一次定位也不准,有可能把用户定在地底下,楼顶上,水塘里… 为此, 我们需要根据条件概率P(x|y)=P(实际位置x|一次定位位置y1)做二次定位。 即用P(x|y1)的期望值做二次定位y2. 做二次定位可以利用地面信息,高铁上设备没有二次定位(因为需求不多或不重要),所以经常偏差很大。 但是人脑可以做二次定位。比如——参看上图,二次定位可以利用道路信息(包括小车正常行驶信息),判断你在离yj1最近的高速公路上。如果附近公路有两条,设备可能利用你在哪条高速上信息,选择这条路离yj1最近的点。

       对于荒郊野外,道路少,人脑二次定位是可行的。但是对于道路密集的城市,比如南京,并且要求定位准确(比如打的需要知道司机或乘客在哪里),上述方法就不行了。我们需要根据y1的系统偏差做二次定位。

       流行的方法是通过实验和统计得到P(yj|x)(j=1,2,3…)(包括系统偏差), 道路信息提供P(x), 通过贝叶斯公式得到:

P(x|yj)=∑j P(x)P(yj|x)/P(yj);  P(yj)=∑i P(xi)P(yj|xi)

然后用P(x|yj)的期望作为yj2..这个方法的实质是:我不看你怎么说的(y1是什么意思,指向哪里),而是看你是怎么做的(什么情况下出现的,语义在于用法)。我们还可以用P(x|yj)的标准差作为定位精度(标准差越小精度越高)。定位设备的RMS就是这么来的。

            基于上面分析, 我估计南京导航失灵是因为系统偏差校正缺失,就像我在动车上看到的那样。因为道路和建筑物密集,错误就特别明显。如果校正系统校正错误, 更大的偏差也有可能。果然,Deepseek告诉我,卫星定位需要地面观察站根据观察数据校正系统误差,南京观察站因系统维护没搞好,造成二次定位缺失或出错范围超过预期。

       为什么高铁上手机没有二次定位?因为需要观察站和统计数据,二次定位成本比较高。高铁乘客不像驾车司机,高铁乘客没有定位系统没关系。但是,这件事提醒我们,在没有地面观察站做系统误差校正的时候,软件可以仿照人脑做二次定位。

我研究语义信息论, 用到真值函数,我们可以把定位系统指示yj理解为高斯真值函数

T(yj|x)=exp[-(yj-x)2/(2σ2)]

它反映yj的语义。用语义贝叶斯公式得到概率预测:

P(x|yj为真)=P(x|θj)=P(x)T(yj|x)/T(yj),  T(yj)=∑i P(xi)T(yj|xi)

参看图2. 用这个公式就可以保证P(x|yj为真)在红五星处最大,从而二次定位指向红五星。这样的二次定位几乎没有成本,何乐而不为?

图2 用语义贝叶斯公式仿人脑做二次定位

 

当然,在道路密集,定位要求精准的情况下,校正系统偏差还是需要的。但是这时,也是可以根据系统偏差定真值函数,即令:

T(yj|x)= P(yj|x)/分子最大值

这样得到的P(x|θj)就等于P(x|yj)。使用T(yj|x)相对于P(yj|x)的好处是,T(yj|x)的最大值不变,是1,如果系统偏差一样(比如偏南100米),y2相对y1就偏北100米。而P(yj|x)的最大值和实验有关,对于不同的yj, P(yj|x)一般不同。另外,P(yj|x)也不好理解。就说上图中圆圈,你说它表示真值函数T(yj|x)好理解, 说它表示P(yj|x)就不好理解。

       定位设备商,赶紧行动吧,把人脑二次定位的方法——语义贝叶斯公式——用到定位地图吧!



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