前沿 | 北斗+5G融合定位技術(shù)研究

摘要：

衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，其所提供的定位、導(dǎo)航和授時(shí)等服務(wù)已經(jīng)逐漸為人們熟悉并依賴。衛(wèi)星導(dǎo)航定位解決了室外空曠區(qū)域定位的基本需求問(wèn)題，在室外空曠區(qū)域北斗系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供較為可靠的定位結(jié)果，但衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法覆蓋室內(nèi)，難以滿足必要的定位條件。5G系統(tǒng)具有密集組網(wǎng)、大帶寬和多天線等對(duì)定位有利的條件，通過(guò)北斗與5G的深度融合，可構(gòu)建室內(nèi)外無(wú)縫定位體系，滿足日益增長(zhǎng)的泛在定位需求。分析了北斗+5G融合定位的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了幾種典型的融合定位技術(shù)，最后通過(guò)仿真對(duì)融合定位技術(shù)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。2020年7月31日，北斗三號(hào)系統(tǒng)建成開(kāi)通并提供全球服務(wù)，北斗系統(tǒng)進(jìn)入全面推廣應(yīng)用的新階段。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位解決了室外空曠區(qū)域定位的基本需求問(wèn)題，在室外空曠區(qū)域北斗系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供較為可靠的定位性能，尤其是北斗增強(qiáng)的區(qū)域差分技術(shù)（如實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分技術(shù)）、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）和廣域增強(qiáng)技術(shù)（如精密單點(diǎn)定位技術(shù)），可實(shí)現(xiàn)有基于北斗信號(hào)的米級(jí)、亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的高精度定位。然而，由于導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的自身特點(diǎn)，其信號(hào)無(wú)法覆蓋室內(nèi)且對(duì)環(huán)境免疫性較差，難以滿足室內(nèi)定位以及室外遮擋等復(fù)雜區(qū)域定位的必要條件，目前已有的室內(nèi)定位手段也因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜度和成本等問(wèn)題，未能大范圍推廣應(yīng)用。

5G系統(tǒng)具有密集組網(wǎng)、大帶寬和多天線等對(duì)定位有利的條件，其信號(hào)應(yīng)用于定位具有功率強(qiáng)、偽距測(cè)量精度高、信號(hào)帶寬資源豐富、信號(hào)多徑免疫性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。因此，基于5G通信網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)可在室內(nèi)等復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)，甚至分米級(jí)定位精度。通過(guò)北斗與5G的深度融合，可構(gòu)建室內(nèi)外無(wú)縫定位體系，滿足日益增長(zhǎng)的泛在定位需求，從而為未來(lái)智能社會(huì)提供全場(chǎng)景高精度時(shí)空感知基礎(chǔ)支撐。

ITU、IMT2020、3GPP相繼啟動(dòng)了5G定位研究工作，普遍認(rèn)為5G主要的兩大驅(qū)動(dòng)力是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)。高精度位置服務(wù)作為未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的重要核心業(yè)務(wù)之一，必然是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)核心業(yè)務(wù)之一。為應(yīng)對(duì)用戶日益提高的無(wú)線高精度定位需求，3GPP設(shè)立了定位增強(qiáng)項(xiàng)目，開(kāi)展了室內(nèi)定位需求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的研究。

移動(dòng)通信受眾廣、用戶群體龐大，在全球擁有幾十億的移動(dòng)通信用戶和終端。北斗移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作是北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、國(guó)際化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我國(guó)高度重視北斗在智能終端中的推廣應(yīng)用。國(guó)務(wù)院2013年印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)信息消費(fèi)擴(kuò)大內(nèi)需的若干意見(jiàn)》提出“加快推動(dòng)北斗導(dǎo)航核心技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)北斗導(dǎo)航與移動(dòng)通信、地理信息、衛(wèi)星遙感、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等融合發(fā)展”；國(guó)務(wù)院辦公廳2013年印發(fā)的《國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》也明確提出“重點(diǎn)推動(dòng)北斗兼容衛(wèi)星導(dǎo)航功能成為車載導(dǎo)航、智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置”。根據(jù)中國(guó)信息通信研究院發(fā)布的《國(guó)內(nèi)手機(jī)產(chǎn)品通信特性與技術(shù)能力監(jiān)測(cè)報(bào)告》，2021年第一季度，申請(qǐng)進(jìn)網(wǎng)的手機(jī)中支持定位功能的有86款，其中68款支持北斗定位，占比79.07%，北斗在手機(jī)中的滲透率得到大幅提升[1]。

移動(dòng)通信領(lǐng)域北斗定位國(guó)內(nèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作有序推進(jìn)。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面，自2014年起，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（China Communications Standards Association，CCSA）ST9等多個(gè)工作委員會(huì)在工作范圍內(nèi)陸續(xù)啟動(dòng)了北斗定位行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，涵蓋性能、協(xié)議、射頻、電磁兼容等多個(gè)方面。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，中國(guó)信息通信研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位，制定26項(xiàng)支持北斗二號(hào)B1I信號(hào)的3GPP標(biāo)準(zhǔn)，支持北斗三號(hào)B1C信號(hào)的3項(xiàng)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)于2020年7月隨R16版本正式發(fā)布。

目前，利用4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)在于其定位參考點(diǎn)（定位基站）網(wǎng)絡(luò)是利用運(yùn)營(yíng)商規(guī)模建設(shè)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，定位終端是廣泛普及的移動(dòng)智能終端。因此，4G無(wú)線通信網(wǎng)定位系統(tǒng)具備天然的普適性和易推廣優(yōu)勢(shì)，也是建立和承載各種基于位置的服務(wù)（Location Based Services，LBS）業(yè)務(wù)的有效入口。4G無(wú)線通信網(wǎng)定位系統(tǒng)的定位精度與定位參考基站的部署密度（站間距）和無(wú)線環(huán)境參數(shù)等密切相關(guān)。目前，大部分室外4G通用基站的站間部署密度約為300 ~1500 m，考慮不同的定位算法，通用基站網(wǎng)絡(luò)的定位精度在50 m以上，只能作為GNSS定位系統(tǒng)的補(bǔ)充。

在定位原理方面，4G無(wú)線通信定位技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)類似，采用三角定位技術(shù)。目前，常見(jiàn)的定位信號(hào)有3類：RSSI信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、TDOA、AOA。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，借助運(yùn)營(yíng)商室內(nèi)數(shù)字化分布式小蜂窩解決方案（RRU + BBU）可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍無(wú)線信號(hào)的無(wú)縫覆蓋。定位能力只是普通4G無(wú)線通信業(yè)務(wù)之外附加的能力，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）作為對(duì)外定位能力的開(kāi)放平臺(tái)，提供各種第三方移動(dòng)業(yè)務(wù)（包括位置服務(wù)LBS業(yè)務(wù)）應(yīng)用接口。因此，MEC也是融合其他非蜂窩定位技術(shù)（如Wi-Fi、藍(lán)牙、地磁、慣導(dǎo)等）的統(tǒng)一位置服務(wù)平臺(tái)載體。

導(dǎo)航衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、多種地面定位技術(shù)的協(xié)同以及室內(nèi)外協(xié)同的高精度無(wú)縫定位技術(shù)已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

谷歌公司開(kāi)發(fā)了全球大眾化手機(jī)終端網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)平臺(tái)（Google Mobile Service），在服務(wù)層，一般都用離線和在線結(jié)合的方式，聚合大量局部的基站、Wi-Fi數(shù)據(jù)庫(kù)等定位資源，通過(guò)協(xié)同計(jì)算最大限度滿足用戶的實(shí)時(shí)定位體驗(yàn)。

歐洲航天局聯(lián)合使用了能在室內(nèi)接收到GPS和Galileo信號(hào)的高靈敏度接收器和輔助定位傳感器如氣壓高程計(jì)、加速度計(jì)、陀螺傳感器、UWB、Wi-Fi等，并結(jié)合地圖匹配技術(shù)可依據(jù)當(dāng)前建筑的計(jì)算機(jī)模型綜合本地現(xiàn)有的數(shù)據(jù)在室內(nèi)外進(jìn)行無(wú)縫定位。

美國(guó)高通公司研發(fā)了AGPS+AFLT+Cell-ID（無(wú)線輔助定位+CDMA網(wǎng)絡(luò)三角定位技術(shù)+小區(qū)定位）混合定位技術(shù)gpsOne，形成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位，可以實(shí)現(xiàn)城區(qū)5~ 50 m的定位精度以及室內(nèi)70 m的定位精度。

2021年3月，歐洲航天局召開(kāi)GINTO5G項(xiàng)目線上研討會(huì)，介紹項(xiàng)目成果。該項(xiàng)目屬于歐洲航天局衛(wèi)星導(dǎo)航研究與創(chuàng)新框架計(jì)劃，使用德國(guó)電信在慕尼黑的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合諾瓦泰公司的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備和差分?jǐn)?shù)據(jù)修正服務(wù)，開(kāi)展天地混合定位測(cè)試，展示了衛(wèi)星導(dǎo)航和5G融合應(yīng)用的潛力。

2021年3月，蘇州移動(dòng)聯(lián)合華為在蘇州地鐵進(jìn)行了5G室內(nèi)定位能力驗(yàn)證，5G基站對(duì)用戶終端的無(wú)線信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)基站和邊緣計(jì)算的協(xié)同，解算終端所處位置。經(jīng)測(cè)試，在基站隱藏部署的情況下可實(shí)現(xiàn)地鐵站臺(tái)和站廳范圍內(nèi)99%區(qū)域3~5 m定位精度。

2021年4月，中國(guó)移動(dòng)開(kāi)發(fā)5G+北斗精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，并在重慶解放碑地下環(huán)道進(jìn)行試驗(yàn)。該系統(tǒng)結(jié)合5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接的優(yōu)勢(shì)和北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位能力，為集地下車行道、軌道交通、人防設(shè)施、地下車庫(kù)為一體的解放碑地下環(huán)道提供全天候的高精度定位服務(wù)。

對(duì)于遮擋區(qū)域，采用5G定位的方法滿足定位需求；對(duì)于空曠區(qū)域，采用北斗定位的方法滿足定位需求。通過(guò)北斗+5G融合定位，共同構(gòu)成室內(nèi)外無(wú)縫定位體系，可滿足全場(chǎng)景下的定位應(yīng)用需求。5G定位可分為下行定位、上行定位和上下行結(jié)合定位3種類別。

下行定位技術(shù)在下行鏈路中發(fā)送與定位相關(guān)的信號(hào)，由終端進(jìn)行位置解算，典型的定位方法有DL-TDOA。DL-TDOA的定位過(guò)程如圖1所示。