通導(dǎo)一體化概念框架與關(guān)鍵技術(shù)研究進展

通導(dǎo)一體化概念框架與關(guān)鍵技術(shù)研究進展

蔚保國1,2，鮑亞川1,2，楊夢煥1,2，李建佳1,2，崔宋祚1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

摘 要：通導(dǎo)一體化是綜合PNT體系發(fā)展的重要組成部分和關(guān)鍵方向。對通信導(dǎo)航一體化的概念進行了探討，提出了通信導(dǎo)航彈性融合的概念框架。面向綜合PNT體系需求，設(shè)計了通導(dǎo)一體網(wǎng)絡(luò)化PNT系統(tǒng)架構(gòu)，闡述了通導(dǎo)一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究進展，從通導(dǎo)一體化信號、信道、接收處理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理等多個角度進行了全面系統(tǒng)的梳理和分析；介紹了低軌通導(dǎo)融合、區(qū)域自組網(wǎng)通導(dǎo)融合、5G+UWB協(xié)同等典型成果，并對網(wǎng)信場圖、智能網(wǎng)管、博弈對抗等通導(dǎo)一體化技術(shù)未來發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：通導(dǎo)一體化；綜合PNT；研究進展；概念框架

引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供全球覆蓋、低成本、高精度時空服務(wù)，一經(jīng)問世便在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為國際時空信息服務(wù)的基礎(chǔ)和核心。但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也存在其固有問題。中高軌衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號經(jīng)過數(shù)萬千米傳輸，落地電平低，容易受到樹木、建筑物遮擋，也容易受到其他通信系統(tǒng)甚至惡意干擾的影響。盡管通過信號、系統(tǒng)、接收機等方面優(yōu)化和改進可以提升復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)能力，但無法從根本上解決問題，室內(nèi)地下無法有效覆蓋，城市峽谷遮擋區(qū)域也難以提供連續(xù)、可靠、高精度的導(dǎo)航服務(wù)。

以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心，輔以其他手段，提供覆蓋更廣、精度更高、更加穩(wěn)健的時空服務(wù)，成為當前國際時空技術(shù)領(lǐng)域的共識。通信導(dǎo)航一體化就是核心手段之一，得益于通信極其廣泛的覆蓋性及日益增強的信息傳輸能力，依托通信網(wǎng)絡(luò)對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行補充、備份和增強，展現(xiàn)出顯著的協(xié)同優(yōu)勢。2020年，隨著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并投入使用，我國初步建立了完全自主可控的全球時空服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。面向未來應(yīng)用發(fā)展需求，提出了2035年前構(gòu)建更加泛在、融合、智能的國家綜合定位導(dǎo)航與授時(Positioning Navigation and Timing，PNT)體系的發(fā)展目標[1]。北斗+5G、北斗+低軌、北斗+物聯(lián)網(wǎng)等通導(dǎo)一體技術(shù)作為綜合PNT體系[2]的重要組成部分，成為了該領(lǐng)域研究的熱點方向。

通導(dǎo)一體化是指通信和導(dǎo)航系統(tǒng)通過信號、信息、平臺、網(wǎng)絡(luò)等多層次的一體化設(shè)計，實現(xiàn)通信導(dǎo)航業(yè)務(wù)能力的協(xié)同與增強，其技術(shù)內(nèi)涵橫跨了通信、導(dǎo)航兩大領(lǐng)域方向，屬于交叉學科范疇。

根據(jù)融合程度由淺入深，通導(dǎo)一體化可劃分為信息增強、信號協(xié)同、體制融合三個層次。

信息增強是指通信導(dǎo)航系統(tǒng)保持各自基本體制不變，打通通信與導(dǎo)航系統(tǒng)的信息交互接口，實現(xiàn)服務(wù)能力的互增強。導(dǎo)航系統(tǒng)利用通信傳輸?shù)脑鰪娦畔ⅲ瑢崿F(xiàn)精度、抗干擾能力等性能提升；通信系統(tǒng)利用導(dǎo)航定位信息輔助優(yōu)化組網(wǎng)，提升通信性能。目前輔助式全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Assisted Global Navigation Satellite System，A-GNSS)即屬于此類融合應(yīng)用。

信號協(xié)同是指直接利用通信信號進行導(dǎo)航定位授時，或者利用導(dǎo)航信號進行信息傳輸，從而實現(xiàn)通信導(dǎo)航系統(tǒng)在功能上的相互備份。目前廣泛開展的基于Wi-Fi、藍牙、超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)等通信系統(tǒng)的定位技術(shù)研究就屬于這一范疇。

體制融合是指在系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)之初，即同步考慮了通信導(dǎo)航需求，進行了通信導(dǎo)航信號體制的一體化設(shè)計，進而研制出兼具通信導(dǎo)航能力的系統(tǒng)設(shè)備，提供通導(dǎo)一體化服務(wù)。4G/5G移動系統(tǒng)設(shè)計了定位參考信號，就屬于此類范疇。

通導(dǎo)一體化的主體對象包括相互獨立的通信與導(dǎo)航協(xié)同系統(tǒng)和體制融合的通導(dǎo)一體系統(tǒng)。前者主要以北斗系統(tǒng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的協(xié)同應(yīng)用為典型代表。

北斗與移動通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，一方面是室外用信息輔助北斗精度增強，為大眾及行業(yè)應(yīng)用提供亞米級、分米級、厘米級甚至毫米級高精度定位；另一方面，室內(nèi)用通導(dǎo)一體信號補充北斗盲區(qū)，解決在城市樓宇、室內(nèi)地下等北斗無法覆蓋區(qū)域的連續(xù)無縫定位覆蓋問題。

北斗與低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的協(xié)同，利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號落地電平高、幾何構(gòu)型變化快、覆蓋范圍廣的特點，一方面可直接播發(fā)導(dǎo)航信號，與北斗系統(tǒng)聯(lián)合定位，實現(xiàn)更好的導(dǎo)航信號覆蓋性；另一方面，通過通信鏈路傳輸輔助信息，可實現(xiàn)全球范圍的快速亞米級定位。

體制融合的通導(dǎo)一體系統(tǒng)也在快速發(fā)展中。典型代表是面向群體導(dǎo)航的區(qū)域自組網(wǎng)通導(dǎo)融合系統(tǒng)，這類系統(tǒng)基于通導(dǎo)一體化的信號、組網(wǎng)協(xié)議與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，無需基站網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)互為主體的相對定位、群組智能導(dǎo)航以及通信能力，可為未來智能化無人集群提供靈活有力的時空和通信保障。

通導(dǎo)一體化系統(tǒng)的核心是基于通信導(dǎo)航融合設(shè)計與協(xié)同應(yīng)用形成新質(zhì)服務(wù)能力，因此相較于傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成要素更為多樣化，各類要素的多樣化組合也是其顯著性差異。

從資源、模式、服務(wù)等不同維度對通導(dǎo)一體化系統(tǒng)進行系統(tǒng)要素梳理，如圖1所示。資源要素主要包括頻譜、能量、平臺、時空、網(wǎng)絡(luò)等與各類通信導(dǎo)航設(shè)計與能力有關(guān)的物理資源；模式要素包括信號一體、信道一體、處理一體、應(yīng)用一體等通導(dǎo)一體化融合模式設(shè)計；服務(wù)要素，即通導(dǎo)一體實現(xiàn)的各類網(wǎng)絡(luò)化增強服務(wù)，包括智能位置服務(wù)、群體導(dǎo)航服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)同步服務(wù)等。

圖1 通信導(dǎo)航一體化系統(tǒng)要素

Fig.1 Models and elements of communication?and navigation integration

通導(dǎo)一體化系統(tǒng)要素的組合方式以及協(xié)同融合的目標途徑，將以通導(dǎo)一體化新質(zhì)能力為導(dǎo)向：

從定位能力走向位置服務(wù)能力，需要通導(dǎo)融合拓展智能服務(wù)；

從高精度能力走向高可用能力，需要通導(dǎo)融合拓展可用度服務(wù)；

從個體絕對定位能力走向群體絕對-相對導(dǎo)航能力，需要通導(dǎo)融合拓展群體導(dǎo)航服務(wù)；

從衛(wèi)導(dǎo)授時能力走向網(wǎng)絡(luò)同步能力，需要通導(dǎo)融合拓展網(wǎng)絡(luò)同步服務(wù)；

從規(guī)則驅(qū)動走向時空驅(qū)動，需要通導(dǎo)融合拓展服務(wù)網(wǎng)絡(luò)管控新模式。

通導(dǎo)一體化五大新質(zhì)能力的構(gòu)建，將引領(lǐng)時空信息系統(tǒng)及服務(wù)模式朝向網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進，最終提供大容量高并發(fā)高精度實時可信位置服務(wù)。

通導(dǎo)一體化的基本思想是彈性融合，即通信導(dǎo)航資源靈活組合，實現(xiàn)適應(yīng)不同場景、滿足不同需求的通信導(dǎo)航協(xié)同增值服務(wù)。通信導(dǎo)航彈性融合包含以下三層含義：

通信導(dǎo)航資源能量分配彈性，在通信資源與導(dǎo)航資源配置之間尋求最優(yōu)組合效果，在通導(dǎo)一體化能量分配方面尋求動態(tài)平衡；

通導(dǎo)一體化服務(wù)能力彈性，通信導(dǎo)航系統(tǒng)通過資源靈活配置，實現(xiàn)能力互補與協(xié)同增強，通信導(dǎo)航服務(wù)能力可以按需調(diào)整，以適應(yīng)各類環(huán)境;

通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)彈性，通信導(dǎo)航系統(tǒng)互聯(lián)互通，采用互為主體、分布式網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)架構(gòu)，支持網(wǎng)絡(luò)組成、架構(gòu)、拓撲靈活調(diào)整，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堅韌抗毀。

要實現(xiàn)通導(dǎo)一體化彈性融合需要從融合設(shè)計、新型技術(shù)以及服務(wù)架構(gòu)等方面尋求突破。如圖2所示，融合設(shè)計包括進行通信導(dǎo)航信號級、信道級、處理級、應(yīng)用級、管理級的深度融合；新型技術(shù)包括通導(dǎo)融合網(wǎng)絡(luò)中亟待突破的智能位置服務(wù)、高可用導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)時間同步以及智能網(wǎng)管等；服務(wù)機制包括通導(dǎo)融合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中不可或缺的服務(wù)參數(shù)模板、標準化協(xié)議棧以及云平臺級服務(wù)等手段。

圖2 通導(dǎo)一體化融合途徑

Fig.2 Path of communication and navigation integration

通信導(dǎo)航彈性融合架構(gòu)是通過靈活高效的體系架構(gòu)、服務(wù)模式、應(yīng)用協(xié)議設(shè)計，實現(xiàn)通信導(dǎo)航系統(tǒng)資源的動態(tài)組合；面向高性能/高精度時空服務(wù)需求，通信導(dǎo)航協(xié)同賦能，實現(xiàn)時空服務(wù)指標精度提升；面向惡劣或強對抗環(huán)境，通信導(dǎo)航相互支撐、互為備份，提供高可靠的時空與通信服務(wù)，最終形成按需彈性伸縮、環(huán)境自主適應(yīng)的互聯(lián)互增強網(wǎng)絡(luò)化時空服務(wù)能力。圖3所示為以北斗三號為核心的通信導(dǎo)航彈性融合框架。

圖3 通信導(dǎo)航彈性融合框架

Fig.3 Flexible integration of communication and navigation

這一架構(gòu)的核心在于多模組網(wǎng)、統(tǒng)一基準、標準協(xié)議、彈性服務(wù)。綜合考慮天基、地基各類通信導(dǎo)航系統(tǒng)，在統(tǒng)一的時空基準支持下，基于多樣化的標準協(xié)議，形成一系列適應(yīng)于不同環(huán)境需求的彈性PNT服務(wù)和彈性通信服務(wù)能力。

通導(dǎo)一體化技術(shù)的演進表現(xiàn)為時空服務(wù)體系的演進。如圖4所示，通導(dǎo)一體網(wǎng)絡(luò)化時空服務(wù)體系由天地聯(lián)合時間基準、通導(dǎo)一體化協(xié)同增強PNT、云端協(xié)同PNT服務(wù)監(jiān)測、PNT按需服務(wù)協(xié)議及機制組成。以彈性通信與彈性導(dǎo)航服務(wù)為牽引，將通信與導(dǎo)航、感知網(wǎng)絡(luò)緊密協(xié)同，解決時空基準統(tǒng)一維持、PNT信息統(tǒng)一表達、全網(wǎng)信息互聯(lián)互通協(xié)議、多源天地融合增強等科學問題，將可形成泛在化、協(xié)同化、智能化PNT信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系，提供新質(zhì)的體系級時空服務(wù)能力，主要有以下幾個方面：

圖4 通導(dǎo)一體網(wǎng)絡(luò)化時空服務(wù)體系

Fig.4 Communication and navigation integrated time-space service system

1) 網(wǎng)絡(luò)化時空基準建立與維持能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化無中心基準建立、維持與傳遞；

2) PNT服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化傳遞，支持PNT資源協(xié)同、調(diào)度，實現(xiàn)按需服務(wù)；

3) PNT能力網(wǎng)絡(luò)化增強，基于內(nèi)生于網(wǎng)信體系的時空服務(wù)機制設(shè)計，實現(xiàn)更加泛在、智能的PNT服務(wù)能力；

4) PNT安全網(wǎng)絡(luò)化保障，設(shè)計云端協(xié)同的PNT監(jiān)測感知與可信機制，實現(xiàn)更加安全可靠的PNT服務(wù)。

通導(dǎo)一體化作為前沿交叉融合領(lǐng)域技術(shù)，受到學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視?；谛畔⑾到y(tǒng)研發(fā)的流程要素考慮，目前通導(dǎo)一體化研究包括通導(dǎo)一體化信號設(shè)計、通導(dǎo)一體化信道模型、通導(dǎo)一體化信號處理、通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)管理等多個方面。

4.1 通導(dǎo)一體化信號設(shè)計

隨著通信與導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展迭代，兩者之間的耦合關(guān)系不僅要滿足于系統(tǒng)層面，還要實現(xiàn)通信導(dǎo)航彈性融合，信號的高效兼容設(shè)計是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。在信號體制上的通信與定位一體化設(shè)計逐漸成為當下研究的熱點。國內(nèi)外學者針對通導(dǎo)融合信號體制設(shè)計做了大量研究，主要包括基于移動通信及其他通信系統(tǒng)的信號設(shè)計。表1對通導(dǎo)一體化信號設(shè)計領(lǐng)域的相關(guān)文獻進行了歸納和總結(jié)。

表1 通導(dǎo)一體化信號文獻歸納和總結(jié)

Tab.1 Classification and summary of the literatures on integrated communication and navigation signal

基于移動通信網(wǎng)的信號設(shè)計研究方向主要分為5G定位參考信號(Positioning Reference Signal，PRS)與時分碼分正交頻分復(fù)用(Time division Code division Orthogonal Frequency Division Multiplexing，TC-OFDM)兩種。5G標準中定義了數(shù)種參考信號，其中包括專門用于定位的PRS[3]，其商用定位精度達到亞米級。已有大量文獻對PRS的參數(shù)配置原則進行了研究，包括對不同梳狀結(jié)構(gòu)、中心頻率、子載波間隔等性能的仿真對比，以及對定位精度克拉美羅下界的分析[4-6]。G.Destino等[7]提出了一種基于貪婪搜索的PRS小區(qū)或波束選擇算法，以提高OTDOA的定位估計精度；H.J.Kim等[8]提出了一種適用于多PRS傳輸?shù)牧炕`差減小方法，該方法采用新型采樣結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)PRS具有更高分辨率。TC-OFDM信號則由北京郵電大學鄧中亮[9]團隊提出，在通信信號背景噪聲中嵌入定位信號，通信的同時實現(xiàn)定位信號的連續(xù)捕獲和跟蹤。王如霞等[10]提出了一套定位信號性能評估方法，針對TC-OFDM通導(dǎo)融合信號體制中的定位信號，從捕獲跟蹤精度、抗干擾、兼容性等方面進行評估。孫世華[11]提出了基于博弈論的功率分配算法，實現(xiàn)了TC-OFDM信號在廢墟環(huán)境下定位性能的提高。

除了基于移動通信網(wǎng)的通導(dǎo)融合信號體制設(shè)計，國內(nèi)外學者還對基于其他通信系統(tǒng)的通導(dǎo)融合信號設(shè)計進行了研究。馮奇[12]提出了基于向量正交頻分復(fù)用信號，將一個碼間干擾信道劃分為多個向量子信道，其向量維數(shù)可以靈活設(shè)計，實現(xiàn)了衛(wèi)星系統(tǒng)的通信與導(dǎo)航一體化。宋詩斌[13]結(jié)合X射線脈沖導(dǎo)航和X射線通信兩種技術(shù)優(yōu)勢，提出了X射線導(dǎo)航通信一體化信號，為深空探測提供了高性能的通信與導(dǎo)航服務(wù)。L.Han等[14]針對物聯(lián)網(wǎng)終端定位需求的差異性，通過非正交多址接入技術(shù)將不同時長和帶寬的共頻帶定位信號分配給不同用戶，實現(xiàn)了通信與定位性能的最大化。許笑笑[15]提出了基于擴頻調(diào)制的通信導(dǎo)航一體化波形設(shè)計，并對通信與導(dǎo)航分量的相互影響進行了評估。劉江[16]從信號調(diào)制的角度研究通信導(dǎo)航信號的融合方法，提出了一種頻域復(fù)合OFDM調(diào)制方法，將擴頻序列應(yīng)用于頻域調(diào)制，并與通信系統(tǒng)中的OFDM相結(jié)合，從而實現(xiàn)通導(dǎo)信號良好的兼容性。程鵬[17]提出了基于正交時頻空間調(diào)制(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)的通信測距一體化信號體制，能夠?qū)崿F(xiàn)高速場景下的高精度定位授時。吳迪[18]設(shè)計了一種UWB定位和通信一體化的通信幀，在基本不降低現(xiàn)有定位精度的前提下，實現(xiàn)UWB室內(nèi)定位和通信的一體化，以提高資源利用率。中國電科導(dǎo)航國家重點實驗室的李建佳等[19]分析了IEEE 802.15.4協(xié)議下的UWB通導(dǎo)一體化信號，驗證了降低脈沖重復(fù)頻率可提升測距精度的結(jié)論。如圖5所示，導(dǎo)航國家重點實驗室還進行了基于5G F-OFDM體制的通導(dǎo)融合試驗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，室內(nèi)定位精度優(yōu)于1m。

圖5 中國電科導(dǎo)航國家重點實驗室通導(dǎo)融合試驗網(wǎng)絡(luò)

Fig.5 Integrated communication and navigation test network of CePNT

4.2 通導(dǎo)一體化信道模型

信道是無線電信號傳輸?shù)拿浇?，用戶和發(fā)射機之間的無線鏈路受到多徑、衰落等因素的影響。信道衰落與接收信號強度密切相關(guān)，進而降低通信速率。多徑則直接影響導(dǎo)航信號的測距精度，是定位誤差的主要來源之一。因此，無論是通導(dǎo)一體化信號處理算法設(shè)計，還是定位導(dǎo)航性能的預(yù)測和評估，研究描述通導(dǎo)一體化信號傳播特性的信道模型都是必不可少的。

如圖6所示，通導(dǎo)一體化信道模型可以分為三大類：統(tǒng)計性模型、確定性模型和混合模型。統(tǒng)計性模型反映信道的全局行為，能夠歸納出信道的重要參數(shù)，計算量較小。確定性方法則采用復(fù)雜的電磁模型，通過復(fù)現(xiàn)真實場景實現(xiàn)電磁波與本地環(huán)境交互過程的建模，計算量很大?；旌夏Ｐ蛣t試圖在上述兩種方法中間找到合適的平衡點，在計算量適中的前提下保持較好的模型精度。

圖6 通導(dǎo)一體化信道模型

Fig.6 Channel model of integrated?communication and navigation

統(tǒng)計性模型不需要詳細的環(huán)境信息，在許多物理假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過大量的實驗數(shù)據(jù)獲取多徑數(shù)目、多普勒頻移拓展、功率延遲拓展等概率密度分布。根據(jù)信號帶寬的大小，統(tǒng)計性傳播模型可以分為窄帶衰落模型和寬帶衰落模型。經(jīng)典的窄帶衰落模型包括Loo模型[20]、Corazza-Vatalaro模型[21]、Suzuki模型[22]、Lutz模型[23]、Perez-Fontan模型[24]等。這些信道模型采用面向狀態(tài)方式，每種狀態(tài)對應(yīng)不同的參數(shù)化衰落分布，以適應(yīng)不同的衰落波動，從而實現(xiàn)信道的動態(tài)建模。寬帶衰落模型則適用于寬帶信號，能夠考慮多徑幅度、相位、頻移等因素的影響，常用的寬帶衰落建模方法包括P.A.Bello[25]提出的廣義平穩(wěn)非相關(guān)假設(shè)(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS)模型。該模型假設(shè)時域與頻域具有廣義非平穩(wěn)特性，并且時延與多普勒頻移不相關(guān)，廣泛應(yīng)用于寬帶移動通信領(lǐng)域[26]。Turin等提出了S-V模型，并由Saleh和Valenzuela在對室內(nèi)多徑傳播建模過程中規(guī)范化[27]，成為一種廣受認可的UWB信道模型。S-V模型著重于擬合非視距(Non Line of Sight, NLOS)信道環(huán)境[28]，來自同一個超寬帶窄脈沖的多徑分量以簇的形式到達接收機，簇和內(nèi)部脈沖的多徑分量的抵達時間均符合泊松分布，其增益都是獨立不相關(guān)的，簇和簇內(nèi)脈沖平均功率服從指數(shù)衰減，而多徑信號増益服從瑞利分布，相位服從[0,2π)均勻分布。IEEE 802.15工作組對S-V模型進行了修正，將多徑信號增益改為服從對數(shù)正態(tài)分布而不是瑞利分布，修正后的S-V模型成為IEEE 802.15.3和802.15.4標準的UWB信道模型。

確定性模型通過物理-電磁模型表示電磁波與本地環(huán)境的交互作用，從而復(fù)現(xiàn)真實場景?；谖锢砉鈱W和一致性繞射理論的射線跟蹤(Ray-Tracing，RT)被廣泛應(yīng)用。李雅寧等[29]利用RT理論分析了室內(nèi)北斗偽衛(wèi)星信號的傳播特性。周安東[30]利用RT理論建立了毫米波室內(nèi)傳播模型。求杰超[31]從室內(nèi)定位角度出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于射線追蹤的室內(nèi)信號信道模型，通過歷史路徑匹配算法復(fù)用歷史數(shù)據(jù),提升射線追蹤算法的計算效率，從而減少計算資源開銷、降低傳播分析的運行時間。

混合模型則是統(tǒng)計性模型和確定性模型之間的平衡方法?；旌夏Ｐ屠媒y(tǒng)計數(shù)據(jù)優(yōu)化計算時間，同時使用電磁物理模型或測量調(diào)整來保持近似于實際的結(jié)果。與統(tǒng)計模型相比，混合模型更加精確；與確定性方法相比，計算復(fù)雜度大大降低。C.Oestges等[32]在2000年提出了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)混合信道建模的具體方法。A.Lehner[33]建立了衛(wèi)星導(dǎo)航多徑信道模型，該模型已被國際電信聯(lián)盟采納，用于各種環(huán)境下行人和車輛的衛(wèi)星導(dǎo)航。

4.3 通導(dǎo)一體化信號接收處理

以上述通導(dǎo)融合信號體制為基礎(chǔ)，國內(nèi)外學者在處理、信道、網(wǎng)絡(luò)與管理等方面做了大量研究，其中信號處理是通導(dǎo)融合技術(shù)研究進展中最重要的研究方向之一，直接關(guān)系到通信與定位性能的優(yōu)劣，主要包括針對通導(dǎo)融合系統(tǒng)的信息處理與信號處理兩方面。

在通導(dǎo)融合系統(tǒng)信息處理方面，國內(nèi)外學者針對接收端的定位解算、位置估計、系統(tǒng)精確授時等方面做了大量研究。其中，張正舵等[34]提出了一種基于TC-OFDM信號的室內(nèi)定位算法，通過氣壓測高獲得高度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了垂直定位精度0.5m以內(nèi)的室內(nèi)三維空間定位；宋詩斌[13]針對X射線導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)精確時間服務(wù)問題，提出了利用脈沖星計時觀測實現(xiàn)深空自主授時的方法，實現(xiàn)了深空條件下系統(tǒng)的自主授時；張書楠[35]提出了一種基于最大路徑增益的壓縮感知毫米波TOA估計算法，根據(jù)TOA所在徑的路徑增益大的條件，剔除傳統(tǒng)壓縮感知算法重構(gòu)出來不滿足要求的元素，能夠?qū)?G毫米波信號時延估計時間減少約48.1%；Z.Lin等[36]采用基于高維線性插值的預(yù)處理方法對接收到的所有頻段的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，充分利用寬帶毫米波系統(tǒng)提供的高時間分辨率進行位置估計，提高垂直定位精度；E.Y.Menta等[37]針對通導(dǎo)融合網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位中多個基站接收鏈路之間射頻時鐘漂移引起的相位隨時間變化問題，提出了一種校準補償相位偏移的方案，可提高網(wǎng)絡(luò)側(cè)AOA定位性能。

在通導(dǎo)融合系統(tǒng)信號處理方面，國內(nèi)外學者針對接收信號解調(diào)處理、通信與導(dǎo)航兼容性等方面做了大量研究。其中，劉江[16]基于頻域復(fù)合OFDM的通導(dǎo)融合系統(tǒng)，提出了時域相關(guān)法、強制電平轉(zhuǎn)換法、頻域相關(guān)法三種接收模式，明顯改善了通信與導(dǎo)航分量之間的兼容性；孫世華[11]提出了基于博弈論的功率分配及控制算法，集中發(fā)射信號能量以提高5G通導(dǎo)融合信號的抗干擾能力；何迪等[38]等提出了一種基于非線性多基站分布式混沌隨機共振信號增強技術(shù)的無線通信系統(tǒng)定位方法，將低信噪比下的通導(dǎo)融合接收信號質(zhì)量提高3dB左右；卞玉軍[39]提出了基于改進最小二乘信道估計的綜合迭代時延估計干擾消除算法，降低時延估計的時間，提高信號時延的檢測精度，從而提高定位精度；S.Lu[40]對毫米波通信中涉及的波束形成和通信定位集成進行了分析和設(shè)計，利用位置信息使波束實時跟蹤通信終端，以滿足移動通信的傳輸需求；X.Li等[41]提出了一種基于Rake接收機的主從接收方案，利用導(dǎo)航信號估計Rake接收機的參數(shù)，有效抑制多徑干擾對通信信號的影響，從而提高通信質(zhì)量。

4.4 通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)是通信系統(tǒng)最重要的組成部分之一，對于以通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的通導(dǎo)一體化系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡(luò)同樣是需要考慮的重要因素，成熟的組網(wǎng)機制與架構(gòu)決定著通導(dǎo)一體化系統(tǒng)的服務(wù)能力與可靠性。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大量研究人員針對通導(dǎo)一體化的研究集中在通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上，研究方向分為組網(wǎng)機制、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方面。表2對通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)領(lǐng)域的相關(guān)文獻進行了歸納和總結(jié)。

表2 通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)文獻歸納和總結(jié)

Tab.2 Classification and summary of the literatures on integrated communication and navigation network

在組網(wǎng)機制方面，北京郵電大學的尹家兵針對TC-OFDM通導(dǎo)融合系統(tǒng)實際應(yīng)用中易受環(huán)境影響的問題，提出了一種適用于室外遠距離的組網(wǎng)方案，試驗結(jié)果表明，該組網(wǎng)機制能夠有效適應(yīng)復(fù)雜地理環(huán)境[42]。國防科技大學的王東會面向衛(wèi)星通導(dǎo)融合星間鏈路組網(wǎng)[43]，提出了一種基于整網(wǎng)平均觀測幾何精度因子與整網(wǎng)平均鏈路傳輸時延綜合加權(quán)的鏈路代價最小化的鏈路分配機制，結(jié)果表明，該方法的通信測距性能明顯優(yōu)于以往的網(wǎng)狀鏈路分配機制，整網(wǎng)平均觀測幾何精度因子低至1.34。北京郵電大學的孫世華結(jié)合博弈論提出了5G通導(dǎo)一體化的多用戶接入沖突控制機制，根據(jù)終端的不同業(yè)務(wù)類型進行分組，并在接入資源中采取不同的限制條件，按接入終端優(yōu)先級確定順序[11]。中國電科導(dǎo)航國家重點實驗室的崔宋祚等[44]對5G+UWB通導(dǎo)一體化系統(tǒng)信號間兼容性進行分析，提出了分布式低功率微基站部署方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)通信性能不受影響情況下定位性能的顯著提高。圖7和圖8所示分別為UWB+5G通導(dǎo)一體化系統(tǒng)定位精度和通信誤碼率。

圖7 UWB與5G通導(dǎo)一體化系統(tǒng)定位精度

Fig.7 Positioning accuracy of UWB and 5G integrated system

圖8 UWB與5G通導(dǎo)一體化系統(tǒng)通信誤碼率

Fig.8 Bit error rate of UWB and 5G integrated system

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，中興通訊的陳詩軍等結(jié)合5G通導(dǎo)一體化架構(gòu)發(fā)展趨勢，提出了一種帶內(nèi)高精度定位網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，并針對該架構(gòu)下同步、首徑信號檢測等關(guān)鍵技術(shù)進行闡述，實現(xiàn)通信網(wǎng)與定位網(wǎng)的平滑融合[45]；中國聯(lián)通的黃曉明等聚焦于提高室內(nèi)定位精度與室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位，提出了一種面向5G的異構(gòu)融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為同時解決定位精度和定位覆蓋兩大核心問題提供了一種解決思路[46]；西南交通大學的趙慶賀對目前具有定位能力的無線網(wǎng)絡(luò)進行分析，并對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行研究，根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與位置指紋的特點構(gòu)建具有位置指紋定位功能的無線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)[47]；西安電子科技大學的黎亞通過使用格形網(wǎng)絡(luò)的分析模型以及時變圖的方式對網(wǎng)絡(luò)進行建模，對天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行評估[48]。中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院進行了低軌通導(dǎo)一體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，并進行了系統(tǒng)級實踐，于2019年發(fā)射了中電網(wǎng)通一號01/02兩顆通導(dǎo)遙一體化試驗衛(wèi)星(如圖9所示)，搭載自研低軌導(dǎo)航試驗載荷，率先驗證了北斗+低軌協(xié)同定位能力，定位精度優(yōu)于1m。

圖9 中電網(wǎng)通一號A/B星

Fig.9 Zhongdian Wangtong 1A/B satellite

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，北京郵電大學的尹露等分析了GNSS/5G集成通導(dǎo)一體化系統(tǒng)，針對5G通信系統(tǒng)中GNSS和D2D的綜合測量方法，提出了一種高效的交叉多路測距定位D2D測量協(xié)議，該協(xié)議較傳統(tǒng)方法可節(jié)約更多通信資源[49]；中國移動的張欣旺等提出了一種通信·導(dǎo)航·物聯(lián)一體化的5G室內(nèi)通導(dǎo)聯(lián)一體化網(wǎng)絡(luò)，通過在室分天線內(nèi)部集成藍牙模塊，使其具備下行藍牙定位、廣告信息推送、鏈路損耗檢測、上行物聯(lián)收集和上行藍牙定位等功能，該技術(shù)方案可應(yīng)用于智慧醫(yī)療場景中，提供智慧導(dǎo)診、設(shè)備管理、安防管理、后備保障和一鍵告警等服務(wù)[50]；中國電子科學研究院的鄭作亞等通過梳理國內(nèi)外通導(dǎo)遙融合發(fā)展歷史，提出了網(wǎng)絡(luò)信息體系思維下基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的通導(dǎo)遙融合的立體式天基網(wǎng)絡(luò)信息體系架構(gòu)設(shè)想[51]。

4.5 通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)管理

通信導(dǎo)航的彈性融合服務(wù)能力需要創(chuàng)新的通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)管理方法作支撐。為了提供高質(zhì)量的通導(dǎo)一體化服務(wù)，除了通導(dǎo)一體化信號設(shè)計、信道模型、信號處理和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等工作之外，還需要加強從信號源到終端用戶的網(wǎng)絡(luò)管理，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)管理包括兩方面，網(wǎng)絡(luò)管理新技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用新模式。

通導(dǎo)一體網(wǎng)絡(luò)管理是指通過規(guī)劃、配置、監(jiān)視、分析、擴充和控制通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)以保證通信導(dǎo)航服務(wù)的有效實現(xiàn)。根據(jù)ISO的定義，網(wǎng)絡(luò)管理的5個基本功能是：故障管理、配置管理、計費管理、性能管理和安全管理[52]。故障管理是對通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)運行服務(wù)異常、設(shè)備安裝環(huán)境異常進行管理。配置管理是對網(wǎng)絡(luò)單元的配置、業(yè)務(wù)資源的投入、開/停業(yè)務(wù)等進行管理。計費管理是通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)的使用情況，計算使用通信定位導(dǎo)航授時業(yè)務(wù)的應(yīng)收費用，并對收費過程提供支持。性能管理是對通信、定位、導(dǎo)航、授時性能進行評估，如網(wǎng)絡(luò)連通性、通信速率、誤碼率、定位精度、授時精度等性能的測試、分析及控制。安全管理主要提供對網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全保護能力，主要有接入及用戶權(quán)限管理、安全審查、安全告警處理等。曹菁菁等[53]提出，通過在通信網(wǎng)絡(luò)管理中引入空間信息、時間信息等多維管理數(shù)據(jù)，能夠有效補充管理空白，提高故障處理及時率，提升網(wǎng)絡(luò)管理效率。北京航空航天大學的景貴飛[54]針對通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)，提出了七種單元組成的四層綜合時空體系網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)框架，并對各部分的業(yè)務(wù)管理能力進行了簡要分析和理論探討。

通導(dǎo)一體網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用包括安全應(yīng)急管理、智能化管理服務(wù)和特殊場景下監(jiān)測管理等。

在安全應(yīng)急管理方面，火箭軍工程大學的向貴虎等提出了北斗衛(wèi)星通導(dǎo)一體實時監(jiān)控野外人員與車輛的監(jiān)控系統(tǒng)，野外車輛與人員搭載北斗終端，通過報文形式將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，中心將信息以態(tài)勢圖呈現(xiàn)于地圖上[55]；東華大學的李永樂基于北斗導(dǎo)航與Android平臺設(shè)計了老人通導(dǎo)一體化定位急救系統(tǒng)，完成了定位系統(tǒng)服務(wù)器、軟件界面設(shè)計，實現(xiàn)了老人走失定位、上傳救援信息等功能[56]；吳雨等提出了以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為核心，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)、遙感等技術(shù)部署相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)以遙感衛(wèi)星為核心，輔以無人機、衛(wèi)星通信定位實現(xiàn)自然災(zāi)害預(yù)防，自然災(zāi)害應(yīng)對階段以通信、導(dǎo)航、遙感等天基系統(tǒng)為基礎(chǔ)，5G、區(qū)塊鏈為橋梁的實時檢測和智能調(diào)度系統(tǒng)[57]。

在智能化管理方面，閆東磊等提出了服務(wù)“一帶一路”沿線國家的衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)設(shè)想，針對多樣化需求、多任務(wù)協(xié)同規(guī)劃調(diào)度，設(shè)計了與通信衛(wèi)星、氣象/海洋/資源衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、沿線國家衛(wèi)星的運行流程及接口關(guān)系，基于通導(dǎo)遙衛(wèi)星提供覆蓋“一帶一路”沿線的通信、遙感、導(dǎo)航服務(wù)，可用于氣象預(yù)測、環(huán)境監(jiān)測、智能管控[58]；北京郵電大學的蔣天潤提出了基于MS-NOMA通導(dǎo)一體化信號體制的災(zāi)后環(huán)境下的智能管理系統(tǒng)，終端使用MS-NOMA信號使用上行信號通信基站，基站間使用上行信號互聯(lián)互通，使用下行信號定位終端以及下達控制信號，試驗表明，該方法比傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)精度更高、用戶干擾更小[59]。

在特殊場景下的監(jiān)測管理方面，張銳等提出了通導(dǎo)遙一體化技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護管理體系中，基于北斗、高分衛(wèi)星與5G結(jié)合的通導(dǎo)一體化系統(tǒng)，以動靜態(tài)數(shù)據(jù)融合挖掘為特點，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法管理模式，明確目標、及時管理，提高了巡查工作效率[60]；上海海洋大學的王世明等基于北斗通導(dǎo)一體化系統(tǒng)，結(jié)合多種氣象傳感器，將氣象傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)管控中心處理后，結(jié)合浮標上傳回的北斗位置信息，對海洋浮標進行管控信息傳遞，高效穩(wěn)定地實時監(jiān)控處理大量海洋浮標[61]；郁文晉等結(jié)合海警現(xiàn)有的中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)、INMARSAT-F站、Codan NGT SR等設(shè)備，通過機艙數(shù)據(jù)、油水艙等有關(guān)艙艇的主要工況信息，對實時顯示數(shù)據(jù)與實時位置進行監(jiān)控管理[62]。表3對通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)管理文獻進行了歸納和總結(jié)。

表3 通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)管理文獻歸納和總結(jié)

Tab.3 Classification and summary of the literatures on integrated communication and navigation network management

5.1 網(wǎng)信場圖

隨著數(shù)字孿生和無線環(huán)境圖技術(shù)的發(fā)展，未來通導(dǎo)一體化朝著網(wǎng)絡(luò)-信號-電磁場-地圖一體化的方向演進。數(shù)字孿生通過數(shù)字化刻畫、仿真現(xiàn)實世界物理對象，實現(xiàn)物理對象和數(shù)字孿生模型的雙向映射和交互反饋，可用于可視化分析和態(tài)勢感知。

但是，現(xiàn)有數(shù)字孿生僅局限于智能制造和地理空間應(yīng)用層面，需進一步結(jié)合PNT網(wǎng)絡(luò)、信號、電磁場強分布、地理空間，構(gòu)建空間基準+地理底盤+電磁+信號網(wǎng)絡(luò)等層次的深度數(shù)字孿生地圖，增強通信信息傳輸和導(dǎo)航定位服務(wù)。

與現(xiàn)有通導(dǎo)一體化僅包含通信導(dǎo)航信號、網(wǎng)絡(luò)層面融合不同，網(wǎng)信場圖一體化借助數(shù)字孿生技術(shù)，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)、信號、電磁場、高精度地圖等多個層面的一體化融合，可適用于通信、定位、測向、雷達、遙感等無線電領(lǐng)域。

5.2 智能網(wǎng)管

智能網(wǎng)管具備對通信和導(dǎo)航的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)綜合控制的能力，根據(jù)終端用戶對通信速率、時延、定位精度、定位頻次等不同的QoS需求，能夠智能分配和調(diào)度資源，滿足不同用戶對通導(dǎo)一體化QoS的需求。借助深度數(shù)字孿生地圖，未來有望實現(xiàn)PNT網(wǎng)絡(luò)在線優(yōu)化管控與服務(wù)增強。通過孿生地圖生成場景和測量信息，網(wǎng)圖約束信息輔助多源融合連續(xù)定位，輔助物理PNT網(wǎng)絡(luò)增強定位導(dǎo)航性能，能夠提升用戶定位精度、完好性和導(dǎo)航控制可靠性。借助于深度數(shù)字孿生地圖的優(yōu)勢，通過虛實協(xié)同，未來能夠?qū)崿F(xiàn)智能化PNT網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢管控。

5.3 博弈對抗

在通信導(dǎo)航一體化網(wǎng)絡(luò)中，如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的通信和導(dǎo)航信號在時隙、帶寬、功率等方面的動態(tài)優(yōu)化分配是一個重要問題，也是實現(xiàn)通信導(dǎo)航智能化彈性融合的關(guān)鍵。博弈論是研究具有斗爭或競爭性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學理論和方法，通過建立通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)中通信導(dǎo)航?jīng)_突與合作的數(shù)學模型，有望解決通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)分配難題。未來，演化博弈、斯坦伯格博弈等經(jīng)典博弈理論有望在通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。

在一體化、智能化、無人化發(fā)展的大趨勢下，通信導(dǎo)航一體化作為需求最為迫切、應(yīng)用前景最為廣泛、實現(xiàn)途徑最為多樣的重要方向，在近年來已經(jīng)逐步由理論概念走向了應(yīng)用實踐。各類通導(dǎo)一體化系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，更多更加先進的通導(dǎo)一體化體制設(shè)計與軍民系統(tǒng)也處于快速發(fā)展和不斷完善中，通信導(dǎo)航一體化將是解決目前室內(nèi)外連續(xù)無縫地位、無人駕駛高精度導(dǎo)航控制等領(lǐng)域難題的關(guān)鍵手段。可預(yù)見的是，通信導(dǎo)航一體化將在城市空間、智能交通、軍事保障等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛和重要應(yīng)用，在國家綜合PNT體系發(fā)展建設(shè)中發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。

本文轉(zhuǎn)載自“導(dǎo)航定位與授時”，原標題《通導(dǎo)一體化概念框架與關(guān)鍵技術(shù)研究進展》。

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共同實現(xiàn)更高價值，

共同見證商業(yè)航天更大的跨越！

——《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》，觀察，記錄，傳播，引領(lǐng)。