北斗室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位體系與冬奧應(yīng)用示范

文｜蔚保國(guó) 李雋 黃璐 李雅寧 張衡 賈浩男 祝瑞輝

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、前言

導(dǎo)航與位置服務(wù)攸關(guān)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)民生，在新一代信息系統(tǒng)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，具有舉足輕重和不可或缺的地位，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧地球、節(jié)能減排、應(yīng)急救援等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)性支撐作用[1-3]。習(xí)近平總書記在聯(lián)合國(guó)第十三屆ICG 大會(huì)賀信中指出：我國(guó)要在2035年前構(gòu)建更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合時(shí)空體系。在這一國(guó)家重大科技專項(xiàng)推進(jìn)中，室內(nèi)外無(wú)縫定位是其中極為重要的組成部分，能夠提高我國(guó)綜合PNT 在GNSS 信息傳輸阻遏、信號(hào)干擾欺騙等條件下的服務(wù)性能，使時(shí)空服務(wù)更強(qiáng)、覆蓋更廣、更安全、更可靠，為未來(lái)綜合PNT 智能化、無(wú)人化發(fā)展提供核心支持。

與室外開闊空間相比，室內(nèi)信道環(huán)境和空間拓?fù)潢P(guān)系更為復(fù)雜，GNSS 空間信號(hào)服務(wù)由于建筑遮擋衰減，導(dǎo)致在室內(nèi)環(huán)境無(wú)法大范圍地有效覆蓋，于是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索衍生出多種多樣的室內(nèi)PNT 理論方法和技術(shù)手段[4-6]。雖然室內(nèi)定位導(dǎo)航信源種類繁多，但都有一定的局限性，不同定位信息的融合仍面臨環(huán)境變化帶來(lái)的性能提升挑戰(zhàn)。復(fù)雜多變的室內(nèi)環(huán)境帶來(lái)的無(wú)線信號(hào)覆蓋問題、精準(zhǔn)測(cè)量問題、環(huán)境感知問題、地圖更新問題等均是室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)的難點(diǎn)所在，限制了相關(guān)技術(shù)在各類室內(nèi)遮蔽空間、半遮蔽空間的大規(guī)模推廣應(yīng)用?？偟膩?lái)說，室內(nèi)外無(wú)縫定位面臨著用戶需求各異、應(yīng)用場(chǎng)景多樣、技術(shù)手段繁雜、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一、通用技術(shù)體制未突破、多體系難以協(xié)同等問題，目前仍缺乏通用普適的可大范圍推廣的北斗室內(nèi)外精準(zhǔn)連續(xù)定位系統(tǒng)。

針對(duì)上述問題，本文面向室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位最大共性需求，從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，明確目前室內(nèi)外無(wú)縫定位應(yīng)用推廣面臨的問題與挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)并提出了通用普適的標(biāo)準(zhǔn)化體系架構(gòu)，涵蓋了室內(nèi)外絕大部分應(yīng)用場(chǎng)景以及用戶需求，圍繞該體系架構(gòu)梳理了相關(guān)通用技術(shù)體制所需突破的關(guān)鍵技術(shù)，制定了未來(lái)室內(nèi)外定位技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)，同時(shí)介紹了北斗室內(nèi)外高精度定位系統(tǒng)及其在北京2022冬奧會(huì)的實(shí)際應(yīng)用情況，最后在文末展望了室內(nèi)定位的發(fā)展愿景。

二、基本問題及技術(shù)路線

北斗室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)指的是在室內(nèi)外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無(wú)中斷的位置信息獲取，以北斗為核心，采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)無(wú)線信號(hào)、慣性測(cè)量、環(huán)境感知等多種技術(shù)集成形成室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物品等在室內(nèi)外空間中的位置監(jiān)控[7-10]。

1.基本問題

室內(nèi)外無(wú)縫定位導(dǎo)航領(lǐng)域面臨的基本問題可以從以下三個(gè)角度分析：

第一，體系角度。站在普適統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)表達(dá)以及萬(wàn)物互聯(lián)PNT 服務(wù)的角度，目前尚未建立起室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位體系以及應(yīng)對(duì)所有應(yīng)用和服務(wù)的開放標(biāo)準(zhǔn)，限制了大規(guī)模的跨域推廣應(yīng)用和安全可信高端應(yīng)用。需要構(gòu)建室內(nèi)綜合定位授時(shí)子體系，并有機(jī)融入國(guó)家綜合PNT 體系。

第二，系統(tǒng)角度。雖然室內(nèi)導(dǎo)航信源種類繁多，但各種信源都有一定的局限性，不同定位信息的融合仍面臨環(huán)境變化帶來(lái)的性能提升挑戰(zhàn)。因此可廣域覆蓋并支持用戶漫游的標(biāo)準(zhǔn)化室內(nèi)定位國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍然是一大挑戰(zhàn)。

第三，應(yīng)用角度。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合、對(duì)象來(lái)說，用戶需求各異，同時(shí)還要綜合考慮硬件設(shè)施成本、易用性、可靠性、實(shí)時(shí)性、技術(shù)成熟度等多重因素，使得系統(tǒng)落地應(yīng)用時(shí)面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.技術(shù)路線

目前室外定位已經(jīng)形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化與位置服務(wù)的快速發(fā)展，然而室內(nèi)定位仍缺乏標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系[11-13]。因此本文提出了室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位體系架構(gòu)包含以下五點(diǎn)要素：

（1）建設(shè)三網(wǎng)融合的室內(nèi)外綜合PNT 體系

面向室內(nèi)外定位多樣的應(yīng)用領(lǐng)域及用戶需求，建立“公網(wǎng)+專網(wǎng)+機(jī)動(dòng)網(wǎng)”的三網(wǎng)協(xié)同的室內(nèi)外PNT 標(biāo)準(zhǔn)化體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)、云處理側(cè)、用戶端側(cè)三層次服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)+三層”的室內(nèi)外無(wú)縫定位總體解決方案。

（2）創(chuàng)新發(fā)展多手段融合室內(nèi)PNT 系統(tǒng)

面向復(fù)雜室內(nèi)外遮蔽環(huán)境下的定位導(dǎo)航授時(shí)需求，構(gòu)建以北斗衛(wèi)星為主的，與通信網(wǎng)絡(luò)、慣性系統(tǒng)等多源信息深度融合的泛在PNT 系統(tǒng)，創(chuàng)新發(fā)展普適通用、可大范圍推廣的三網(wǎng)協(xié)同的室內(nèi)外PNT技術(shù)體制和智能混合定位系統(tǒng)。

（3）加強(qiáng)室內(nèi)PNT 與多體系協(xié)同能力

圍繞三網(wǎng)協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化室內(nèi)外PNT 體系架構(gòu)，研究室內(nèi)外PNT 子體系與國(guó)家綜合PNT 體系、網(wǎng)絡(luò)信息體系的協(xié)同及融合、各體系時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一等方法，建立高效的協(xié)同運(yùn)行機(jī)制。

（4）推動(dòng)室內(nèi)外無(wú)縫定位體系驗(yàn)證及應(yīng)用

建設(shè)室內(nèi)外無(wú)縫定位試驗(yàn)驗(yàn)證與監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，包括平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施、PNT 服務(wù)及應(yīng)用模式、信息與網(wǎng)絡(luò)安全等多層級(jí)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境。

（5）強(qiáng)化室內(nèi)外綜合PNT 政策標(biāo)準(zhǔn)保障能力

構(gòu)建室內(nèi)外一體化應(yīng)用服務(wù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)高效協(xié)同的室內(nèi)外PNT 體系建設(shè)管理體制和協(xié)調(diào)體制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外信號(hào)頻率兼容互操作，構(gòu)建集政策法規(guī)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)際合作、學(xué)術(shù)交流等為一體的綜合支撐保障軟環(huán)境。

3.體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

（1）北斗室內(nèi)外導(dǎo)航定位體系架構(gòu)

該體系架構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)層、云處理層以及用戶層。其中網(wǎng)絡(luò)層包含面向大眾用戶的“公網(wǎng)”、面向?qū)I(yè)用戶的“專網(wǎng)”以及面向特種用戶的“機(jī)動(dòng)網(wǎng)”；云處理層包含網(wǎng)圖一體化管控平臺(tái)、多信息融合智能控制系統(tǒng)、室內(nèi)外一體化GIS 信息及時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一；用戶層包含大眾智能終端、專有化室內(nèi)外一體定位芯片、位置服務(wù)應(yīng)用軟件[14-17]，如圖1 所示。

圖1 北斗室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位體系架構(gòu)

（2）北斗室內(nèi)外導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)

面向不同用戶需求和應(yīng)用場(chǎng)景的北斗室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位通用技術(shù)體制，具體來(lái)講包含以下三點(diǎn)：

第一，面向大眾用戶的基于公網(wǎng)定位的關(guān)鍵技術(shù)。建設(shè)通用普適的室內(nèi)外定位系統(tǒng)，構(gòu)建北斗+低軌+北斗偽衛(wèi)星為核心，融合5G 通信、音頻、慣性傳感器多源定位信息融合的輕量化室內(nèi)外PNT“公網(wǎng)”總體架構(gòu)。

第二，面向?qū)I(yè)用戶的基于專網(wǎng)定位的關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建北斗+北斗偽衛(wèi)星+超寬帶+激光+IMU的混合定位網(wǎng)絡(luò)，依托專有終端設(shè)備的高精度定位源獲取高質(zhì)量定位數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合多層級(jí)濾波融合算法實(shí)現(xiàn)多約束條件下的室內(nèi)外連續(xù)定位。

第三，面向特種用戶的基于機(jī)動(dòng)網(wǎng)定位的關(guān)鍵技術(shù)?；谛滦蚒WB 自組網(wǎng)+微慣性測(cè)量單元+同步定位與測(cè)圖（SLAM）技術(shù)，突破感知定位一體化、網(wǎng)圖定位一體化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不具備提前布站條件的陌生室內(nèi)環(huán)境下快速自組網(wǎng)與通信定位能力。

三、北斗室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開始探討室內(nèi)定位相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問題，以推進(jìn)室內(nèi)定位規(guī)范化發(fā)展。本文介紹基于“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目成果，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭組織形成的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)情況。

第一，室內(nèi)定位系統(tǒng)性能測(cè)試驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了室內(nèi)定位系統(tǒng)的測(cè)試分類、測(cè)試方法、評(píng)估方法、測(cè)試評(píng)估場(chǎng)景、測(cè)試評(píng)估報(bào)告要求等相關(guān)技術(shù)要求。

第二，室內(nèi)無(wú)線基站定位仿真通用要求和數(shù)據(jù)格式。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了室內(nèi)混合智能定位數(shù)學(xué)仿真通用要求和數(shù)據(jù)交換格式，適用于室內(nèi)無(wú)線基站布設(shè)、無(wú)線信號(hào)兼容性分析、無(wú)線定位觀測(cè)數(shù)據(jù)、室內(nèi)多徑等方面仿真建模表達(dá)和數(shù)據(jù)交換。

第三，北斗室內(nèi)偽衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)要求與部署規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)包括室內(nèi)偽衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)要求、部署規(guī)范以及偽衛(wèi)星信號(hào)要求，標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)是偽衛(wèi)星在室內(nèi)環(huán)境中的組網(wǎng)準(zhǔn)則，規(guī)定了北斗室內(nèi)偽衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)要求、偽衛(wèi)星部署規(guī)范及信號(hào)要求。

第四，室內(nèi)電磁波指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)與更新。本標(biāo)準(zhǔn)主要在室內(nèi)電磁波指紋數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)、更新及增刪規(guī)則等方面進(jìn)行規(guī)范定義，旨在對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)產(chǎn)品制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)電磁波數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)出。

第五，室內(nèi)視覺地標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了室內(nèi)視覺地標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)基本組成及數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、維護(hù)及更新所遵循的要求，適用于室內(nèi)視覺地標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、維護(hù)與更新規(guī)則。

第六，室內(nèi)偽衛(wèi)星定位接收數(shù)據(jù)檢測(cè)方法。本標(biāo)準(zhǔn)主要用于規(guī)范偽衛(wèi)星載波相位周跳、偽衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度、觀測(cè)量可持續(xù)性等方面要求。

第七，兼容北斗偽衛(wèi)星信號(hào)的定位終端模塊通用規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了北斗偽衛(wèi)星室內(nèi)定位終端模塊的一般要求、功能要求、性能要求及結(jié)構(gòu)安裝要求。包括終端自檢、信號(hào)接收解析、衛(wèi)星定位模塊、北斗偽衛(wèi)星IP適配軟核、無(wú)線通信模塊和電氣性能、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容等。

第八，室內(nèi)移動(dòng)測(cè)圖數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)屬于室內(nèi)移動(dòng)測(cè)圖領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了室內(nèi)移動(dòng)測(cè)圖數(shù)據(jù)獲取階段的基本要求，包括技術(shù)準(zhǔn)備、測(cè)圖計(jì)劃、測(cè)圖實(shí)施、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)、成果整理與上交等技術(shù)要求。

第九，室內(nèi)三維場(chǎng)景眾包更新技術(shù)規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)描述室內(nèi)三維場(chǎng)景內(nèi)外業(yè)更新制作流程，涵蓋各流程環(huán)節(jié)所需滿足的基本要求，適用于我國(guó)室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖產(chǎn)品的制作更新。

第十，室內(nèi)導(dǎo)航與位置服務(wù)協(xié)議。本標(biāo)準(zhǔn)旨在對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)（如時(shí)空基準(zhǔn)、推送服務(wù)、定位服務(wù)、地圖服務(wù)、監(jiān)控與救援應(yīng)用等）制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范我國(guó)室內(nèi)位置服務(wù)產(chǎn)品使用，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置服務(wù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)出。

第十一，北斗偽衛(wèi)星信號(hào)接口規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)適用于北斗室內(nèi)高精度導(dǎo)航定位與位置服務(wù)應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了北斗偽衛(wèi)星信號(hào)特性、測(cè)距碼特性、導(dǎo)航電文類型等內(nèi)容，適用于北斗偽衛(wèi)星基站、用戶終端和芯片的研制。

標(biāo)準(zhǔn)是引領(lǐng)我國(guó)室內(nèi)外導(dǎo)航定位技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路，大力推動(dòng)室內(nèi)定位相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，將能夠規(guī)范高效地解決室內(nèi)外無(wú)縫定位體系化、規(guī)?；瘧?yīng)用的最大共性需求。

四、試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

基于未來(lái)國(guó)家綜合PNT 體系發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)趨勢(shì)，本文提出構(gòu)建“天地協(xié)同PNT 網(wǎng)絡(luò)”，意在通過體系化路徑解決室內(nèi)外高精度無(wú)縫連續(xù)定位難題。“天地協(xié)同PNT 網(wǎng)絡(luò)”針對(duì)下一代北斗系統(tǒng)建設(shè)需求、人工智能以及時(shí)空大數(shù)據(jù)發(fā)展新需求，開展以北斗為核心，結(jié)合低軌星、偽衛(wèi)星、地面5G通信網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)天地協(xié)同增效，突破天地協(xié)同PNT網(wǎng)絡(luò)云端多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研制國(guó)內(nèi)高精度廣域覆蓋的科研試驗(yàn)網(wǎng)，形成室內(nèi)外亞米級(jí)精準(zhǔn)泛在高精度、可信定位服務(wù)能力，打通室內(nèi)室外地上地下空間信號(hào)的泛在連續(xù)覆蓋，拓展和帶動(dòng)時(shí)空信息應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示，天地協(xié)同PNT 網(wǎng)絡(luò)基于北斗、低軌和偽衛(wèi)星為主體，采用統(tǒng)一參數(shù)域技術(shù)框架，解決高精度差分增強(qiáng)處理和完好性評(píng)估統(tǒng)一問題，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外用戶的無(wú)縫高精度定位服務(wù)及可信度評(píng)估，滿足用戶高性能高可靠時(shí)空大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)需求。

圖2 北斗室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

2.服務(wù)能力

（1）全球瞬時(shí)高精度定位服務(wù)

廣域范圍亞米級(jí)定位服務(wù)

室外授時(shí)同步精度優(yōu)于20ns

中斷后收斂時(shí)間優(yōu)于1 分鐘

（2）室內(nèi)外無(wú)縫定位服務(wù)

室內(nèi)優(yōu)于1m

室外優(yōu)于30cm

室內(nèi)外切換時(shí)間優(yōu)于1s

（3）大容量并發(fā)服務(wù)

支持并發(fā)訪問量100 萬(wàn)

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延優(yōu)于10ms

（4）網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)評(píng)估服務(wù)

具備空間段+ 地面段+ 用戶段聯(lián)合監(jiān)測(cè)功能

提供完好性信息、星座狀態(tài)、導(dǎo)航信息、導(dǎo)航信號(hào)等產(chǎn)品信息

完好性告警時(shí)延優(yōu)于6s

（5）天地一體化應(yīng)急救援服務(wù)

具備全球北斗+RDSS 報(bào)文+5G 服務(wù)模式

具備天空地協(xié)同的北斗實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位與短報(bào)文位置報(bào)告能力

3.試驗(yàn)驗(yàn)證

在體系仿真方面，采用云網(wǎng)端架構(gòu)，支持多終端多用戶協(xié)同仿真，支持北斗天基導(dǎo)航定位、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)、城市泛在時(shí)空基準(zhǔn)、區(qū)域多維網(wǎng)信場(chǎng)圖、室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航等天空地各類時(shí)空服務(wù)的集成仿真。

在實(shí)際場(chǎng)景中選擇室內(nèi)外多場(chǎng)景（開闊、半遮蔽、全遮蔽）區(qū)域開展試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施包括北斗偽衛(wèi)星微基站、時(shí)空盒室內(nèi)外一體化定位終端組成，其中由中國(guó)電科54 所導(dǎo)航國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的北斗偽衛(wèi)星微基站，支持播發(fā)兼容北斗/GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)支持單通道、6 通道和12 通道定位與組網(wǎng)以應(yīng)對(duì)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。通過嵌入室內(nèi)定位IP 軟核結(jié)合商用ublox、和芯星通等多款GNSS 定位芯片可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)狹長(zhǎng)空間、小尺度空間以及大尺度空間環(huán)境下的導(dǎo)航定位能力。

時(shí)空盒是結(jié)合消費(fèi)級(jí)、低成本和通導(dǎo)融合的終端，基于北斗偽衛(wèi)星、移動(dòng)通信及其他傳感器微系統(tǒng)架構(gòu)集成技術(shù)，支持B1/L1 頻段，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位，具備抗低溫（-40℃—70℃）特性，同時(shí)集成了GNSS 高精度定位、UWB 定位、移動(dòng)通信、MEMS-IMU、氣壓計(jì)、磁力計(jì)和溫度計(jì)等模塊，具有4G/5G 移動(dòng)通信能力，通過嵌入的室內(nèi)定位IP軟核（支持基于商品化GNSS 芯片實(shí)現(xiàn)北斗偽衛(wèi)星信號(hào)的接收處理和定位解算），實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下（室內(nèi)外、地下）時(shí)空盒連續(xù)高精度定位、通信和授時(shí)，如圖3 所示。

圖3 一體化定位終端（時(shí)空盒）

測(cè)試環(huán)境為導(dǎo)航國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型室內(nèi)定位試驗(yàn)環(huán)境，測(cè)試條件為基于時(shí)空盒的室外空間北斗定位和室內(nèi)空間的北斗偽衛(wèi)星定位。測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，測(cè)試軌跡含室內(nèi)、室外及室內(nèi)外過渡區(qū)域，定位結(jié)果亞米級(jí)且連續(xù)無(wú)間斷。

圖4 室內(nèi)外多場(chǎng)景連續(xù)定位測(cè)試

五、室內(nèi)外無(wú)縫定位冬奧會(huì)應(yīng)用

北斗室內(nèi)外混合定位冬奧應(yīng)用系統(tǒng)，旨在為北京2022 冬奧會(huì)張家口賽區(qū)國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心及其周邊區(qū)域提供室內(nèi)外連續(xù)全覆蓋場(chǎng)館位置服務(wù)?；诒倍肺⒒臼覂?nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)，首次驗(yàn)證了將北斗信號(hào)引入室內(nèi)提供高精度定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外一體化的無(wú)縫高精度定位，為冬奧會(huì)現(xiàn)場(chǎng)指揮管理中心提供人員、車輛、鐵馬的閉環(huán)管理，室內(nèi)外無(wú)縫的大眾位置服務(wù)，應(yīng)急救援調(diào)度與精準(zhǔn)防疫，無(wú)人化機(jī)器人巡檢等服務(wù)。室內(nèi)外定位系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 北斗室內(nèi)外混合定位冬奧應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

考慮國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心及周邊區(qū)域室內(nèi)外復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了以北斗偽衛(wèi)星為核心，結(jié)合5G 通信網(wǎng)等多源信息的定位體系架構(gòu)，兼具云端協(xié)同、多源融合、一體化、自適應(yīng)、多層次特性，提供室內(nèi)外亞米級(jí)可信定位服務(wù)。

北斗微基站室內(nèi)混合定位冬奧應(yīng)用系統(tǒng)包含信號(hào)網(wǎng)絡(luò)層、終端感知層以及云位置服務(wù)層，協(xié)同交互實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外混合高精度定位。其中網(wǎng)絡(luò)層包括北斗偽衛(wèi)星廣域室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)UWB 局域定位網(wǎng)絡(luò)以及北斗室外差分增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)等；終端層集成了對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層的定位數(shù)傳模塊、電源抗低溫優(yōu)化及智能管理系統(tǒng)、輕量化低成本設(shè)計(jì)工藝等；云端層利用高性能處理能力進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘、人工智能場(chǎng)景決策，通過5G 通信網(wǎng)與終端交互提供場(chǎng)館特色位置服務(wù)（圖6）。

圖6 北斗室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)組成

基于“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“室內(nèi)混合智能定位與室內(nèi)GIS 技術(shù)”項(xiàng)目成果在國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心（雪如意場(chǎng)館）進(jìn)行了前期的技術(shù)體制驗(yàn)證試驗(yàn)，包括室內(nèi)狹長(zhǎng)空間定位測(cè)試、開闊空間測(cè)試以及室內(nèi)外連續(xù)定位測(cè)試。

北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)北斗微基站室內(nèi)外高精度定位系統(tǒng)應(yīng)用為交通運(yùn)行團(tuán)隊(duì)提供了古楊樹場(chǎng)館群車輛的位置態(tài)勢(shì)服務(wù)以及人/車閉環(huán)管理服務(wù)；為防疫和安保運(yùn)行團(tuán)隊(duì)提供了人員的態(tài)勢(shì)服務(wù)及密接快速流調(diào)服務(wù)；為安保部門提供了自主巡航與配送服務(wù)，為場(chǎng)館的智能運(yùn)行提供重要支撐。

1.特定區(qū)域人/車閉環(huán)管理

基于北斗室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)賽事期間的閉環(huán)管理，通過在人員、車輛、鐵馬上安裝時(shí)空盒定位終端，對(duì)冬奧會(huì)古楊樹場(chǎng)館群室內(nèi)外閉環(huán)區(qū)域內(nèi)工作人員、設(shè)施及相關(guān)車輛進(jìn)行運(yùn)行流線監(jiān)控，定位精度優(yōu)于1m，可以防止其破環(huán)破圈、進(jìn)入未授權(quán)區(qū)域。管理中心可對(duì)目標(biāo)位置實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，進(jìn)入未經(jīng)許可區(qū)域會(huì)及時(shí)告警。

2.室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航與位置服務(wù)

采用分布式云架構(gòu)模式，建立了高性能TCP/IP服務(wù)器和高性能HTTP 服務(wù)器，為冬奧會(huì)三十五個(gè)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)約1200 名工作人員提供北斗室內(nèi)外云位置服務(wù)，包括人員位置感知，云端賽事信息和天氣信息推送，提供精準(zhǔn)位置共享、目標(biāo)導(dǎo)航、歷史軌跡查詢等服務(wù)，如圖7 所示。

圖7 室內(nèi)外無(wú)縫大眾位置服務(wù)

3.應(yīng)急救援調(diào)度與精準(zhǔn)防疫

基于北斗室內(nèi)外無(wú)縫高精度應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，協(xié)助管理者快速定位工作人員、設(shè)備狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)全局監(jiān)控。針對(duì)冬奧期間疫情防控人員多、密度大等問題，基于北斗室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)可在30 分鐘內(nèi)獲取密接初篩信息，為冬奧會(huì)閉環(huán)內(nèi)工作人員，疫情科學(xué)管控與快速溯源追蹤提供手段。

本屆冬奧會(huì)采用閉環(huán)管理模式，閉環(huán)區(qū)域由“大閉環(huán)”和若干“小閉環(huán)”區(qū)域組成。本系統(tǒng)對(duì)所有進(jìn)入場(chǎng)館內(nèi)攜帶時(shí)空盒的人員進(jìn)行實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，結(jié)合劃分的高精度電子圍欄，基于亞米級(jí)的實(shí)時(shí)定位實(shí)現(xiàn)對(duì)人員區(qū)域預(yù)警、非法破環(huán)破圈監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)破圈情況，會(huì)第一時(shí)間短信提醒用戶并在后臺(tái)進(jìn)行事件提醒，如圖8 所示。

圖8 精準(zhǔn)防疫

4.無(wú)人化自主巡檢

針對(duì)冬奧期間固定及定點(diǎn)區(qū)域環(huán)境安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，基于北斗室內(nèi)外無(wú)縫高精度定位導(dǎo)航能力，為安保部門提供了24 小時(shí)無(wú)人車自主巡檢服務(wù)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控重點(diǎn)區(qū)域視頻和傳感精準(zhǔn)巡檢能力，有效輔助安全事件處理，為場(chǎng)館智能化自動(dòng)化運(yùn)行提供重要支撐，如圖9所示。

圖9 北斗室內(nèi)外高精度無(wú)人化巡檢服務(wù)

5.無(wú)人化自主配送

基于北斗微基站室內(nèi)高精度定位網(wǎng)絡(luò)，可為室內(nèi)無(wú)人車輛提供準(zhǔn)確的絕對(duì)位置信息，實(shí)時(shí)修正無(wú)人車輛累計(jì)誤差，并通過室內(nèi)高精地圖實(shí)現(xiàn)無(wú)人配送能力。具體流程為：用戶發(fā)出請(qǐng)求物品和地址，無(wú)人車通過云平臺(tái)引導(dǎo)和控制，按照用戶需求精準(zhǔn)投送物品至室內(nèi)設(shè)定地點(diǎn)；用戶取走物品后，調(diào)度無(wú)人車自動(dòng)導(dǎo)航返回原地；云端展示無(wú)人車實(shí)時(shí)位置和行進(jìn)軌跡，如圖10 所示。

圖10 無(wú)人自助配送服務(wù)

6.用戶終端智能位置服務(wù)App

為滿足用戶任務(wù)調(diào)度和位置共享需求，系統(tǒng)為用戶提供了室內(nèi)外定位服務(wù)App 軟件，同組人員可在軟件上實(shí)時(shí)查看組內(nèi)人員精確位置，上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)事件（支持拍照取景、問題描述等），同時(shí)具備自動(dòng)接收語(yǔ)音調(diào)度能力，如圖11 所示。

圖11 用戶智能服務(wù)App

六、總結(jié)與展望

科技冬奧是北京2022 冬奧會(huì)提出的愿景，意在為世界探尋更好的未來(lái)城市解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)人友好、對(duì)環(huán)境友好、對(duì)產(chǎn)業(yè)友好、對(duì)社群友好的人類城市生活目標(biāo)。北斗室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了冬奧體育場(chǎng)館大規(guī)模室內(nèi)外亞米級(jí)連續(xù)定位，使中國(guó)北斗率先進(jìn)入室內(nèi)提供位置服務(wù)，是“科技奧運(yùn)”承諾的重要系統(tǒng)支撐，助力冬奧賽事及未來(lái)城市美好生活。北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式提供服務(wù)，推進(jìn)北斗室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位融入各行各業(yè)應(yīng)用將是國(guó)家重要使命，“打通地上地下、室內(nèi)室外”實(shí)現(xiàn)高精度定位導(dǎo)航與授時(shí)，將成為北斗領(lǐng)域?qū)嵤﹦?chuàng)新應(yīng)用的重大基礎(chǔ)設(shè)施與新質(zhì)能力。

展望未來(lái)，以北斗為基石，發(fā)展多源PNT 融合技術(shù)，拓展北斗+低軌+偽衛(wèi)星+UWB+5G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，是北斗高精度室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位核心業(yè)務(wù)與發(fā)展趨勢(shì)。從室內(nèi)外連續(xù)定位一體化角度，加固時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施、強(qiáng)化時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、提升時(shí)空服務(wù)效能，形成天地協(xié)同、多源融合、無(wú)縫智能的室內(nèi)外連續(xù)綜合時(shí)空信息服務(wù)體系，將有力拓展與提升北斗泛在精準(zhǔn)時(shí)空信息服務(wù)，助推我國(guó)全社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與新一代信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。