神奇！5G+北斗，地下空間導(dǎo)航難題一招解決！

作者：路多，物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù) 原創(chuàng)

當(dāng)年詩(shī)句中的豪邁篇章已經(jīng)由神舟號(hào)飛船和蛟龍?zhí)柨瓶即饾u實(shí)現(xiàn)。且不說(shuō)“下五洋捉鱉”，生活當(dāng)中，有時(shí)候到了地下車(chē)庫(kù)或地鐵就會(huì)因?yàn)闆](méi)有網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)航而抓瞎，給大家的生活帶來(lái)了一些困擾。

不過(guò)，“地下城”世界全面覆蓋精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航指日可待。

就在11月20日，《科技日?qǐng)?bào)》頭版頭條報(bào)道了由北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)、中國(guó)鐵塔、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)共同合作的“北斗+5G室分 ”地下空間高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)——該技術(shù)讓雄安“地下城”擁有精確導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了定位精度2米，建設(shè)成本僅為傳統(tǒng)地下導(dǎo)航技術(shù)一半的目標(biāo)，攻破了地下精準(zhǔn)導(dǎo)航的難題，在世界范圍也屬首創(chuàng)。

目前，該技術(shù)在雄安地下示范應(yīng)用超過(guò)50萬(wàn)平米，預(yù)計(jì)在2025年，“5G+北斗”導(dǎo)航將覆蓋雄安新區(qū)所有已建成地下停車(chē)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了為雄安地下城導(dǎo)航的愿景。

雄安“三座城”，先建“地下城”

據(jù)介紹，雄安新區(qū)設(shè)立之初就提出地上一座城、地下一座城、“云”上一座城的理念。甚至“地下”的建設(shè)優(yōu)先級(jí)要更加靠前——先地下、后地上，合理開(kāi)發(fā)利用地下空間，是雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重要理念。

雄安新區(qū)規(guī)劃之初就提出建設(shè)的“地下一座城?”，包括地下綜合管廊約380公里、地下停車(chē)場(chǎng)超2200萬(wàn)平方米。所謂地下綜合管廊就是在城市地下建造一個(gè)隧道空間，讓電力、通信、燃?xì)狻⒐?、給排水等各種工程管線住進(jìn)“集體宿舍”，同時(shí)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)和管理，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

除去高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的、埋藏在地下的城市“大動(dòng)脈”——城市綜合管廊外，城市中地下停車(chē)場(chǎng)的面積也非常大。例如，在雄安新區(qū)首個(gè)集中建成區(qū)——容東片區(qū)，眾多小區(qū)、樓宇的地下停車(chē)場(chǎng)全部連通。在大規(guī)模的地下空間中，會(huì)有大量的人、車(chē)、物流動(dòng)，初入其中很容易迷路，如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位導(dǎo)航成為雄安新區(qū)“地下一座城”建設(shè)過(guò)程中面臨的問(wèn)題。

“地下之城”的精準(zhǔn)管理，離不開(kāi)高精度的定位與導(dǎo)航，而且要求技術(shù)新、成本低，能給其他城市建設(shè)提供可復(fù)制的樣本。

為實(shí)現(xiàn)地下空間的精準(zhǔn)定位導(dǎo)航，2022年，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)立“交通基礎(chǔ)設(shè)施”專(zhuān)項(xiàng)，在5G通信與信號(hào)定位領(lǐng)域有長(zhǎng)期積累的北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成為“雄安新區(qū)交通設(shè)施數(shù)字化建設(shè)示范應(yīng)用”項(xiàng)目的牽頭單位，展開(kāi)“5G+北斗地下空間組合式定位導(dǎo)航”的課題研究，中國(guó)鐵塔、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)聯(lián)合參與到項(xiàng)目研究和落地當(dāng)中。

導(dǎo)航技術(shù)、北斗導(dǎo)航與地下導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)簡(jiǎn)介

導(dǎo)航是利用電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方法，通過(guò)測(cè)量與運(yùn)載體位置有關(guān)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載體的定位，并從出發(fā)點(diǎn)沿預(yù)定的路線，安全、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地引導(dǎo)運(yùn)載體到達(dá)目的地的一門(mén)技術(shù)。根據(jù)導(dǎo)航的信息獲取原理（如航標(biāo)方法、航位推算、慣性原理、無(wú)線電傳播特性、天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、人造地球衛(wèi)星技術(shù)、地球表面地形、地貌特征等），可分為觀測(cè)導(dǎo)航、推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航等。

因?yàn)榇舜蔚叵聦?dǎo)航技術(shù)主要用到北斗的技術(shù)，這里對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行著重介紹：

衛(wèi)星導(dǎo)航是利用衛(wèi)星播發(fā)的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航以衛(wèi)星為空間基準(zhǔn)點(diǎn)，向用戶終端播發(fā)無(wú)線電信號(hào)，從而確定用戶的位置、速度和時(shí)間。它不受氣象條件、航行距離的限制，且導(dǎo)航精度高。

目前，全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：

全球定位系統(tǒng)GPS，是目前應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是由美國(guó)在上世紀(jì)70年代研制，1994年建成，定位精度可達(dá)到厘米量級(jí)；

俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度在10米左右，蘇聯(lián)在上世紀(jì)70年代啟動(dòng)建設(shè)；

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS，定位精度在米量級(jí)，11月16日正式加入國(guó)際民航組織（ICAO）標(biāo)準(zhǔn)，成為全球民航通用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；

歐洲伽利略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，精度也在20厘米左右，由歐洲航天局在2016年創(chuàng)建上線。

而對(duì)于導(dǎo)航技術(shù)的衡量標(biāo)準(zhǔn)有如下六項(xiàng)：

精度。這是我們最容易理解的，精度指的是導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)載體所提供的位置與運(yùn)載體當(dāng)時(shí)的真實(shí)位置之間的重合度，誤差越小，滿開(kāi)始越高；

覆蓋范圍。指在空間當(dāng)中導(dǎo)航系統(tǒng)能以規(guī)定精度確定運(yùn)載體的位置，該參數(shù)受發(fā)射信號(hào)功率、接受機(jī)靈敏度、傳播環(huán)境，幾何關(guān)系等影響；

連續(xù)性。指運(yùn)載體在某特定運(yùn)行階段，導(dǎo)航系統(tǒng)能提供規(guī)定的定位引導(dǎo)功能而不發(fā)生中斷的能力，該指標(biāo)表明了導(dǎo)航系統(tǒng)可連續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)的能力；

可用性、可靠性。可用性指導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)載體提供可用的導(dǎo)航服務(wù)的時(shí)間百分比，可靠性是指導(dǎo)航系統(tǒng)在給定的使用條件下在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以規(guī)定的性能完成其功能的概率，它表明系統(tǒng)發(fā)生故障的頻度。

信息更新率。指導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù)，單位是Hz；

系統(tǒng)容量。指導(dǎo)航系統(tǒng)可以同時(shí)供多少運(yùn)載體使用的能力，分為無(wú)限系統(tǒng)容量和有限系統(tǒng)容量?jī)煞N。

無(wú)疑，我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在技術(shù)水平和項(xiàng)目指標(biāo)以及自研程度上都成為了項(xiàng)目的首選。

北斗導(dǎo)航介紹與“地下城”導(dǎo)航實(shí)踐

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷了三步走發(fā)展戰(zhàn)略：2000年年底，建成北斗一號(hào)系統(tǒng)，向中國(guó)提供服務(wù)；2012年年底，建成北斗二號(hào)系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020年，建成北斗三號(hào)系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。

和其他衛(wèi)星和星座不同的是，北斗衛(wèi)星具有鮮明的特點(diǎn)：1.北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。2. 北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度。3. 北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、精準(zhǔn)位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。

在汶川地震和四川雅安地震時(shí)，救災(zāi)部隊(duì)正是憑借著北斗終端機(jī)中的短報(bào)文通訊技術(shù)打通了震區(qū)內(nèi)外的聯(lián)絡(luò)通道。據(jù)悉，短報(bào)文技術(shù)類(lèi)似于手機(jī)短信。最初北斗一號(hào)及北斗二號(hào)只支持傳輸120個(gè)漢字，北斗三號(hào)建成后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)支持傳輸1000個(gè)漢字，還可傳輸語(yǔ)音和圖片。

北斗在地下導(dǎo)航領(lǐng)域不光在雄安落地，深埋北京地下的管線，借助北斗實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)管理?；诒倍返木珳?zhǔn)位置信息以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)的管理平臺(tái)，能為地下管線的“運(yùn)行體征”進(jìn)行24小時(shí)智慧“診脈”?！皩?duì)于管理人員來(lái)說(shuō)，就如同腳下的玻璃一般透明?！?/p>

根據(jù)《2023中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》介紹：2022年國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)市場(chǎng)整體穩(wěn)定，根據(jù)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)研究分析，2022年國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品總銷(xiāo)量約3.76億臺(tái)/套，其中具有衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的智能手機(jī)出貨量達(dá)到2.64億部，車(chē)載導(dǎo)航儀市場(chǎng)終端銷(xiāo)量超過(guò)1200萬(wàn)臺(tái)，包括物聯(lián)網(wǎng)、穿戴式、車(chē)載、高精度等在內(nèi)的各類(lèi)定位終端設(shè)備銷(xiāo)量超過(guò)1億臺(tái)/套。

回到這個(gè)項(xiàng)目上來(lái)，在“5G+北斗”導(dǎo)航技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)之初，路兆銘團(tuán)隊(duì)幾乎考慮了所有成熟技術(shù)手段的可能性，包括藍(lán)牙、Wi-Fi、室內(nèi)北斗導(dǎo)航基站等等，由于建設(shè)和配置成本較高，推廣示范作用不大而被篩掉。

后來(lái)，他們發(fā)現(xiàn)可以利用現(xiàn)有的4G/5G的室內(nèi)分布系統(tǒng)，在5G基礎(chǔ)設(shè)施上混搭北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，無(wú)需重建基礎(chǔ)設(shè)施，只用一個(gè)簡(jiǎn)單的“加法”，就讓北斗信號(hào)“混”入5G信號(hào)，構(gòu)建出了一個(gè)精準(zhǔn)的地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

他們分析兩路信號(hào)的互調(diào)干擾模型，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與北斗信號(hào)這兩個(gè)看似不可調(diào)和的信號(hào)融合，成功將北斗信號(hào)引入地下；面對(duì)精度問(wèn)題的挑戰(zhàn)，他們同樣創(chuàng)建了數(shù)據(jù)模型，以位置觀測(cè)源帶來(lái)的多方數(shù)據(jù)提升整體的測(cè)量精度。

此外，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出由信號(hào)SLAM（即時(shí)定位與建圖）架構(gòu)的“5G+北斗組合式定位算法”，實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息融合，使室內(nèi)分布系統(tǒng)支持地下1米精度的定位與導(dǎo)航。

該項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)突破：

一是，地下空間衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋，傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位手段在地下不能發(fā)揮作用，北郵方案利用北斗室分單元，將北斗信號(hào)匯入5G室分系統(tǒng)，成功將北斗信號(hào)引入地下，解決了地下空間沒(méi)有北斗信號(hào)覆蓋的問(wèn)題；

二是，手機(jī)終端本身性能受限，利用手機(jī)終端在地面上只能達(dá)到10幾米的精度，如何能把定位精度做到車(chē)位級(jí)，是面臨另外一個(gè)難題，北郵方案基于團(tuán)隊(duì)提出的協(xié)作式信號(hào)SLAM框架，將北斗觀測(cè)、5G觀測(cè)、手機(jī)慣導(dǎo)觀測(cè)等綜合考慮，通過(guò)時(shí)空域上的融合，實(shí)現(xiàn)車(chē)位級(jí)別的定位精度。

總而言之，北斗信號(hào)和5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的結(jié)合，為地下高精度定位導(dǎo)航打開(kāi)了一扇新門(mén)。

5G+北斗組合式定位算法將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)、5G信號(hào)、加速度計(jì)等多源位置觀測(cè)信息融合在一起，精確解算出車(chē)輛的當(dāng)前位置。如今，利用“5G+北斗”定位導(dǎo)航技術(shù)，在雄安新區(qū)可實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)人員和車(chē)輛準(zhǔn)確位置導(dǎo)航。路兆銘介紹，這套技術(shù)還可以被集成到百度地圖、高德地圖、雄安行等應(yīng)用程序中。

地下導(dǎo)航技術(shù)一覽

熟悉表計(jì)類(lèi)產(chǎn)品的朋友肯定了解，這些平時(shí)就埋在地下、犄角旮旯的設(shè)備，對(duì)于信號(hào)傳輸有較高的要求。地下導(dǎo)航也一樣，藍(lán)牙、Wi-Fi 、UWB （超寬帶，Ultra Wideband）等技術(shù)都要根據(jù)情況為設(shè)備招呼上，從衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的角度來(lái)講，這類(lèi)場(chǎng)景被稱為遮蔽空間，地下空間屬于衛(wèi)星導(dǎo)航完全遮蔽空間，盡管無(wú)法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和地面無(wú)線電信號(hào)，但是可以在空間內(nèi)容假設(shè)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航覆蓋。

衛(wèi)星導(dǎo)航遮蔽環(huán)境下的定位導(dǎo)航技術(shù)主要包括無(wú)線電導(dǎo)航和自主傳感導(dǎo)航兩類(lèi)：

無(wú)線電導(dǎo)航，是通過(guò)遮蔽環(huán)境中部署固定或機(jī)動(dòng)式無(wú)線電定位節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線電測(cè)距、測(cè)角、測(cè)姿等方式實(shí)現(xiàn)不依靠衛(wèi)星導(dǎo)航的定位能力。典型技術(shù)手段有UWB、4G/5G室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)、室內(nèi)偽衛(wèi)星定位技術(shù)，以及Zigbee、藍(lán)牙、Wi-Fi等多種通信網(wǎng)絡(luò)。

自主傳感導(dǎo)航，是依靠慣性測(cè)量單元 (inertial measurement unit，IMU)、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等手段實(shí)現(xiàn)在陌生環(huán)境條件下不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的定位導(dǎo)航能力。其技術(shù)手段主要來(lái)自視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)等傳感設(shè)備，通過(guò)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)獲得定位能力，類(lèi)似的還有聲學(xué)定位和可見(jiàn)光定位。

看到這里，我們?cè)賹?duì)照雄安“地下之城”導(dǎo)航項(xiàng)目建設(shè)描述，就清楚該團(tuán)隊(duì)是采用了無(wú)線電導(dǎo)航與自主傳感導(dǎo)航相結(jié)合的方式，綜合上述技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)所在，實(shí)現(xiàn)高精度、更多覆蓋以及更高的集成程度。

各種技術(shù)手段的適用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)如下：

圖片來(lái)源：遮蔽空間定位導(dǎo)航技術(shù)特征分析與發(fā)展綜述，鮑亞川，楊夢(mèng)煥等，2023

此外， 基于宇宙射線的μ子導(dǎo)航和量子導(dǎo)航技術(shù)也是定位和導(dǎo)航技術(shù)的新的方向，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

基于宇宙射線的 μ 子導(dǎo)航，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)、地下、水下環(huán)境的高精度導(dǎo)航，降低環(huán)境對(duì)于導(dǎo)航工作的影響。東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種基于宇宙射線產(chǎn)生的高能粒子導(dǎo)航系統(tǒng)首次在地下成功測(cè)試。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望可用來(lái)引導(dǎo)地下或水下機(jī)器人，甚至幫助倒塌礦井或建筑物的搜索救援工作。

量子導(dǎo)航技術(shù)也是近年來(lái)備受關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)手段，它具有精度高、抗干擾、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，是最有希望彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)缺陷的技術(shù)之一。量子導(dǎo)航可分為基于測(cè)距體制的星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)、基于角運(yùn)動(dòng)/線運(yùn)動(dòng)測(cè)量的量子慣性導(dǎo)航、基于量子重力測(cè)量的匹配導(dǎo)航等技術(shù)。量子測(cè)距定位技術(shù)理論上可突破傳統(tǒng)測(cè)量精度極限，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 1cm 的定位精度，不過(guò)，目前該技術(shù)還需要相關(guān)量子框架體系以及經(jīng)典衛(wèi)星導(dǎo)航的支持。

寫(xiě)在最后

如今，許多從前的“不可能”都變成了可能，也許在不久的將來(lái)，隨著通信技術(shù)的加速迭代發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航技術(shù)都將會(huì)像空氣一樣，裝滿世界的每個(gè)角落。

參考內(nèi)容：
1.巧借5G設(shè)施，將北斗導(dǎo)航延伸至地下，科技日?qǐng)?bào)，2022
2.為“地下之城”精準(zhǔn)導(dǎo)航，科技日?qǐng)?bào)，2023
3.“三個(gè)雄安”打造未來(lái)之城?http://www.xiongan.gov.cn/2023-05/03/c_1212173489.htm
4.《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航原理與系統(tǒng)》范錄宏
5.北斗技術(shù)官網(wǎng)，系統(tǒng)介紹：http://www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
6.Liu Y, Wang L, Lu Z, et al. A Stateless Design of Satellite-Terrestrial Integrated Core Network and its Deployment Strategy[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2023.
7.《2023中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)
8.《遮蔽空間定位導(dǎo)航技術(shù)特征分析與發(fā)展綜述》
9.Tanaka H K M, Gallo G, Gluyas J, et al. First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments[J]. iScience, 2023.