鄧中亮，王翰華，劉京融

(北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

習(xí)近平總書(shū)記十九大報(bào)告中提出建設(shè)智慧社會(huì)。泛在的高精度時(shí)空信息是智慧社會(huì)建設(shè)的核心基礎(chǔ)，已成為國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵，在未來(lái)社會(huì)中將扮演重要角色,例如：

1)賦能安全生產(chǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控工人、裝備位置，預(yù)測(cè)生產(chǎn)態(tài)勢(shì)，使救援模式從被動(dòng)響應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)防御；

2)賦能智能制造，實(shí)現(xiàn)工廠高效無(wú)人化運(yùn)行，提升生產(chǎn)效率；

3)賦能智慧農(nóng)耕，實(shí)現(xiàn)大農(nóng)業(yè)區(qū)范圍的無(wú)人化作業(yè)，降低人工成本；

4)賦能智慧交通，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和車(chē)輛與設(shè)施的智能調(diào)度，緩解交通壓力，提高運(yùn)行效率；

5)賦能物流運(yùn)輸，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施體系，支撐無(wú)人車(chē)、無(wú)人機(jī)精確控制與監(jiān)管；

6)賦能智慧醫(yī)療，提升疫情預(yù)警與防控效率，增強(qiáng)病患關(guān)護(hù)能力。

目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Sa-tellite System，GNSS)在室外可提供高精度位置服務(wù)，但在室內(nèi)、山區(qū)、地下等障礙物遮蔽環(huán)境下存在信號(hào)覆蓋盲區(qū),僅依賴(lài)GNSS進(jìn)行定位難以滿足泛在的高精度時(shí)空信息需求。同時(shí)，獨(dú)立工作的GNSS接收機(jī)需要10s級(jí)的初始定位時(shí)間，也存在定位服務(wù)延遲較長(zhǎng)的問(wèn)題。

通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)成為解決室內(nèi)定位問(wèn)題、增強(qiáng)位置服務(wù)能力的有效手段。近年來(lái)，由于無(wú)線通信技術(shù)的普及，以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為代表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們生活的必需品，我國(guó)2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在城市、鄉(xiāng)村、道路等區(qū)域達(dá)到了90%以上的覆蓋率。研究者將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為解決室內(nèi)定位問(wèn)題的手段，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航，與GNSS結(jié)合形成泛在、高精度的時(shí)空信息感知能力。因此，通信與導(dǎo)航的融合已經(jīng)成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

本文首先闡述了通信與導(dǎo)航的融合方式，討論了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)分析了幾種常用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后討論了多網(wǎng)融合的作用，闡述了北斗與5G結(jié)合產(chǎn)生的增強(qiáng)效應(yīng)，最后討論了通信與導(dǎo)航融合的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 通信與導(dǎo)航的融合

通信與導(dǎo)航的融合可分為以下三種方式：1)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)的增強(qiáng)；2)通信系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)；3)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信導(dǎo)航一體化融合。

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)的增強(qiáng)

如圖1所示，導(dǎo)航系統(tǒng)提供的高精度時(shí)空信息可賦能通信系統(tǒng)，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率與安全性。例如：

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)的增強(qiáng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of enhancement of the communication system by the navigation system

1)GNSS可以為通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度納秒級(jí)甚至亞納秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，用于提升通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；

2)高精度的終端位置信息還能夠輔助通信系統(tǒng)提高移動(dòng)管理效率和天線波束管理準(zhǔn)確性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。

1.2 通信系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)

如圖2所示，通信系統(tǒng)可作為導(dǎo)航輔助信息與增強(qiáng)信息的傳輸通道，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。例如：

圖2 通信系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of enhancement of the navigation system by the communication system

1)輔助GNSS(Assisted GNSS，A-GNSS)技術(shù)，利用通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航電文、概略位置、時(shí)間信息和頻率信息等至用戶終端，輔助融合終端接收衛(wèi)星信號(hào)，減少捕獲時(shí)間，提高靈敏度；

2)差分增強(qiáng)系統(tǒng)也可使用通信網(wǎng)絡(luò)作為改正數(shù)等增強(qiáng)信息的傳輸通道，提高終端的定位精度。

這種方式下定位服務(wù)仍然依靠導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并不能解決室內(nèi)、山區(qū)、地下等環(huán)境下的定位問(wèn)題。

1.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信導(dǎo)航一體化融合

通信和導(dǎo)航的一體化融合是指使同一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩方面功能,我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能是這一融合方式的典型案例,但更多的融合還是用于地面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位功能，解決衛(wèi)星定位系統(tǒng)的室內(nèi)服務(wù)盲區(qū)問(wèn)題。例如：

1)藍(lán)牙技術(shù)除了用于設(shè)備間通信外，還能通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)和信號(hào)到達(dá)角度(Angle of Arrival，AOA)進(jìn)行終端定位；

2)Wi-Fi技術(shù)除了無(wú)線路由外，也可支持基于RSSI、AOA和信號(hào)飛行時(shí)間(Time of Flight，TOF)的定位；

3)超寬帶(Ultra-Wideband, UWB)技術(shù)作為無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)通信技術(shù)也支持基于TOF的定位；

4)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)則支持小區(qū)標(biāo)識(shí)法(Cell-ID)和基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、TOF以及AOA等多種觀測(cè)信息的定位方法，還設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的定位參考信號(hào)(Positioning Reference Signal，PRS)以支持更高精度的終端定位。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)已經(jīng)成為了解決室內(nèi)定位問(wèn)題的主要手段之一。

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)面臨以下幾方面挑戰(zhàn)：

1)可測(cè)性。在室內(nèi)、山區(qū)和地下等環(huán)境下具有信號(hào)被遮擋和反射面多的特點(diǎn)，導(dǎo)致多徑干擾嚴(yán)重、非視距問(wèn)題頻發(fā)，對(duì)無(wú)線信號(hào)的測(cè)量帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

2)可靠性。單一網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋盲區(qū)，需要融合多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高可靠的定位，但不同網(wǎng)絡(luò)之間在基準(zhǔn)、觀測(cè)量、方式、能力上都存在明顯差異，如何融合異構(gòu)的多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位能力的提升是面臨的一大挑戰(zhàn)。

3)精確性。傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合方法采用非連續(xù)信號(hào)測(cè)量，在測(cè)距精度上具有先天不足，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的測(cè)距能力還需要進(jìn)一步技術(shù)突破。

4)魯棒性。主流的導(dǎo)航控制與決策方法中測(cè)算技術(shù)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，通信導(dǎo)航融合后可與關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)、智能控制等實(shí)現(xiàn)一體化整合，但相應(yīng)技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

5)實(shí)時(shí)性。未來(lái)將面臨秒級(jí)響應(yīng)和千億量級(jí)的位置服務(wù)訪問(wèn)需求，巨量位置感知計(jì)算的實(shí)時(shí)性處理則是必須克服的挑戰(zhàn)。

3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 藍(lán)牙定位

藍(lán)牙技術(shù)是一種常用的短距離無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工作于非授權(quán)ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，主要用于WPAN，由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group，Bluetooth SIG)進(jìn)行管理和標(biāo)準(zhǔn)化，早期的1.1和1.2版本曾被電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)作為802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，但后續(xù)版本仍主要由Bluetooth SIG進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。藍(lán)牙定位技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙定位技術(shù)演進(jìn)過(guò)程Fig.3 The evolution process of Bluetooth positioning technology

作為一種最初僅為通信功能創(chuàng)立的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙在定位方面的發(fā)展可分為3個(gè)階段：

1)2002年,藍(lán)牙1.1即IEEE 802.15.1-2002標(biāo)準(zhǔn)中引入了對(duì)RSSI的測(cè)量功能，使得基于藍(lán)牙可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的指紋匹配定位，或通過(guò)路徑損耗模型計(jì)算信號(hào)傳播距離后的三邊定位，定位誤差可達(dá)數(shù)米，但這一階段的藍(lán)牙技術(shù)功耗較高，難以支撐長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)收發(fā)，實(shí)際應(yīng)用能力較差。

2)2010年,藍(lán)牙4.0版本低功耗藍(lán)牙(Blue-tooth Low Energy，BLE)協(xié)議推出，極大降低了藍(lán)牙設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，至2013年后蘋(píng)果公司等多家公司相繼推出了藍(lán)牙信標(biāo)(Beacon)產(chǎn)品，使得藍(lán)牙定位網(wǎng)絡(luò)的部署成本極大降低，但這一階段藍(lán)牙仍然主要依靠RSSI進(jìn)行定位，在階段部署密度較高的情況下，定位精度最高能達(dá)到米級(jí)。

3)2019年，藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)中加入了對(duì)AOA和信號(hào)離去角度(Angle of Departure，AOD)的支持，融合RSSI和AOA測(cè)量結(jié)果可提高定位精度，能夠提供亞米級(jí)的定位精度，如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙5.1的AOA測(cè)量示意圖[23]Fig.4 Schematic diagram of AOA measurement using Bluetooth 5.1[23]

藍(lán)牙定位存在兩方面問(wèn)題：1)BLE信號(hào)帶寬僅為2MHz，在室內(nèi)環(huán)境中受到多徑干擾嚴(yán)重，定位精度的進(jìn)一步提高較為困難；2)藍(lán)牙技術(shù)面向WPAN設(shè)計(jì)，Beacon節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍一般僅為10m左右，如需大范圍無(wú)縫定位服務(wù)則需要部署巨量節(jié)點(diǎn)，成本較高。

3.2 Wi-Fi定位

Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)技術(shù)。Wi-Fi定位技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程如圖5所示，也可分為3個(gè)階段：

圖5 Wi-Fi定位技術(shù)演進(jìn)過(guò)程Fig.5 The evolution process of Wi-Fi positioning technology

1)1999年,最初的幾種Wi-Fi版本都支持基于通信信號(hào)的RSSI，可進(jìn)行指紋匹配或三邊定位，但與藍(lán)牙不同的是，基于IEEE 802.11a的Wi-Fi和之后的多數(shù)版本都采用正交頻分復(fù)用調(diào)制(Ortho-gonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)，可以提供信道狀態(tài)信息(Channel State Informa-tion，CSI)，CSI相比RSSI具有更高維度，能夠提供亞米級(jí)的指紋定位精度，但CSI特征會(huì)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致定位精度隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低；

2)2009年發(fā)布的基于IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi 4版本中，加入了對(duì)天線陣列多入多出技術(shù)(Multiple Input Multiple Output，MIMO)的支持，可以實(shí)現(xiàn)基于AOA的三角定位，可提供米級(jí)的定位精度；

3)在IEEE 802.11-2016版本發(fā)布后，Wi-Fi加入了精密定位測(cè)量(Fine Time Measurement，F(xiàn)TM)，支持往返時(shí)間(Round-Trip Time, RTT)的測(cè)量，與RSSI融合可以支撐更為準(zhǔn)確的距離測(cè)量，與AOA結(jié)合則可以使單接入點(diǎn)在小范圍內(nèi)提供亞米級(jí)的定位精度，如圖6所示。

圖6 Wi-Fi的FTM協(xié)議RTT測(cè)量流程示意圖[32]Fig.6 Schematic diagram of Wi-Fi FTM protocol RTT measurement[32]

Wi-Fi定位技術(shù)的問(wèn)題在于Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)面向WLAN設(shè)計(jì)，信號(hào)覆蓋范圍為10m級(jí)，且不具有類(lèi)似于藍(lán)牙Beacon的小型化節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致進(jìn)行大范圍覆蓋需要極高的建設(shè)成本。

3.3 UWB定位

UWB技術(shù)是一種短距離、低功耗、大帶寬的無(wú)線技術(shù)，主要用于WPAN通信。在定義上，相對(duì)帶寬大于0.2的無(wú)線技術(shù)都能稱(chēng)為UWB技術(shù)，但是在當(dāng)前應(yīng)用中，使用較為廣泛的是IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基帶窄脈沖UWB技術(shù)。

UWB技術(shù)在定位上的優(yōu)勢(shì)在于其信號(hào)具有最低499.2MHz的大帶寬，使得該技術(shù)具有較高的時(shí)間分辨率和較強(qiáng)的抗多徑能力，同時(shí)UWB信號(hào)支持雙向測(cè)距(Two-Way Ranging，TWR)協(xié)議獲得TOF觀測(cè)信息，基于三邊定位可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度。

UWB定位技術(shù)的問(wèn)題包括兩方面：1)與藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)相同，信號(hào)覆蓋范圍較小，大規(guī)模覆蓋需要極高的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本；2)現(xiàn)有終端對(duì)UWB的支持較少，絕大多數(shù)終端都不支持UWB技術(shù)。

3.4 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的廣域通信網(wǎng)絡(luò)之一，在城市、鄉(xiāng)村、道路等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了廣域覆蓋，依托該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信導(dǎo)航融合，可實(shí)現(xiàn)高精度定位，能夠避免大規(guī)模通信導(dǎo)航融合專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，極大降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程如圖7所示。

圖7 移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)演進(jìn)過(guò)程Fig.7 The evolution process of mobile communication network positioning technology

3.4.1 1G/2G/3G網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

1G網(wǎng)絡(luò)采用模擬通信，各國(guó)之間也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但在當(dāng)時(shí)也有研究者借助移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行定位。例如，TruePosition公司在美國(guó)的1G網(wǎng)絡(luò)高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)(Advanced Mobile Phone System，AMPS)上通過(guò)加裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)了上行信號(hào)的TDOA測(cè)量與終端位置估計(jì)，該方案在基站側(cè)安裝信號(hào)接收機(jī)，監(jiān)聽(tīng)終端播發(fā)的特定撥號(hào)并記錄信號(hào)到達(dá)基站的時(shí)間，利用相鄰基站間的時(shí)間相減獲得TDOA觀測(cè)信息并對(duì)終端進(jìn)行三邊定位，定位精度約600英尺(182.88m)；Grayson公司采用類(lèi)似的方案，但在基站側(cè)加裝的接收機(jī)上使用天線陣列，在TDOA觀測(cè)信息之外增加了對(duì)終端上行信號(hào)AOA觀測(cè)信息的支持，實(shí)現(xiàn)了三邊與三角的融合定位，使平均定位精度提高到108m。

在2G時(shí)代，由于美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)在1996年頒布E911法案后，要求電信運(yùn)行商必須為用戶提供應(yīng)急呼叫時(shí)的定位服務(wù)，導(dǎo)致移動(dòng)通信網(wǎng)開(kāi)始進(jìn)行通信與導(dǎo)航的融合。歐洲的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications， GSM)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，終端與基站之間的通信過(guò)程需要測(cè)量時(shí)間提前量(Timing Advance，TA),即信號(hào)從基站傳播至終端的時(shí)延，因此在定位方面GSM網(wǎng)絡(luò)除了支持最基礎(chǔ)的Cell-ID方法外，還支持Cell-ID+TA、UTOA和E-OTD等多種基于測(cè)時(shí)的定位方法。最基礎(chǔ)的Cell-ID定位方式將終端位置定位在當(dāng)前接入的小區(qū)的基站位置，并且由于GSM網(wǎng)絡(luò)支持TA的測(cè)量，因此GSM網(wǎng)絡(luò)還可支持在Cell-ID定位中加入TA計(jì)算終端與基站間的距離，將終端定位在小區(qū)基站朝向的相應(yīng)距離處，但受到小區(qū)大小和TA測(cè)量精度的影響，該方法的定位誤差高于100m。而UTOA(Uplink TOA)技術(shù)則采用類(lèi)似AMPS中定位的方式，通過(guò)在基站上加裝位置測(cè)量單元(Location Measurement Unit，LMU)接收終端隨機(jī)接入信道(Random Access Channel，RACH)的突發(fā)脈沖，并記錄到達(dá)時(shí)刻，利用到達(dá)時(shí)刻之間的差值計(jì)算終端位置。而E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)技術(shù)則是由基站播發(fā)信號(hào)，終端通過(guò)記錄來(lái)自不同基站的廣播控制信道(Broadcast Control Channel，BCCH)的到達(dá)時(shí)刻,記錄時(shí)間差，再通過(guò)TDOA進(jìn)行三邊定位。UTOA和E-OTD兩種方法都使用TDOA進(jìn)行定位，由于E-OTD采用下行信號(hào)，在信號(hào)功率上具有一定優(yōu)勢(shì)，因此兩者在定位精度上有微弱區(qū)別，但兩種方法的定位誤差都高于50m。而另一項(xiàng)常用的2G網(wǎng)絡(luò)IS-95中,則使用了一種在原理上與E-OTD類(lèi)似的技術(shù)進(jìn)行終端定位，并命名為高級(jí)前向鏈路三角定位(Advanced Forward Link Trilateration，AFLT)，在定位精度上也與E-OTD相近，僅能提供幾十米至上百米的定位精度。

3G時(shí)代的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)仍然保留了Cell-ID定位方法，并支持通過(guò)測(cè)量下行專(zhuān)用物理信道(Dedicated Physical Channel，DPCH)和上行專(zhuān)用物理控制信道(Dedicated Physical Control Channel，DPCCH)的信號(hào)到達(dá)時(shí)間實(shí)現(xiàn)RTT的測(cè)量，可與Cell-ID結(jié)合確定終端位置，但定位精度仍然在幾十米至百米量級(jí)。此外，UMTS中還新規(guī)定了觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差(Observed TDOA，OTDOA)定位方法，由基站進(jìn)行信號(hào)播發(fā)，終端接收不同基站的公共導(dǎo)頻信道(Common Pilot Channel， CPICH)并記錄信號(hào)到達(dá)時(shí)間差以計(jì)算定位結(jié)果，定位誤差在幾十米量級(jí)。也有研究人員使用我國(guó)的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了Cell-ID和OTDOA定位，定位精度與UMTS網(wǎng)絡(luò)相近。而另一項(xiàng)3G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)CDMA2000則沿用了IS-95的AFLT方法，定位精度仍為幾十米量級(jí)。

綜合上述方法可以發(fā)現(xiàn)，早期移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信導(dǎo)航融合中定位功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于通信過(guò)程中本身所需的導(dǎo)頻或控制信號(hào)，定位精度較低。

3.4.2 4G網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

4G時(shí)代的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(Long Term Evolu-tion，LTE)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與之前的移動(dòng)通信網(wǎng)在通信導(dǎo)航融合上最大的不同在于LTE網(wǎng)絡(luò)定義了專(zhuān)用的PRS。該信號(hào)是一組經(jīng)過(guò)正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)調(diào)制的Gold偽隨機(jī)序列，資源映射過(guò)程中PRS所映射到的資源單元根據(jù)梳狀結(jié)構(gòu)排列，并不占用全部帶寬，如圖8所示，經(jīng)OFDM調(diào)制后由基站播發(fā)，終端可在本地產(chǎn)生相同的序列并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)相關(guān)峰的位置確定信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻。

圖8 LTE網(wǎng)絡(luò)中1個(gè)資源塊內(nèi)可映射PRS的資源單元Fig.8 Resource elements that can map PRS in LTE resource block

終端接收臨近的多個(gè)基站播發(fā)的PRS并記錄其到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算TDOA后就可以通過(guò)多邊定位確定終端位置，該方法在標(biāo)準(zhǔn)中同樣被稱(chēng)為OTDOA方法，專(zhuān)用的定位信號(hào)顯著提高了定位過(guò)程的靈活性和到達(dá)時(shí)刻測(cè)量的準(zhǔn)確性，定位精度可優(yōu)于50m，但仍然在幾十米的量級(jí)。此外，LTE網(wǎng)絡(luò)明確了Cell-ID方法與Cell-ID和RTT融合定位方法的區(qū)別，并將Cell-ID和RTT融合方法稱(chēng)為增強(qiáng)小區(qū)標(biāo)識(shí)(Enhanced Cell-ID，E-CID)。與UMTS網(wǎng)絡(luò)不同的是，LTE網(wǎng)絡(luò)中還增加了上行到達(dá)時(shí)間差(Uplink TDOA，UTDOA)方法，基站可以通過(guò)接收終端播發(fā)的上行探測(cè)參考信號(hào)(Sounding Reference Signal，SRS)并計(jì)算信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間差進(jìn)行定位，但由于SRS本身主要服從終端上行信號(hào)的功率分配，其功率并不能保障距離較遠(yuǎn)的基站接收，因此存在可聽(tīng)性問(wèn)題，定位精度較低。

可以發(fā)現(xiàn)，LTE網(wǎng)絡(luò)雖然比之前的1G、2G、3G更加注重定位功能并設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的定位信號(hào)，但是由于信號(hào)帶寬最大僅為20MHz并且基站間距在百米級(jí)，因此定位精度仍然較低。

3.4.3 5G網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和位置服務(wù)應(yīng)用需求的發(fā)展，研究者與廠商們逐漸意識(shí)到了使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)、地下等場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高精度定位所具有的市場(chǎng)潛力，國(guó)際移動(dòng)通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定組織3GPP(3rd Generation Partnership Project)在2016年就明確了5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)將支持高精度定位能力，將在2022年凍結(jié)的Release 17標(biāo)準(zhǔn)更期望為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景提供90%情況下0.2m的定位精度。5G新空口(New Raido，NR)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)在通信導(dǎo)航融合定位方面具有大帶寬、超密集組網(wǎng)和大規(guī)模天線陣列等多方面先天優(yōu)勢(shì)，信號(hào)帶寬的增加(低于6GHz頻段信號(hào)帶寬可達(dá)100MHz，毫米波頻段信號(hào)帶寬可達(dá)400MHz)使得5G信號(hào)獲得了更強(qiáng)的抗多徑能力，同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)中基站間距可縮小至10m級(jí)，極大提高了信號(hào)的可聽(tīng)性，保障了高質(zhì)量信號(hào)的接收，而大規(guī)模天線陣列則為5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了信號(hào)角度觀測(cè)信息的測(cè)量能力，實(shí)現(xiàn)了基于角度的定位方法。

區(qū)別于LTE網(wǎng)絡(luò)，5G在保留了E-CID方法的基礎(chǔ)上，將OTDOA方法演進(jìn)為下行TDOA(Downlink TDOA，DL-TDOA)，將UTDOA方法演進(jìn)為上行TDOA(Uplink TDOA, UL-TDOA)，并增加了多往返測(cè)距(Multi-RTT)方法、下行信號(hào)離去角度(Down-link AOD，DL-AOD)方法和上行到達(dá)角度(Uplink AOA，UL-AOA)方法，極大豐富了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持的定位方法種類(lèi)。

5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)SRS進(jìn)行了改進(jìn)，增加了專(zhuān)用于定位的配置方式，可在上行信號(hào)最大發(fā)射功率下播發(fā)SRS，保障了信號(hào)的可聽(tīng)性，提高了UL-TDOA定位能力。此外，SRS可聽(tīng)性的提高使得5G可與周邊基站都進(jìn)行RTT測(cè)量，在Multi-RTT方法中，基站和終端分別記錄收發(fā)PRS與SRS的時(shí)刻，并通過(guò)計(jì)算獲得終端和基站間的RTT實(shí)現(xiàn)三邊定位。

大規(guī)模天線陣列使得5G網(wǎng)絡(luò)可支持基于角度的定位方法。UL-AOA方法中，臨近終端的多個(gè)基站可以依靠基站天線陣列測(cè)量SRS的到達(dá)角度后估計(jì)終端位置。DL-AOD方法則將下行信號(hào)離去的波束方向作為終端與基站間的角度用于三角定位。

北京郵電大學(xué)鄧中亮教授團(tuán)隊(duì)在科技部“羲和計(jì)劃”支持下形成的TC-OFDM定位信號(hào)體制的基礎(chǔ)上，在國(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)研究及示范應(yīng)用”項(xiàng)目的支持下提出了隱嵌信噪定位技術(shù)，極大提升了移動(dòng)通信網(wǎng)定位能力，形成了5G共頻帶PRS，并在天津搭建了基于5G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外無(wú)縫定位示范系統(tǒng)，成為了國(guó)際5G高精度定位標(biāo)準(zhǔn)。相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)PRS得到了如下增強(qiáng)：

1)5G網(wǎng)絡(luò)中映射PRS的資源單元的間隔可小至2個(gè)子載波，而LTE網(wǎng)絡(luò)中PRS僅支持資源單元頻率間隔為6個(gè)子載波的梳狀結(jié)構(gòu)，使得5G PRS在相同帶寬下占用的頻譜資源能達(dá)到4G PRS的3倍，5G PRS的抗干擾能力得到顯著提高；

2)在時(shí)間資源方面，5G PRS可以占用連續(xù)的12個(gè)符號(hào)，而4G PRS在一個(gè)子幀內(nèi)(共14個(gè)符號(hào))僅能映射在7個(gè)符號(hào)上，5G極大地增加了PRS的序列長(zhǎng)度，如圖9所示，提高了抗噪聲能力，還延長(zhǎng)了信號(hào)播發(fā)時(shí)間，為信號(hào)的跟蹤打下了基礎(chǔ)；

圖9 5G網(wǎng)絡(luò)中1個(gè)資源塊內(nèi)可映射PRS的資源單元Fig.9 Resource elements that can map PRS in 5G resource block

3)5G PRS還縮短了循環(huán)間隔，可支持PRS的循環(huán)連續(xù)播發(fā)，而LTE網(wǎng)絡(luò)的PRS前后2個(gè)周期之間需要間隔最少4個(gè)子幀；

4)5G PRS增加了對(duì)功率的配置功能，而4G PRS僅能以通信信號(hào)相同功率進(jìn)行播發(fā)，5G可支持PRS以極低功率隱嵌在通信信號(hào)的背景噪聲下，實(shí)現(xiàn)通信和定位信號(hào)的同頻共載，在不影響通信能力的情況下進(jìn)行定位信號(hào)的連續(xù)播發(fā)。

隱嵌信噪定位技術(shù)將定位信號(hào)以極低功率隱嵌在通信信號(hào)的背景噪聲下，實(shí)現(xiàn)通信和定位信號(hào)的同頻共載與共時(shí)復(fù)用，在不影響通信能力的情況下可實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)廣播，能夠支持終端對(duì)信號(hào)的連續(xù)跟蹤與高精度TDOA測(cè)量，使得5G網(wǎng)絡(luò)DL-TDOA定位精度得到極大提高。

鄧中亮教授團(tuán)隊(duì)基于5G網(wǎng)絡(luò)隱嵌式的共頻帶PRS實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.1m的高精度定位，而國(guó)際上其他5G定位方法精度僅為亞米級(jí)。

移動(dòng)通信網(wǎng)定位精度在5G時(shí)代迎來(lái)了巨大提升，能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)的室內(nèi)定位精度，已經(jīng)成為解決室內(nèi)定位問(wèn)題的答案之一，是泛在的高精度時(shí)空信息服務(wù)的有效支撐。

3.5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)對(duì)比分析

藍(lán)牙、Wi-Fi和UWB等局域或個(gè)域網(wǎng)定位技術(shù)能夠支撐小范圍的高精度定位，在移動(dòng)通信網(wǎng)2G、3G、4G時(shí)代定位精度較低時(shí)起到了重要的補(bǔ)充作用。但隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)不僅在定位精度上實(shí)現(xiàn)了超越，同時(shí)由于運(yùn)營(yíng)商本身需要搭建廣域覆蓋的5G通信網(wǎng)絡(luò)，因此免去了專(zhuān)用定位網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，在應(yīng)用前景上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)今解決室內(nèi)泛在高精度定位問(wèn)題的有效手段。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對(duì)比

4 多網(wǎng)融合定位導(dǎo)航

雖然5G網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合技術(shù)與其他局域和個(gè)域網(wǎng)絡(luò)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，但藍(lán)牙、Wi-Fi和UWB的定位技術(shù)仍然具有重要意義。

單一網(wǎng)絡(luò)存在盲區(qū)，多種網(wǎng)絡(luò)的融合是解決無(wú)縫位置服務(wù)問(wèn)題的重要手段。一方面，已經(jīng)部署了的基于藍(lán)牙、Wi-Fi和UWB技術(shù)的定位網(wǎng)絡(luò)可以與5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，提供冗余觀測(cè)信息，提高定位精度；另一方面，在5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋較差的室內(nèi)區(qū)域，也可以通過(guò)部署藍(lán)牙、Wi-Fi和UWB節(jié)點(diǎn)作為定位信號(hào)的補(bǔ)充，以提供連續(xù)的定位結(jié)果。

5 北斗+5G的增強(qiáng)PNT服務(wù)

5G網(wǎng)絡(luò)的高精度定位能力使得北斗與5G的融合能夠提供室內(nèi)外無(wú)縫的高精度定位服務(wù)，將產(chǎn)生巨大的增量效應(yīng)，使定位導(dǎo)航的產(chǎn)業(yè)化走向位置服務(wù)的商業(yè)化。

5G可為北斗系統(tǒng)帶來(lái)室內(nèi)定位服務(wù)補(bǔ)充和雙重覆蓋區(qū)域的精度增強(qiáng)，以及高速實(shí)時(shí)輔助信息傳輸能力，改變現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)盲區(qū)多、室內(nèi)/地下定位難、抗欺騙能力弱的現(xiàn)狀，使北斗系統(tǒng)具有區(qū)別于其他三大導(dǎo)航系統(tǒng)的差異化服務(wù)優(yōu)勢(shì)，為北斗走向全球服務(wù)提供有力支撐。

北斗則為5G帶來(lái)了高精度時(shí)空基準(zhǔn)和室外廣域定位服務(wù)覆蓋，為萬(wàn)物互聯(lián)提供了精確的時(shí)空信息感知能力支撐，為5G服務(wù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了重要抓手。

6 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

6.1 天地一體定位導(dǎo)航與授時(shí)體系

未來(lái)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將能與北斗、地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共同組成天地一體定位導(dǎo)航與授時(shí)體系，如圖10所示。

圖10 天地一體定位導(dǎo)航與授時(shí)體系Fig.10 System of space-ground integrated positioning, navigation and timing

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)憑借更多的衛(wèi)星數(shù)量(數(shù)千甚至上萬(wàn)顆衛(wèi)星)可以與GNSS結(jié)合提供更高精度的室外定位服務(wù)，還能與地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合在邊遠(yuǎn)地區(qū)提供低成本的通信數(shù)據(jù)覆蓋，滿足高精度位置服務(wù)需求。

天地一體網(wǎng)絡(luò)為高質(zhì)量無(wú)縫位置服務(wù)提供了基礎(chǔ)，需要在系統(tǒng)深度融合方面進(jìn)行研究，建立泛在、無(wú)縫、通導(dǎo)一體化位置服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可信空間信息的時(shí)空連續(xù)支撐。

6.2 仿生通信定位導(dǎo)航

仿生通信定位導(dǎo)航是未來(lái)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)的重要發(fā)展方向，是解決傳感器小型化和導(dǎo)航?jīng)Q策智能化的潛在手段。

對(duì)昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)物導(dǎo)航行為、協(xié)作機(jī)制以及功能性神經(jīng)細(xì)胞的研究將為終端間協(xié)同與終端自主導(dǎo)航技術(shù)研究提供新的思路；仿生光羅盤(pán)、仿生磁羅盤(pán)、仿生復(fù)眼等仿生傳感器是取代現(xiàn)有導(dǎo)航傳感器，提供更高準(zhǔn)確度航向與位姿信息的潛在手段；而多智能體協(xié)同、群智決策、導(dǎo)航經(jīng)驗(yàn)知識(shí)表達(dá)、多源異質(zhì)導(dǎo)航信息柔性融合等仿生技術(shù)，則可能在未來(lái)提供準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的位置感知能力。

7 總結(jié)

通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)作為當(dāng)下導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，獲得了極大進(jìn)步，移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)在5G時(shí)代的巨大提升使得泛在高精度時(shí)空信息的獲取更加便利。藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB等網(wǎng)絡(luò)能夠在5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差區(qū)域提供信號(hào)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)縫高精度定位。5G和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的融合則可以激發(fā)彼此，形成增量效應(yīng)，使定位導(dǎo)航的產(chǎn)業(yè)化走向位置服務(wù)的商業(yè)化。

但是，通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)仍有很大研究空間：

1)5G網(wǎng)絡(luò)自身定位能力還未充分釋放，進(jìn)一步提高信號(hào)的抗多徑、抗噪聲能力，降低站間同步誤差影響，準(zhǔn)確識(shí)別非視距信號(hào)等方法都能夠使5G網(wǎng)絡(luò)定位精度獲得進(jìn)一步的提高；

2)天地一體化定位導(dǎo)航與授時(shí)體系與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是未來(lái)精準(zhǔn)、可信、時(shí)空連續(xù)的空間信息獲取的關(guān)鍵支撐；

3)仿生通信定位導(dǎo)航技術(shù)則是通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵方向之一，是解決傳感器小型化和導(dǎo)航智能化問(wèn)題的潛在手段。