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中国信通院刘海蛟等:北斗+5G融合定位技术研究

2022-03-29 09:39

0 引言

北斗卫星导航系统(简称北斗系统)是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。2020年7月31日,北斗三号系统建成开通并提供全球服务,北斗系统进入全面推广应用的新阶段。

卫星导航定位解决了室外空旷区域定位的基本需求问题,在室外空旷区域北斗系统已经能够提供较为可靠的定位性能,尤其是北斗增强的区域差分技术(如实时动态码相位差分技术)、实时动态载波相位差分技术(Real-Time Kinematic,RTK)和广域增强技术(如精密单点定位技术),可实现有基于北斗信号的米级、亚米级甚至厘米级的高精度定位。然而,由于导航卫星信号的自身特点,其信号无法覆盖室内且对环境免疫性较差,难以满足室内定位以及室外遮挡等复杂区域定位的必要条件,目前已有的室内定位手段也因为系统复杂度和成本等问题,未能大范围推广应用。

5G系统具有密集组网、大带宽和多天线等对定位有利的条件,其信号应用于定位具有功率强、伪距测量精度高、信号带宽资源丰富、信号多径免疫性强等优势。因此,基于5G通信网络的定位技术可在室内等复杂条件下实现亚米级,甚至分米级定位精度。通过北斗与5G的深度融合,可构建室内外无缝定位体系,满足日益增长的泛在定位需求,从而为未来智能社会提供全场景高精度时空感知基础支撑。

1 发展现状

ITU、IMT2020、3GPP相继启动了5G定位研究工作,普遍认为5G主要的两大驱动力是移动互联网和物联网。高精度位置服务作为未来移动互联网和物联网的重要核心业务之一,必然是未来5G网络核心业务之一。为应对用户日益提高的无线高精度定位需求,3GPP设立了定位增强项目,开展了室内定位需求相关标准和技术的研究。

1.1 移动智能终端北斗定位应用

移动通信受众广、用户群体庞大,在全球拥有几十亿的移动通信用户和终端。北斗移动通信国际标准化工作是北斗系统实现产业化、国际化的关键环节,我国高度重视北斗在智能终端中的推广应用。国务院2013年印发的《关于促进信息消费扩大内需的若干意见》提出“加快推动北斗导航核心技术研发和产业化,推动北斗导航与移动通信、地理信息、卫星遥感、移动互联网等融合发展”;国务院办公厅2013年印发的《国家卫星导航产业中长期发展规划》也明确提出“重点推动北斗兼容卫星导航功能成为车载导航、智能手机的标准配置”。根据中国信息通信研究院发布的《国内手机产品通信特性与技术能力监测报告》,2021年第一季度,申请进网的手机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%,北斗在手机中的渗透率得到大幅提升[1]

移动通信领域北斗定位国内国际标准化工作有序推进。国内标准方面,自2014年起,中国通信标准化协会(China Communications Standards Association,CCSA)ST9等多个工作委员会在工作范围内陆续启动了北斗定位行业标准的制定工作,涵盖性能、协议、射频、电磁兼容等多个方面。国际标准方面,中国信息通信研究院联合国内优势单位,制定26项支持北斗二号B1I信号的3GPP标准,支持北斗三号B1C信号的3项3GPP 标准于2020年7月随R16版本正式发布。

1.2 4G蜂窝定位技术

目前,利用4G蜂窝网络进行定位的优势在于其定位参考点(定位基站)网络是利用运营商规模建设的无线通信网络,定位终端是广泛普及的移动智能终端。因此,4G无线通信网定位系统具备天然的普适性和易推广优势,也是建立和承载各种基于位置的服务(Location Based Services,LBS)业务的有效入口。4G无线通信网定位系统的定位精度与定位参考基站的部署密度(站间距)和无线环境参数等密切相关。目前,大部分室外4G通用基站的站间部署密度约为300 ~1500 m,考虑不同的定位算法,通用基站网络的定位精度在50 m以上,只能作为GNSS定位系统的补充。

在定位原理方面,4G无线通信定位技术和卫星定位技术类似,采用三角定位技术。目前,常见的定位信号有3类:RSSI信号场强、TDOA、AOA。在网络架构方面,借助运营商室内数字化分布式小蜂窝解决方案(RRU + BBU)可以实现室内范围无线信号的无缝覆盖。定位能力只是普通4G无线通信业务之外附加的能力,通过将网络边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)作为对外定位能力的开放平台,提供各种第三方移动业务(包括位置服务LBS业务)应用接口。因此,MEC也是融合其他非蜂窝定位技术(如Wi-Fi、蓝牙、地磁、惯导等)的统一位置服务平台载体。

1.3 多体制协同的室内外无缝定位技术

导航卫星与地面网络协同、多种地面定位技术的协同以及室内外协同的高精度无缝定位技术已成为未来的发展趋势。

谷歌公司开发了全球大众化手机终端网络定位服务平台(Google Mobile Service),在服务层,一般都用离线和在线结合的方式,聚合大量局部的基站、Wi-Fi数据库等定位资源,通过协同计算最大限度满足用户的实时定位体验。

欧洲航天局联合使用了能在室内接收到GPS和Galileo信号的高灵敏度接收器和辅助定位传感器如气压高程计、加速度计、陀螺传感器、UWB、Wi-Fi等,并结合地图匹配技术可依据当前建筑的计算机模型综合本地现有的数据在室内外进行无缝定位。

美国高通公司研发了AGPS+AFLT+Cell-ID(无线辅助定位+CDMA网络三角定位技术+小区定位)混合定位技术gpsOne,形成无线网络辅助GPS定位,可以实现城区5~ 50 m的定位精度以及室内70 m的定位精度。

1.4 北斗+5G融合定位试验验证情况

2021年3月,欧洲航天局召开GINTO5G项目线上研讨会,介绍项目成果。该项目属于欧洲航天局卫星导航研究与创新框架计划,使用德国电信在慕尼黑的移动通信网络,结合诺瓦泰公司的卫星导航设备和差分数据修正服务,开展天地混合定位测试,展示了卫星导航和5G融合应用的潜力。

2021年3月,苏州移动联合华为在苏州地铁进行了5G室内定位能力验证,5G基站对用户终端的无线信号特征参数进行测量,并通过基站和边缘计算的协同,解算终端所处位置。经测试,在基站隐藏部署的情况下可实现地铁站台和站厅范围内99%区域3~5 m定位精度。

2021年4月,中国移动开发5G+北斗精准导航系统,并在重庆解放碑地下环道进行试验。该系统结合5G大带宽、低时延、广连接的优势和北斗系统的导航定位能力,为集地下车行道、轨道交通、人防设施、地下车库为一体的解放碑地下环道提供全天候的高精度定位服务。

2 北斗+5G融合定位技术

对于遮挡区域,采用5G定位的方法满足定位需求;对于空旷区域,采用北斗定位的方法满足定位需求。通过北斗+5G融合定位,共同构成室内外无缝定位体系,可满足全场景下的定位应用需求。5G定位可分为下行定位、上行定位和上下行结合定位3种类别。

2.1 下行定位技术

下行定位技术在下行链路中发送与定位相关的信号,由终端进行位置解算,典型的定位方法有DL-TDOA。DL-TDOA的定位过程如图1所示。

图1 DL-TDOA定位示意图

(1)终端接收来自不同基站的定位信号。

(2)终端处理收到的定位信号,通过寻找首经获得到达时间。

(3)确定一个参考基站,根据到达时间计算不同基站与参考基站的到达时间差。

(4)基于多组到达时间差求解终端位置。

2.2 上行定位技术

上行定位技术在上行链路中发送与定位相关的信号,由基站端进行位置解算,典型的定位方法有UL-TDOA和UL-AOA。UL-TDOA的原理和DL-TDOA基本一致,UL-AOA需要在定位基站上部署天线阵列,其定位过程如图2所示。

图2 UL-AOA定位示意图

(1)不同基站接收来自终端的定位信号。

(2)基站通过相位差判断终端相对于基站的角度。

(3)基于多组基站的角度求解终端位置。

2.3 上下行结合定位技术

上下行结合定位技术的终端和基站相互发送定位信号,根据终端接收信号和发射信号之间的时间差,以及基站接收信号和发射信号之间的时间差,求解终端位置,典型的定位方法有Multi-RTT,其定位过程如下。

(1)基站发射下行信号,基于基站时钟记录发射时间t1,基于终端时钟记录接收时间t2

(2)终端发射上行信号,基于终端时钟记录接收时间t3,基于基站时钟记录发射时间 t4

(3)求解终端和基站间传输时间,公式为:((t4-t1)+(t3- t2))/2。

(4)基于传输时间求解终端与基站间距离。

(5)通过联合解算多组终端与基站间距离,或者联合解算终端与基站间距离和角度,计算终端位置。

2.4 分析

为实现定位功能,5G系统需要在满足通信功能的基础上进行相应地改进和升级,除了进一步提升基站部署密度以实现区域多重覆盖之外,还包括对于TDOA技术,参与定位的5G基站间需要实现较高精度的时间同步;对于AOA技术,5G基站需要部署大规模相控阵天线;对于Multi-RTT技术,终端和基站都需要发射定位信号,对无线信号的时频资源占用较大,设备功耗较高。

3 仿真结果

为验证北斗+5G融合定位的性能,本章对DL-TDOA技术的定位性能进行仿真,以分析多径环境下的信号传播,完成信号首径检测并测距。该仿真系统包含4部分,分别是空间构造、传播分析、编码测距和定位算法。空间构造部分负责构造三维虚拟空间,绘制射线路径与定位点坐标;传播分析部分给出空间中任意一点接收到的信号路径数量以及每一条径的参数;编码测距部分主要负责实现两大功能,即实现多径信号的合成和提取首径并计算到达时间;定位算法部分实现位置估算和定位误差估计,并根据定位误差对网元布局进行优化。该仿真系统各部分的关系如图3所示。

图3 北斗+5G仿真系统

如图4所示,结合试验场地进行仿真,可获得试验场地5G基站分布最佳构型,进而确定基站布设方案。经过仿真可获取试验区域内多径的误差结果,具体如图5所示。

图4 试验场地平面图

图5 区域内各点多径图

通过分析图5可以得出:虽然精度因子从系统基站构型上影响区域内各站点的定位精度,但是在5G定位中,实际场景中的信号反射多径等也是影响定位精度的一个因素。因此,在5G定位的建设规划中,多径影响是必须要考虑的一个因素。针对5G定位基站的壁挂方案和吸顶方案,对首径数量、多径数量和定位精度进行仿真,可得到如表1所示的结果。

表1 结果比对

通过分析表1可知,两个方案中吸顶方案更好,可拥有更高的定位精度。伪距UL-TDOA定位能达到米级定位精度,与信号深度相关的载波相位信息联合应用进行可进一步降低观测随机噪声、减小定位误差。

4 结束语

北斗+5G融合定位有效解决了卫星导航信号难以覆盖室内/遮挡等区域的高精度定位难题,对于构建室内外无缝定位体系、实现未来智能网络具有重要意义。5G系统具有大带宽、密集组网和多天线等特点,具备实现室内/遮挡条件下高精度定位的能力,随着5G相关体系的成熟和高精度时间同步等技术的发展,基于5G信号/北斗+5G融合的高精度定位技术日益成为学术界和产业界关注的重点。通过本文的仿真可知,5G信号可以在室内等复杂条件下实现高精度的米级定位,同时区别于卫星导航定位技术,在5G定位系统的建设规划中,除了定位基站构型设计,多径影响是必须要考虑的一个因素。基于伪距的5G定位技术可达到米级定位精度,若进一步考虑将5G伪距信号与5G多载波相位的联合应用,可进一步增强系统环境多径免疫性,同时提升定位精度至亚米级甚至厘米量级,具有广阔的应用前景。


知识来源: https://www.wangan.com/p/7fy7f3274e0a9137

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