基于北斗和 5G 的高層建筑密集道路聯(lián)合定位方法

基金項目：

廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于5G和北斗的城市路況交通路口安全車速引導系統(tǒng)”（編號：2021KY1124）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于NB-IOT物聯(lián)網智能平板車位鎖系統(tǒng)的研究與應用”（編號：2022KY127）

作者簡介：

鄭欣悅（1990—），碩士，講師，主要從事通信工程網絡設計、移動網絡優(yōu)化工作。

摘要：文章針對北斗定位技術中，衛(wèi)星信號在城市高層建筑密集區(qū)容易被遮擋，導致可見衛(wèi)星數(shù)量下降，進而使得在高層建筑密集區(qū)域道路定位精度下降、定位不穩(wěn)定、誤差波動大的問題，結合3GPP R16中引入5G網絡的UTDOA定位方法，介紹了一種基于北斗和5G的聯(lián)合定位方法，并使用MATLAB編程，模擬分析了該聯(lián)合定位方法在一個高層建筑密集路段的定位過程。試驗表明，該聯(lián)合定位方法相比利用北斗或5G進行單獨的定位，具有定位精度波動小、穩(wěn)定度好的特點，在高層建筑密集區(qū)有較高的魯棒性。

關鍵詞：道路工程；北斗；5G；UTDOA；聯(lián)合定位；高層建筑密集區(qū)

中圖分類號：U495文獻標識碼：A 55 182 3

0 引言

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國擁有完全自主知識產權的全球定位系統(tǒng)。北斗定位技術在交通領域已經得到廣泛的應用。但同時，北斗定位技術作為一種衛(wèi)星定位技術，具有受環(huán)境、天氣影響大，定位精度易波動的缺點［1］。以城市高層建筑密集區(qū)為例，北斗衛(wèi)星信號易被高大的建筑物遮擋，導致可見衛(wèi)星數(shù)量下降，定位精度劣化。因此，單一的北斗定位技術在一些特殊場景無法滿足未來智能交通發(fā)展的需求。

5G通信技術具備大帶寬、低延遲、廣接入的特點，為5G終端實現(xiàn)精密定位提供了更多的可能性。3GPP R16協(xié)議版本在5G網絡首次引入定位能力。其中包括了UL-AoA（Uplink Angle of Arrival）、DL-AoD（Downlink Angle of Departure）、UTDOA（Uplink Time Difference of Arrival）等定位方法。5G通信技術作為蜂窩移動通信技術，擁有天然的基站布網容易、覆蓋廣、易拓展的特點，為補足北斗衛(wèi)星定位技術的不足提供了技術基礎。

本文將介紹一種北斗和5G的聯(lián)合定位方法，在北斗衛(wèi)星信號被遮擋的城市高層建筑密集區(qū)采用5G UTDOA定位技術進行盲區(qū)補點，并最終使用數(shù)據融合的方法將北斗和5G單獨工作獲得的定位數(shù)據進行融合，實現(xiàn)優(yōu)于北斗或5G單獨定位的效果。本文還將通過仿真數(shù)據試驗，驗證該聯(lián)合定位方法可以獲得良好的定位效果。

1 定位與誤差分析

1.1 北斗定位

根據北斗定位原理，北斗定位終端至少需要接收4顆衛(wèi)星的信號，才可以解析位置信息。但在實際工程應用中，衛(wèi)星數(shù)量往往越多越好。同時定位精度也受到衛(wèi)星幾何分布的影響。所以在北斗衛(wèi)星的廣播消息中，除了位置等信息外，同時還附帶了位置精度因子。該位置精度因子由定位終端與當前的衛(wèi)星幾何分布有關［2］。主要包括水平精度因子（horizontal dilution of precision，HDOP）、垂直精度因子（vertical dilution of precision，VDOP）等。本文主要研究經緯度和水平精度因子HDOP。

NMEA（National Marine Electronics Association）是美國國家海洋電子協(xié)會制定的一套數(shù)據傳輸標準，定義了包括GPS、北斗等GNSS全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的接收設備輸出的標準信息格式。其中的GGA消息除了包括了經度、緯度、海拔等基本定位信息外，還包括了水平精度因子HDOP。通過讀取定位設備的NMEA報文中的GGA消息，即可獲取本文需要的經緯度信息與水平精度因子HDOP。

在城市的高層建筑密集區(qū)，因為高樓的遮擋，可見衛(wèi)星數(shù)量下降，進而影響北斗終端定位時的衛(wèi)星幾何分布，導致HDOP增大，最終定位精度下降。

定位精度=CEP×HDOP

（1）

如式（1）所示，HDOP是一個倍增因子，對定位精度的誤差有放大作用。其中CEP為圓概率誤差半徑，在常見的民用北斗定位終端的參數(shù)標稱中，通常取CEP 50。即理想情況下，北斗定位終端的定位坐標以50%的概率落在以真實坐標為圓心、半徑為R的圓形區(qū)域內。常見的民用北斗定位終端CEP 50半徑約為2 m。

如圖1所示，某CEP 50為2 m的定位終端的理想定位應以50%的概率落在CEP 50參考圓內。但是在HDOP分別為2和10時，定位誤差被放大。當HDOP從2增大到10時，定位偏差急劇惡化，最大偏差點已經達到了約30 m，遠遠大于理想情況下的2 m。

1.2 5G UTDOA定位

在3GPP的5G R16版本中，引入了基于UTDOA（Uplink Time Difference of Arrival，上行到達時間差）的定位技術。這是基于5G終端的上行信號到達各個基站的信號傳播時間差異來解析確定移動設備的一種通信定位技術。該方法使用基于多個位置已知的AAU或PRRU測量5G終端發(fā)送的上行信號中的SRS探測參考信號的到達時間，通過計算多個SRS參考信號時間差（Reference signal time difference， RSTD）測量解算UE的位置坐標，其基本原理如圖2示意。

相比于以北斗為代表的GNSS衛(wèi)星定位技術，UTDOA技術充分利用了蜂窩移動通信技術中基站部署容易、部署密度大的優(yōu)點，使得其在廣范圍覆蓋和室外環(huán)境中具有較高的位置測量準確性。其可以適用于各種應用場景，如緊急呼叫定位、移動設備定位和增強現(xiàn)實等。UTDOA技術在增強移動通信網絡的性能和提供更準確的定位服務方面具有重要作用。根據3GPP的技術規(guī)范，UTDOA的定位精度在室內80%概率能夠達到3 m，室外能夠達到10 m［3］。

本文主要研究在城市的高層建筑密集區(qū)道路使用5G UTDOA定位技術彌補北斗定位缺陷的方案，從而獲取較高質量的5G定位效果提升定位導航準確性和效率。本方案采用AAU設備做主要信號覆蓋，保證車載5G通信設備可同時向至少不同的4個AAU發(fā)送上行參考信號，且信號強度達到-85 dBm以上。另外在一些不方便部署AAU等大型設備的區(qū)域，使用pRRU做插花式補點，增加參考信號數(shù)量，提升定位準確度。設備部署與天線覆蓋方向才用交叉排布方式，如圖3所示。

1.3 數(shù)據融合

數(shù)據融合指的是通過數(shù)學方法將多來源的測量數(shù)據進行融合，得到更優(yōu)化的處理結果。本文研究的數(shù)據融合采用加權平均的方式，將北斗定位數(shù)據和5G定位數(shù)據進行融合，從而獲取總體上更優(yōu)化的定位結果。該數(shù)據融合方法的重點在于權值的選擇，當北斗定位誤差變大時，其權值應該下降。同時，5G定位的權值應該上升。故本文采用兩種定位方式獨立定位時的標準差作為權值。

由于在常見的北斗定位和5G通信設備的性能參數(shù)指標中，通常以CEP半徑形式給出。該指標不能直接作為權值參與數(shù)據融合的計算。需要將其轉換為標準差的形式。本文不考慮海拔的定位，僅考慮平面的定位，故可以將北斗或5G的定位結果視為一個二維隨機變標量，定位數(shù)據符合二維隨機分布。根據大數(shù)定理和中心極限定理，其分布符合二維高斯分布的特征。為簡化研究且不失一般性，本文假設經度、緯度的誤差相對獨立。

CEP=∫R01δ2e-r22δ2rdr

（2）

式（2）是極坐標形式的二維獨立高斯分布的累積分布函數(shù)的公式。其中CEP為定位落在以坐標原點為圓心，以R為半徑的圓內的概率。使用Matlab編程對式（2）進行求解，即可得出給定CEP概率和半徑對應的高斯分布的標準差σ。

表1給出了幾個常見CEP、HDOP值與高斯標準差的對應關系。

式（3）為利用加權平均方法實現(xiàn)數(shù)據融合的公式，其中l(wèi)oc_bds、loc_5G分別為北斗和5G單獨定位得到的坐標，std_bds、std_5G為北斗和5G單獨定位時當前的定位標準差。

loc_hybrid=loc_bds×std_5G+loc_5G×std_bdsstd_bds+std_5G

（3）

2 仿真測試

2.1 仿真環(huán)境

本文選取一段約250 m長度的道路，以起點為坐標原點，其中50～200 m路段為高層建筑密集區(qū)；選取一輛小車以30 km/h的速度勻速前進，并以此計算位移，作為真實坐標。在大部分導航定位場景中，主要考慮的是前進方向的定位誤差。故本文在不影響科學性的前提下，為簡化試驗過程，僅考慮前進方向的定位誤差。

試驗通過Matlab編程，給定CEP、HDOP等參數(shù)求解出高斯分布的標準差。依據該參數(shù)生成符合高斯分布的隨機數(shù)，作為定位誤差，并且該標準差還可以作為后續(xù)數(shù)據融合的權值依據。表2為本次仿真試驗的參數(shù)設定。

2.2 結果與分析

如圖4為聯(lián)合定位方法的試驗結果。試驗過程中可見在高層建筑密集區(qū)路段，單一的北斗定位誤差波動較大，定位精度不高，最大誤差到達了50 m左右；而結合了5G定位的聯(lián)合定位方法，可以有效平滑北斗定位的誤差波動，將最大誤差控制在了10 m左右，實現(xiàn)了更穩(wěn)定、更精準的定位結果。

表3為對單北斗定位、單5G定位、聯(lián)合定位方法的定位誤差進行統(tǒng)計并計算試驗數(shù)據標準差的計算結果。該結果也表明，單北斗定位因為受到高層建筑密集區(qū)的衛(wèi)星信號遮擋影響，定位誤差波動較大。而使用了聯(lián)合定位方法后，利用5G UTDOA進行北斗定位的盲區(qū)補點，可以實現(xiàn)波動更小的、穩(wěn)定度更高的定位，在高層建筑密集區(qū)路段魯棒性更高。

3 結語

本文采用Matlab編程方法，基于城市高層建筑密集區(qū)的道路環(huán)境特性進行了仿真測試，使用數(shù)據融合算法對帶有誤差的北斗定位、5G UTDOA定位數(shù)據進行了融合，實現(xiàn)了聯(lián)合定位。試驗結果表明，該方法可以有效提高定位的穩(wěn)定性、精準性，在高層建筑密集區(qū)有較高的魯棒性。本文研究還有一些不足，沒有充分考慮定位過程中的多徑效應、對流層延遲等影響，未來將加強這些方面的研究。

參考文獻

［1］曹曉春，張 靜，林開欽，等.“北斗+5G”聯(lián)合定位與誤差校正技術［J］.遙測遙控，2022，43（6）：70-77.

［2］劉偉洲，伍吉倉.GPS/北斗組合導航系統(tǒng)衛(wèi)星可見性和DOP值分析［C］.第三屆中國衛(wèi)星導航學術年會電子文集，2012.

［3］李文彬.5G高精度UTDOA定位算法在工業(yè)互聯(lián)網中的探索及實踐［J］.長江信息通信，2022，35（10）：45-48.