北斗+5G 融合定位技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

金耀，周又眉，張賀，張子寧，張晨芳，趙良，魏步征

(1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院,北京 100048；2.下一代互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用國(guó)家工程研究中心,北京 100048；3.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司,北京 100048)

0 引言

2020年，我國(guó)北斗三號(hào)(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)完成全球組網(wǎng)，面向全球提供高精度定位服務(wù).北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)雖覆蓋廣、精度高，但由于衛(wèi)星信號(hào)容易受遮擋，在城市峽谷和室內(nèi)場(chǎng)景下定位會(huì)失效.隨著通信技術(shù)的發(fā)展，第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th generation mobile communication technology，5G)的定位能力進(jìn)一步增強(qiáng)，室內(nèi)定位精度達(dá)到亞米級(jí)，可彌補(bǔ)BDS 定位能力的不足.北斗+5G 融合定位共同構(gòu)建室內(nèi)外無(wú)縫定位體系，滿足全場(chǎng)景下的定位需求，對(duì)國(guó)家建設(shè)韌性定位、導(dǎo)航與授時(shí)(positioning,navigation and timing,PNT)具有重要意義.

BDS 經(jīng)過20 多年的發(fā)展，定位技術(shù)已比較成熟，但由于衛(wèi)星信號(hào)易受干擾和遮擋，BDS 在觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量不足時(shí)定位性能下降，因此，很多研究主要聚焦于BDS 定位與其他室內(nèi)定位方法的融合，如北斗和超寬帶(ultra wide band,UWB)技術(shù)的融合定位[1-5]，北斗和Wi-Fi 技術(shù)的融合定位[6-9]，北斗和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)技術(shù)的融合定位[10-12]，這些研究補(bǔ)充了北斗室內(nèi)定位能力的不足.隨著通信網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的演進(jìn)，第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd generation partnership project,3GPP)在Release 17 中將5G 在商業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的水平定位精度目標(biāo)設(shè)置為優(yōu)于1 m 和0.2 m[13]，一些學(xué)者開展了5G 高精度定位的研究工作[14-17].由于5G 定位可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位，有學(xué)者提出了北斗+5G 融合定位來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位的思路[18-21].彭友志等[22]通過定量分析，研究了多徑干擾條件下5G+GNSS融合定位的性能上下限和精度.龔利等[23]運(yùn)用改進(jìn)型聯(lián)邦卡爾曼濾波算法建立北斗和5G 融合定位模型，實(shí)現(xiàn)了在模擬復(fù)雜環(huán)境下鐵路車機(jī)分米級(jí)定位.曹春曉等[24]研究了北斗+5G 聯(lián)合定位模型，基于后驗(yàn)加權(quán)進(jìn)行誤差校正提升融合定位精度.薛嘉琛等[25]基于北斗和5G 建立聯(lián)合定位方程，將北斗定位數(shù)據(jù)與5G 定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合解算.

這些研究雖對(duì)北斗+5G 融合定位進(jìn)行了探索，但都側(cè)重于算法或某個(gè)方法，未能系統(tǒng)地介紹移動(dòng)通信的定位方法，也沒有給出北斗+5G 融合定位的融合策略和方法.本文對(duì)移動(dòng)通信定位的演進(jìn)過程及最新的5G 定位技術(shù)的方法和特征進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，探討了北斗+5G 融合定位的方式，針對(duì)不同場(chǎng)景給出相應(yīng)的融合策略介紹了當(dāng)前北斗+5G 融合定位的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的研究給出建議.

1 無(wú)線定位技術(shù)

無(wú)線定位技術(shù)按照服務(wù)范圍可以劃分為局域定位和廣域定位，移動(dòng)通信網(wǎng)定位和GNSS 屬于廣域定位，為用戶提供普適的定位服務(wù)；Wi-Fi、藍(lán)牙和UWB等屬于局域定位，主要用于室內(nèi)場(chǎng)景.

1.1 北斗定位

BDS 是中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).BDS 于2000 年啟動(dòng)建設(shè)，在2020 年完成了BDS-3 全球組網(wǎng)，為全球用戶提供全天候的PNT 及短報(bào)文通信服務(wù).全球定位精度優(yōu)于10 m，事后差分定位精度達(dá)到毫米級(jí)，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns[26].北斗定位原理為：終端接收機(jī)同步觀測(cè)多顆已知位置的北斗衛(wèi)星，終端通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)時(shí)間，來(lái)計(jì)算終端與每個(gè)衛(wèi)星之間的距離，通過交會(huì)計(jì)算來(lái)確定終端接收機(jī)的位置.理論上利用3 顆衛(wèi)星組成星站距離方程組就可解算出終端位置，由于衛(wèi)星時(shí)鐘與終端接收機(jī)時(shí)鐘之間也存在偏差，鐘差也作為未知量進(jìn)行求解，因此，需要至少4 顆觀測(cè)衛(wèi)星信息引入方程組來(lái)解算終端位置.其公式為

式中：(xi,yi,zi)為北斗衛(wèi)星的坐標(biāo)，i為觀測(cè)到的衛(wèi)星序號(hào)；(x,y,z)為待求解的終端接收機(jī)的坐標(biāo)；c為光速；ti為衛(wèi)星與用戶機(jī)之間信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間差；Δt為衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差.

1.2 局域無(wú)線定位

局域無(wú)線定位主要包括Wi-Fi、藍(lán)牙和UWB 等方式，其定位技術(shù)主要分為四種類型：基于接收信號(hào)強(qiáng)度(received stgnal strength,RSS)的測(cè)距定位、基于信號(hào)特征的指紋定位、基于信號(hào)傳輸時(shí)間和角度測(cè)量的定位.

1) RSS 定位：無(wú)線信號(hào)在傳播時(shí)隨著距離增加，RSS 逐漸衰減，通過RSS 推測(cè)待定位目標(biāo)與信號(hào)發(fā)射源的距離，再利用三邊定位估算位置.

2)指紋定位：通過待定位目標(biāo)收到的信號(hào)特征與信號(hào)信息庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，來(lái)估算待定位目標(biāo)位置，需提前采集指紋數(shù)據(jù)庫(kù).

3)時(shí)間測(cè)量定位：利用測(cè)量信號(hào)傳播的到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)或到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)，來(lái)確定待定位目標(biāo)與基站間的距離關(guān)系，再利用三邊定位或雙曲線估算位置.

4)角度測(cè)量定位：通過測(cè)算信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)和信號(hào)發(fā)射源之間的相對(duì)方位或角度，再利用三角定位法或其他方式計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)位置，包括出發(fā)角(argle of departure,AOD)、到達(dá)角(angle of arrival,AOA)兩種方式.

1.2.1 Wi-Fi 定位

Wi-Fi 定位是一種基于無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的定位方式，通過接收到的Wi-Fi 信號(hào)信息來(lái)確定接收器的位置，主要有四種方法：指紋定位、RSS 定位、TOA 定位及AOA 定位.Wi-Fi 定位精度通常在數(shù)米到數(shù)十米，與接入點(diǎn)分布密度、信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境噪聲等因素有關(guān).Wi-Fi 定位優(yōu)點(diǎn)在于其覆蓋范圍廣、成本低，可用于室內(nèi)、城市區(qū)域等場(chǎng)景.RSS 定位方法在復(fù)雜的多徑環(huán)境下，測(cè)距定位精度下降；指紋法的采集和維護(hù)成本高，易受環(huán)境變化影響，難以廣泛部署；也面臨信號(hào)干擾、環(huán)境變化等問題.

1.2.2 藍(lán)牙定位

藍(lán)牙定位是指利用藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行定位的技術(shù)，需要在區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)，利用信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行定位.其定位原理和Wi-Fi 定位類似，也是通過RSS 定位、指紋匹配定位，藍(lán)牙5.1 標(biāo)準(zhǔn)引入了角度測(cè)量功能，支持AOA 和AOD 定位.藍(lán)牙定位精度主要受信號(hào)傳播影響，理想環(huán)境下定位精度達(dá)到1～5 m，在實(shí)際環(huán)境中，受障礙物對(duì)信號(hào)的影響定位精度會(huì)降低.藍(lán)牙定位優(yōu)點(diǎn)是低成本、低功耗和易于安裝等；缺點(diǎn)是定位精度較低，受多徑效應(yīng)和信號(hào)干擾影響較大.

1.2.3 UWB 定位

UWB 定位是利用UWB 信號(hào)進(jìn)行定位的技術(shù)，通過發(fā)送短脈沖信號(hào)，測(cè)量信號(hào)的TOA 或TDOA，從而確定發(fā)射器和接收器之間的距離來(lái)確定接收器的位置，理想環(huán)境下定位精度可達(dá)厘米級(jí).UWB 定位優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力和可靠性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)定位；缺點(diǎn)是建設(shè)成本高、受環(huán)境干擾較大、基站數(shù)量要求較多等.UWB 標(biāo)簽雖已做到小型化，但目前沒有集成到智能手機(jī)中，所以待定位目標(biāo)需單獨(dú)配備UWB 標(biāo)簽.

早期的移動(dòng)通信無(wú)法提供高精度定位，藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB 等無(wú)線局域定位技術(shù)成為室內(nèi)定位的重要手段，但大范圍部署成本高，難以成為普適的定位技術(shù).隨著5G 網(wǎng)絡(luò)定位精度突破亞米級(jí)和大范圍的商用部署，免去了專用定位設(shè)備的建設(shè)成本，使5G定位成為一種普適的高精度定位手段[27].

1.3 移動(dòng)通信網(wǎng)定位

通信網(wǎng)設(shè)計(jì)初衷是提供通訊服務(wù)，并未考慮定位機(jī)制，隨著定位服務(wù)需求日益增多，從1995 年起，2G 網(wǎng)絡(luò)引入定位技術(shù)，早期的通信網(wǎng)絡(luò)基于Cell ID 和測(cè)量時(shí)間進(jìn)行粗定位.隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通信網(wǎng)定位技術(shù)不斷迭代，定位精度也不斷提升.

1.3.1 早期通信網(wǎng)絡(luò)定位

2G 定位：在1999 年之前，移動(dòng)通信定位方案主要包括Cell ID 和Cell ID+時(shí)間提前量(time advance,TA)，通過基站的小區(qū)標(biāo)識(shí)確定終端位置和同步信號(hào)計(jì)算測(cè)距實(shí)現(xiàn)定位.后來(lái)增加了增強(qiáng)觀察時(shí)間差(enhanced observed time difference,E-OTD)和上行鏈路到達(dá)時(shí)間(Uplink TOA,UTOA)方法.E-OTD 是由基站播發(fā)信號(hào)，終端記錄來(lái)自不同基站信號(hào)的TOA，并計(jì)算時(shí)間差，再通過雙曲線原理定位[28]，UTOA 與EOTD 原理類似，不過是由終端發(fā)送信號(hào)，基站記錄TDOA.

3G 定位：3G 中繼承了Cell ID 方法，新增了觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差(observed time difference of arrival,OTDOA)和往返時(shí)間(round trip time,RTT)方法.OTDOA 定位技術(shù)與2G 網(wǎng)絡(luò)里面的E-OTD 定位方法類似，也是由基站發(fā)送信號(hào)，通過TDOA 計(jì)算終端位置.RTT 分別測(cè)量終端與基站的RTT，計(jì)算終端與基站之間的距離實(shí)現(xiàn)定位.

4G 定位：4G 對(duì)定位進(jìn)一步增強(qiáng)，引入了專用的定位參考信號(hào)(positioning reference signal,PRS)，新增了上行到達(dá)時(shí)間差(uplink TDOA,UTDOA) 和增強(qiáng)小區(qū)法(enhanced Cell ID,E-CID)方法，3GPP 在Release 13 標(biāo)準(zhǔn)里提到的定位包括：依賴蜂窩定位方法的OTDOA、UTDOA、E-CID 和不依賴蜂窩定位方法網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Assisted GNSS,A-GNSS).

早期的通信定位主要利用測(cè)量時(shí)間進(jìn)行定位，依賴通信過程中所需的導(dǎo)頻或控制信號(hào).4G 設(shè)計(jì)了專用的定位參考信號(hào)，由于信號(hào)帶寬最大僅為20 MHz，且基站間距在百米級(jí)，因此定位精度仍較低[27].

1.3.2 5G 定位

5G 定位保留了E-CID 方法，將UTDOA、OTDOA和RTT 方法分別演進(jìn)為上行到達(dá)時(shí)間差定位法(uplink TDOA，UL-TDOA)、下行到達(dá)時(shí)間差定位法(downlink TDOA，DL-TDOA)和Multi-RTT，并新增了基于角度測(cè)量的定位方法下行出發(fā)角法(downlink AOD，DL-AOD)和上行到達(dá)角法(uplink AOA，ULAOA)[29].這些方法可以分為基于時(shí)間測(cè)量、角度測(cè)量及混合定位三種類型.

時(shí)間測(cè)量定位：測(cè)量終端和基站之間收發(fā)無(wú)線信號(hào)的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行定位，包括DL-TDOA、UL-TDOA和Multi-RTT，前兩種方法需要基站間嚴(yán)格時(shí)間同步，而后者不需要.

DL-TDOA：終端測(cè)量?jī)蓚€(gè)基站發(fā)送的下行PRS的TDOA，利用雙曲線原理實(shí)現(xiàn)定位，如圖1 所示.

圖1 TDOA 定位示意圖

UL-TDOA：基站測(cè)量上行鏈路TDOA，通過計(jì)算終端上行探測(cè)參考信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間差，利用雙曲線原理實(shí)現(xiàn)定位，如圖1 所示.

Multi-RTT：多站往返時(shí)間法，終端和基站相互發(fā)送信號(hào)，測(cè)算基站和終端之間的RTT，得到終端與多個(gè)基站的距離，再利用三邊定位原理定位，如圖2所示.

圖2 Multi-RTT 定位示意圖

角度測(cè)量定位：5G 采用大規(guī)模天線陣列，可以測(cè)量更高精度的角度，基于2 個(gè)基站測(cè)量的角度即可實(shí)現(xiàn)定位，如圖3 所示.

圖3 AOD/AOA 定位示意圖

DL-AOD：終端測(cè)量下行參考信號(hào)波束，根據(jù)發(fā)送波束方向來(lái)估計(jì)終端的位置角度，依據(jù)多個(gè)基站估算的入射角度計(jì)算終端位置.

UL-AOA：原理與DL-AOD 類似，多個(gè)基站測(cè)量終端上行信號(hào)的到達(dá)角度，根據(jù)多個(gè)基站測(cè)量的到達(dá)角度計(jì)算終端位置.

混合定位：主要是指E-CID，即增強(qiáng)小區(qū)法，是一種混合定位方法，融合了基站鄰近位置、時(shí)間測(cè)量及角度測(cè)量三種定位方法，僅靠單基站即可完成定位，不受基站間時(shí)間同步限制.E-CID 方法包括Cell ID+RTT、Cell ID+RTT+AOA/AOD 等.其原理是：首先根據(jù)Cell ID 鎖定終端所在基站的扇區(qū)；然后基站與終端互發(fā)參考信號(hào)測(cè)量時(shí)間差得到RTT，確定終端所在的圓，再結(jié)合DL-AOD 或UL-AOA 得到角度信息，方向角與圓的交點(diǎn)即為終端位置，如圖4 所示.

圖4 E-CID 定位示意圖[30]

由于5G 超密集網(wǎng)絡(luò)增加了參考點(diǎn)的數(shù)量和多樣性，大規(guī)模天線技術(shù)多波束可利用AOA/AOD 估計(jì)更精確，及更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可提升基于時(shí)間測(cè)量的精度等因素，使得5G 定位精度達(dá)到亞米級(jí).3GPP 在Release 17 中對(duì)5G 定位的目標(biāo)精度要求為：針對(duì)一般的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，水平定位精度優(yōu)于1 m，垂直定位精度優(yōu)于3 m；對(duì)于要求更高的的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，水平定位精度優(yōu)于0.2 m，垂直定位精度優(yōu)于1 m[13].

2 北斗+5G 融合定位

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了我國(guó)絕大部分城市地區(qū)，隨著5G 定位精度的不斷提高和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的增大，移動(dòng)通信網(wǎng)的高精度定位可以作為一種普適的定位手段，彌補(bǔ)BDS 定位的不足，北斗+5G 融合定位構(gòu)建室內(nèi)外無(wú)縫定位服務(wù).按照兩種定位的融合程度，本文將北斗+5G 融合定位分成了2 個(gè)層級(jí)：一是定位增強(qiáng)，北斗和5G 相互賦能，增強(qiáng)各自的定位能力；二是定位融合，北斗和5G 定位深度融合，又可細(xì)分為5G 輔助北斗定位(Assisted BDS,A-BDS)、北斗與5G 加權(quán)融合定位及北斗與5G 信號(hào)融合定位.

2.1 北斗+5G 定位增強(qiáng)

5G 的優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及室內(nèi)定位，北斗的優(yōu)勢(shì)在于高精度定位和授時(shí)，二者相互賦能，提升定位精度.通過分析5G 和北斗各自的優(yōu)勢(shì)，北斗+5G 定位增強(qiáng)方案如下：

5G 增強(qiáng)北斗定位：基于5G 基站建設(shè)的北斗連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)，能夠降低CORS 站的建設(shè)成本；借助運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維能力，可以將CORS 站的運(yùn)維水平提升至電信級(jí)[19].此外，5G 低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為北斗實(shí)時(shí)差分信息傳輸做高質(zhì)量保障，確保北斗實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位.

北斗增強(qiáng)5G 定位：5G 的TDOA 定位方法是基于測(cè)量時(shí)間的定位，需通信基站之間嚴(yán)格的時(shí)間同步[25,31]，基于北斗+1588v2 技術(shù)的時(shí)間同步方法能提升5G 基站間的時(shí)間同步精度[32]，從而有效提升TDOA定位方法的精度.

2.2 北斗+5G 定位融合

按照定位融合的耦合度，將北斗+5G 定位融合劃分為三種：5G 輔助北斗定位，北斗與5G 獨(dú)立定位后加權(quán)融合和信號(hào)融合定位.

2.2.1 5G 輔助北斗定位

移動(dòng)通信網(wǎng)定位與衛(wèi)星定位相結(jié)合得比較早，在2G 時(shí)就支持輔助GPS 定位(Assisted Global Positioning System,A-GPS)，在3G 時(shí)演進(jìn)為A-GNSS[33]，3GPP 在Release 16 中引入了BDS-3 信號(hào)來(lái)完善A-GNSS 的定位方法，使得5G+北斗融合定位更成熟.其原理是：在BDS 信號(hào)接收效果較好的區(qū)域安裝參考衛(wèi)星定位接收機(jī)，利用A-BDS 服務(wù)器計(jì)算終端的粗位置，然后通過網(wǎng)絡(luò)將終端需要的時(shí)鐘和星歷等輔助數(shù)據(jù)發(fā)送給終端，由終端進(jìn)行定位測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后，終端自主計(jì)算位置，或終端將測(cè)量結(jié)果發(fā)給A-BDS 服務(wù)器計(jì)算位置，如圖5 所示.

圖5 A-BDS 定位示意圖

基于5G 的A-BDS 定位，融合了5G 網(wǎng)絡(luò)和BDS定位技術(shù)，在BDS 信號(hào)不佳的情況下，可實(shí)現(xiàn)北斗快速高效定位.與獨(dú)立的BDS 定位相比，A-BDS 技術(shù)具有定位時(shí)間短、耗電量低、靈敏度高等優(yōu)勢(shì).但A-BDS 本質(zhì)還是基于北斗的定位，5G 只是起到了粗定位和網(wǎng)絡(luò)傳輸作用，并未發(fā)揮5G 自身的高精度定位能力.

2.2.2 加權(quán)融合定位

北斗+5G 加權(quán)融合定位，是指北斗和5G 針對(duì)同一待定位目標(biāo)分別進(jìn)行定位，然后對(duì)兩者的定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)得到最終定位結(jié)果.在BDS 受遮擋情況下，觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量雖大于4顆，但衛(wèi)星幾何分布較差，定位精度較低，引入5G 定位結(jié)果，通過加權(quán)融合來(lái)提升定位精度.龔利等[23]基于北斗觀測(cè)數(shù)量和5G 定位的信號(hào)質(zhì)量等確定分配因子，構(gòu)建北斗和5G 加權(quán)融合定位模型，曹春曉等[24]基于最小二乘殘差Helmert后驗(yàn)加權(quán)，來(lái)提升北斗與5G 聯(lián)合定位的精度.

2.2.3 信號(hào)融合定位

北斗+5G 信號(hào)融合定位，是指將北斗和5G 原始的信號(hào)觀測(cè)信息進(jìn)行融合，建立聯(lián)合方程組來(lái)解算終端定位.5G 基于測(cè)量時(shí)間的定位方法和BDS 定位原理比較類似，都是基于TOA 原理定位，在衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)量少于4 顆時(shí)，BDS 無(wú)法獨(dú)立定位，把5G 信號(hào)作為補(bǔ)充信息，可實(shí)現(xiàn)北斗+5G 深度融合定位.薛嘉琛等[25]研究了在室內(nèi)外過渡場(chǎng)景下，利用5G 到達(dá)時(shí)間差和北斗偽距觀測(cè)量進(jìn)行聯(lián)合解算，實(shí)現(xiàn)基于信號(hào)融合的定位.

綜上所述，北斗+5G 融合定位可提升北斗和5G 整體的定位精度和可用性，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位，在不同場(chǎng)景下北斗和5G 定位融合可采用不同的策略，如表1 所示.

表1 各場(chǎng)景北斗+5G 定位融合策略

在室外開闊區(qū)域，衛(wèi)星定位精度更高，應(yīng)以北斗定位為主，5G 定位為輔，5G 定位作為BDS 定位失效時(shí)的補(bǔ)充，此外利用A-BDS 縮短北斗定位時(shí)間.在室外遮擋區(qū)域，當(dāng)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量大于等于4 顆時(shí)，此時(shí)BDS 有獨(dú)立定位能力，采用北斗+5G 加權(quán)融合定位的策略；在室外遮擋區(qū)域，當(dāng)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量為1～3 顆時(shí)，此時(shí)BDS 無(wú)法獨(dú)立定位，采用北斗+5G 信號(hào)融合定位的策略，也可以使用5G 獨(dú)立定位進(jìn)行補(bǔ)充.在室內(nèi)無(wú)法觀測(cè)到衛(wèi)星時(shí)，采用5G 定位，依據(jù)用戶場(chǎng)景在局域可以與UWB、Wi-Fi、藍(lán)牙及地磁等定位手段相結(jié)合，如圖6 所示.

圖6 北斗+5G 融合定位示意圖

3 北斗+5G 融合定位發(fā)展及應(yīng)用

隨著5G 高精度定位技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作也在逐步開展.中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(China Communications Standards Association，CCSA)設(shè)立了“導(dǎo)航和位置服務(wù)特設(shè)任務(wù)組”，開展與通信行業(yè)相關(guān)的導(dǎo)航與位置服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化研究.CCSA 推出了《基于移動(dòng)通信網(wǎng)的帶內(nèi)與共頻帶定位技術(shù)要求與測(cè)試方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案，將共頻帶定位技術(shù)成功寫入了5G 高精度定位研究報(bào)告TR38.855中，推動(dòng)了BDS-3 新信號(hào)進(jìn)入3GPP 標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)了5G 定位支持A-BDS 方法[34].這些工作推進(jìn)了我國(guó)北斗+5G融合定位的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用.

電信運(yùn)營(yíng)商作為5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)者和運(yùn)營(yíng)者，響應(yīng)國(guó)家PNT 戰(zhàn)略，利用自身基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)和運(yùn)營(yíng)服務(wù)優(yōu)勢(shì)，建設(shè)北斗定位CORS 系統(tǒng)，研發(fā)北斗+5G 高精度定位產(chǎn)品，并推廣北斗+5G 融合應(yīng)用.

中國(guó)聯(lián)通正在建設(shè)基于5G 基站的北斗CORS站，研發(fā)了高精融合度定位系統(tǒng)，發(fā)布了5G+北斗時(shí)空服務(wù)平臺(tái)，面向行業(yè)提供室外高精度定位服務(wù).針對(duì)智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、交通物流、文化旅游、農(nóng)林牧漁和生態(tài)環(huán)保等6 個(gè)行業(yè)推出了5G+北斗應(yīng)用解決方案，為傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型賦能.

中國(guó)移動(dòng)在全國(guó)建設(shè)了4 000 多個(gè)CORS站，研發(fā)了OnePoint“5G+北斗”高精度定位產(chǎn)品，提供厘米定位服務(wù).中國(guó)移動(dòng)發(fā)布了智能駕駛、智慧港口、智慧物流和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等10 個(gè)“5G+北斗高精度定位”應(yīng)用場(chǎng)景及解決方案，以支持5G+北斗在市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用.

中國(guó)電信投資了高精定位服務(wù)公司，該公司在全國(guó)建設(shè)了2 000 多個(gè)CORS站，打造后處理毫米級(jí)高精度定位開放平臺(tái).中國(guó)電信在能源和鐵路行業(yè)探索北斗+5G 的應(yīng)用場(chǎng)景，將其在配電網(wǎng)智能化應(yīng)用方面進(jìn)行落地.

4 結(jié)束語(yǔ)

北斗和5G 定位都是普適的高精度定位手段，兩者有很好的互補(bǔ)性，北斗與5G 定位融合，為用戶提供室內(nèi)外一體化定位服務(wù).本文介紹了主要的無(wú)線定位技術(shù)，重點(diǎn)梳理了移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)的演進(jìn)及最新的5G 定位方法，將北斗和5G 融合定位分成定位增強(qiáng)和定位融合，并依據(jù)融合的耦合度，將定位融合再細(xì)分為5G 輔助北斗定位、加權(quán)融合定位和信號(hào)融合定位三種方式，以滿足不同的場(chǎng)景.雖然我國(guó)在北斗+5G 融合定位的研究及應(yīng)用推廣方面取得了一定進(jìn)展，但還有諸多問題需要研究：

1) 5G 普適定位.盡管3GPP 已制定了5G 定位的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但5G 定位的網(wǎng)絡(luò)部署并未大規(guī)模落地，還處于局部試點(diǎn)狀態(tài)，5G 網(wǎng)絡(luò)自身的定位能力還需進(jìn)一步釋放.

2) 北斗+5G 融合定位.目前北斗和5G 融合定位的研究還不夠深入，需要繼續(xù)研究北斗+5G 融合定位的機(jī)制、算法及模型，引入人工智能技術(shù)提升融合定位的精度.

3) 5G 載波相位定位.當(dāng)前5G 基于時(shí)間測(cè)量的定位方法實(shí)際上是基于偽距測(cè)量實(shí)現(xiàn)的，而北斗基于載波相位差分的定位精度達(dá)到毫米級(jí)，3GPP 正在借鑒北斗的載波相位定位，預(yù)研5G 基于載波相位的定位技術(shù).

4) 天地一體化PNT.在未來(lái)BDS、低軌通信衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)形成星天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，構(gòu)建我國(guó)智能PNT，需要預(yù)研低軌通信衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)的融合定位技術(shù).