北斗+5G 室內(nèi)外融合定位技術(shù)的運(yùn)用分析

陳 爽， 徐蘭霞

（1.上海創(chuàng)遠(yuǎn)儀器技術(shù)股份有限公司， 上海 201600； 2.湖南衛(wèi)導(dǎo)信息科技有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000）

引言

北斗系統(tǒng)全稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是由我國(guó)自主研發(fā)，且自主運(yùn)行，并為全球提供全天候?qū)Ш椒?wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。2020 年7 月31 日，北斗三號(hào)系統(tǒng)建成并成功開通。北斗系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在室外的準(zhǔn)確定位，而且定位精度已經(jīng)相當(dāng)精確。但是在室內(nèi)，衛(wèi)星導(dǎo)航的信號(hào)很難覆蓋全面，而且部分環(huán)境也會(huì)干擾到信號(hào)強(qiáng)弱，尤其是一些比較隱蔽的地方，都很難覆蓋到位，影響導(dǎo)航的質(zhì)量。從現(xiàn)有的室內(nèi)定位發(fā)展來看，其導(dǎo)航系統(tǒng)整體較為復(fù)雜，且導(dǎo)航的成本也偏高，很難實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣。

5G 系統(tǒng)具有密集組網(wǎng)大寬帶、多天線等特點(diǎn)，其信號(hào)定位精準(zhǔn)、且寬帶資源豐富，很難受到干擾，具有十分明顯的定位優(yōu)勢(shì)。因此，北斗+5G 融合的定位技術(shù)開始應(yīng)運(yùn)而生，不僅能實(shí)現(xiàn)在室外的有效定位，而且還能實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)的有效定位，滿足人們對(duì)定位服務(wù)的品質(zhì)需求[1-2]。

1 北斗+5G 室內(nèi)外融合定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合

5G 接入網(wǎng)絡(luò)與北斗高精度定位所需的地基，要實(shí)現(xiàn)全方位部署，并做好相應(yīng)維護(hù)工作。但是目前不同區(qū)域的差距較為明顯，需要從以下兩個(gè)方面入手。

1）部署層面。從目前來看，國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成的4G基站相當(dāng)豐富，總基站數(shù)不低于500 萬個(gè)，且單站覆蓋的半徑也較為廣闊，大約1～2 km。但是從總體上來看，處于地基增強(qiáng)系統(tǒng)范圍內(nèi)，大部分情況下，大氣模型之間的參數(shù)不會(huì)存在較大差別，單站所覆蓋半徑就可以劃定為30～50 km 的范圍，而且距離基站越遠(yuǎn)，其定位精度也就越低。

2）設(shè)備方面。5G 基站主要包括以下兩個(gè)部分：一是基帶處理單元，這部分基礎(chǔ)設(shè)施，通常都是置于機(jī)房?jī)?nèi)，且基礎(chǔ)設(shè)施完善。二是射頻收發(fā)單元，這部分通常置于室外，且整體環(huán)境較為開闊。通常情況下，基準(zhǔn)站主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)以及高性能3D 扼流圈天線這兩個(gè)部分。為了能夠有效保證定位精度，在選擇區(qū)域的時(shí)候，就要充分考慮地質(zhì)情況，例如：地質(zhì)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定等。穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是基站穩(wěn)定的基礎(chǔ)，有利于保持基準(zhǔn)站天線位置的準(zhǔn)確度。

1.2 實(shí)現(xiàn)能力融合

1.2.1 定位能力融合

北斗系統(tǒng)與地基增強(qiáng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以有效提高其定位精確度，所覆蓋的區(qū)域相對(duì)廣泛，但是仍然存在著一定的盲區(qū)，例如：高架橋、大樹下等，這類遮擋明顯的區(qū)域。而密集化部署的5G 基站不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室外盲區(qū)的有效覆蓋，而且還可以保證室內(nèi)區(qū)域得到全面覆蓋。由此可見，5G 與北斗的融合在定位服務(wù)方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯。

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，采用了大規(guī)模天線陣列等較為新型的通信技術(shù)，有效提升了網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率，在一定程度上也提升了5G 定位技術(shù)的精確度。

一般來說，測(cè)距信號(hào)本身的精確性與碼片長(zhǎng)度之間呈現(xiàn)出正比關(guān)系，精確度得到很大提高，測(cè)距信號(hào)本身的帶寬與多路徑效應(yīng)造成的頻率選擇性衰落狀況也會(huì)呈現(xiàn)出正比關(guān)系。5G 網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸帶寬更大，對(duì)抗多徑更加有效。但是從實(shí)際來看，5G 毫米波頻段的波束更窄，其實(shí)際指向性也就更強(qiáng)，如果增加使用大規(guī)模天線陣列與波束賦形技術(shù)的融合，也能夠有效提高定位精確度。

1.2.2 數(shù)據(jù)播發(fā)融合

北斗高精度定位技術(shù)，需要將基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回平臺(tái)，其中一個(gè)網(wǎng)格單位，需要以4 個(gè)距離較近的基準(zhǔn)站進(jìn)行劃分。在對(duì)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配時(shí)，要以定位終端所上傳的概率信息作為依據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)格的差分改正模型之后，將信息傳輸回到終端系統(tǒng)之中，再進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。通常情況下，在幾十公里的區(qū)域內(nèi)，大氣層之中的改正模型并不會(huì)發(fā)生太大變化，由此可見，在這一網(wǎng)格的范圍內(nèi)，終端所接收到的數(shù)據(jù)也會(huì)存在一定的差別。而且當(dāng)定位終端數(shù)量較少的時(shí)候，對(duì)于移動(dòng)資源的需求不高，但是在目前5G和北斗導(dǎo)航相結(jié)合的定位系統(tǒng)之中，對(duì)資源的需求量會(huì)明顯增加[3-4]。

為了能夠在降低成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)5G 和北斗網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行播發(fā)的過程中，可以采用移動(dòng)通信信令方式對(duì)其進(jìn)行定位。基于控制面板廣播服務(wù)流程如圖1 所示，通過基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)對(duì)高精度定位平臺(tái)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)。生成各種網(wǎng)格區(qū)域的差分，對(duì)模型進(jìn)行一定的糾正，并利用網(wǎng)格區(qū)域與基站之間的映射關(guān)系，將輔助信息發(fā)送到相應(yīng)的基站之中，再發(fā)送到基站所覆蓋范圍內(nèi)的終端，進(jìn)行廣播。由于RTK 信息采用RTCM數(shù)據(jù)格式，3GPP 網(wǎng)元對(duì)其格式不可讀，因此可考慮將RTCM格式編碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為使用ASN.1 編碼的數(shù)據(jù)，通過LPP 協(xié)議在3GPP 網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

1.2.3 終端融合

從現(xiàn)有的發(fā)展來看，高精度定位終端一般都是以地理信息及測(cè)繪行業(yè)作為基礎(chǔ)，而且在此基礎(chǔ)上所拓展的領(lǐng)域也愈加廣泛。但是從實(shí)際來看，地理信息行業(yè)的規(guī)模也受到明顯局限，按照2018 年所統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，全年對(duì)55 萬臺(tái)衛(wèi)星導(dǎo)航終端進(jìn)行計(jì)算，其行業(yè)成本均攤方面存在明顯不足，而且市場(chǎng)拓展費(fèi)用也越來越高，在營(yíng)業(yè)額之中占據(jù)的比重越來越大，已經(jīng)超過了25%的比重。目前移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)越來越成熟，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，5G 終端在2020 年已經(jīng)開始上市?？梢钥闯觯苿?dòng)通信終端發(fā)展更加迅速。

2 北斗+5G 室內(nèi)外融合定位技術(shù)應(yīng)用

2.1 移動(dòng)智能終端北斗定位應(yīng)用

從總體上來看，移動(dòng)通信的受眾范圍相對(duì)較廣，而且用戶群體較為龐大，當(dāng)前全球的移動(dòng)通信用戶和終端數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了幾十億。在北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，北斗移動(dòng)通信是其中的關(guān)鍵部分，我國(guó)對(duì)此十分重視。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》可以知道，在2021年的第一個(gè)季度，有86 款申請(qǐng)進(jìn)網(wǎng)的手機(jī)具有定位功能，其中有68 款手機(jī)使用并支持北斗定位，總占比大約為79.09%，因此，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在手機(jī)之中的滲透率也得到十分明顯的提升。

2.2 4G 蜂窩定位技術(shù)應(yīng)用

從目前的發(fā)展來看，對(duì)于4G 蜂窩定位網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，主要是以運(yùn)營(yíng)商所建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)作為定位的參考點(diǎn)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也只是目前更為普及的一個(gè)部分。由此可見，4G 無線通信網(wǎng)的定位系統(tǒng)本身就容易推廣，而且具有普適性。從目前來看，4G 無線通信網(wǎng)定位系統(tǒng)定位的精度以及其定位參考基站本身的部署密度，這二者與無線環(huán)境等相關(guān)參數(shù)有著十分緊密的聯(lián)系。從目前來看，大部分室外4G 通用基站的站間部署密度約為300～1 500 m，考慮定位算法的不同，因此，通用基站的網(wǎng)絡(luò)定位精確度不低于50 m，一般也只能作為GNSS 定位系統(tǒng)的補(bǔ)充而存在。

2.3 多體制協(xié)同的室內(nèi)外無縫定位技術(shù)的應(yīng)用

從目前的發(fā)展來看，北斗導(dǎo)航與5G 定位技術(shù)的共同協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為未來導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，這種室內(nèi)和室外協(xié)同定位的方式，可以為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。當(dāng)前用戶可以通過手機(jī)等，進(jìn)行相應(yīng)的定位，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線定位，也可以實(shí)現(xiàn)離線定位，二者有機(jī)結(jié)合，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，優(yōu)化用戶的體驗(yàn)效果[5-7]。

2.4 北斗+5G 融合定位技術(shù)應(yīng)用

歐洲航天局于2021 年3 月召開了GINTO5G 項(xiàng)目線上研討會(huì)，介紹了相應(yīng)的項(xiàng)目研究成果。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，融入并使用了德國(guó)在慕尼黑的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并與諾瓦泰公司的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備和差分?jǐn)?shù)據(jù)修正服務(wù)進(jìn)行較為緊密的結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的定位測(cè)試，較為全面、充分、直觀地展示出其定位潛力。而且在同一時(shí)間，蘇州移動(dòng)公司與華為聯(lián)合，在蘇州地鐵測(cè)試5G 室內(nèi)定位能力，并對(duì)其加以驗(yàn)證。經(jīng)過測(cè)試可以知道，目前5G室內(nèi)定位導(dǎo)航的精確度高達(dá)99%，可以實(shí)現(xiàn)3～5 m的定位。

3 結(jié)論

在當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)之中，5G 網(wǎng)絡(luò)、北斗和大數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的三大基礎(chǔ)設(shè)施。由于5G網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定，物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備也主要是依賴于5G 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。本文對(duì)5G 與北斗的融合發(fā)展進(jìn)行分析，北斗5G 精準(zhǔn)定位融合，這對(duì)于萬物智聯(lián)發(fā)展有著很大的促進(jìn)作用，同時(shí)也能夠通過終端融合進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)智能化社會(huì)的發(fā)展。