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)近平總書記十九大報告中提出建設(shè)智慧社會。泛在的高精度時空信息是智慧社會建設(shè)的核心基礎(chǔ)，已成為國家安全、經(jīng)濟建設(shè)的關(guān)鍵，在未來社會中將扮演重要角色,例如：

1)賦能安全生產(chǎn)，實時監(jiān)控工人、裝備位置，預(yù)測生產(chǎn)態(tài)勢，使救援模式從被動響應(yīng)變?yōu)橹鲃臃烙?/p>

2)賦能智能制造，實現(xiàn)工廠高效無人化運行，提升生產(chǎn)效率；

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

4)賦能智慧交通，實現(xiàn)自動駕駛和車輛與設(shè)施的智能調(diào)度，緩解交通壓力，提高運行效率；

5)賦能物流運輸，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施體系，支撐無人車、無人機精確控制與監(jiān)管；

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

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)境下存在信號覆蓋盲區(qū),僅依賴GNSS進行定位難以滿足泛在的高精度時空信息需求。同時，獨立工作的GNSS接收機需要10s級的初始定位時間，也存在定位服務(wù)延遲較長的問題。

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

本文首先闡述了通信與導(dǎo)航的融合方式，討論了無線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并重點分析了幾種常用無線網(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)生的增強效應(yīng)，最后討論了通信與導(dǎo)航融合的未來發(fā)展趨勢。

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)對通信系統(tǒng)的增強；2)通信系統(tǒng)對導(dǎo)航系統(tǒng)的增強；3)無線網(wǎng)絡(luò)的通信導(dǎo)航一體化融合。

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的增強

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

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的增強示意圖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)提供高精度納秒級甚至亞納秒級的網(wǎng)絡(luò)時間同步，用于提升通信網(wǎng)絡(luò)運行的安全性和穩(wěn)定性；

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

1.2 通信系統(tǒng)對導(dǎo)航系統(tǒng)的增強

如圖2所示，通信系統(tǒng)可作為導(dǎo)航輔助信息與增強信息的傳輸通道，對導(dǎo)航系統(tǒng)進行增強。例如：

圖2 通信系統(tǒng)對導(dǎo)航系統(tǒng)的增強示意圖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，減少捕獲時間，提高靈敏度；

2)差分增強系統(tǒng)也可使用通信網(wǎng)絡(luò)作為改正數(shù)等增強信息的傳輸通道，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)實現(xiàn)，并不能解決室內(nèi)、山區(qū)、地下等環(huán)境下的定位問題。

1.3 無線網(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)實現(xiàn)兩方面功能,我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報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線通信網(wǎng)絡(luò)實現(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)問題。例如：

1)藍牙技術(shù)除了用于設(shè)備間通信外，還能通過接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)和信號到達角度(Angle of Arrival，AOA)進行終端定位；

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

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

4)移動通信網(wǎng)絡(luò)則支持小區(qū)標識法(Cell-ID)和基于信號到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、TOF以及AOA等多種觀測信息的定位方法，還設(shè)計了專用的定位參考信號(Positioning Reference Signal，PRS)以支持更高精度的終端定位。

無線網(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)定位問題的主要手段之一。

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

無線網(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)可測性。在室內(nèi)、山區(qū)和地下等環(huán)境下具有信號被遮擋和反射面多的特點，導(dǎo)致多徑干擾嚴重、非視距問題頻發(fā)，對無線信號的測量帶來極大挑戰(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)實現(xiàn)高可靠的定位，但不同網(wǎng)絡(luò)之間在基準、觀測量、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)無線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合方法采用非連續(xù)信號測量，在測距精度上具有先天不足，實現(xiàn)厘米級的測距能力還需要進一步技術(shù)突破。

4)魯棒性。主流的導(dǎo)航控制與決策方法中測算技術(shù)獨立實現(xiàn)，通信導(dǎo)航融合后可與關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)、智能控制等實現(xiàn)一體化整合，但相應(yīng)技術(shù)仍需進一步研究。

5)實時性。未來將面臨秒級響應(yīng)和千億量級的位置服務(wù)訪問需求，巨量位置感知計算的實時性處理則是必須克服的挑戰(zhàn)。

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

3.1 藍牙定位

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

圖3 藍牙定位技術(shù)演進過程Fig.3 The evolution process of Bluetooth positioning technology

作為一種最初僅為通信功能創(chuàng)立的無線技術(shù)標準，藍牙在定位方面的發(fā)展可分為3個階段：

1)2002年,藍牙1.1即IEEE 802.15.1-2002標準中引入了對RSSI的測量功能，使得基于藍牙可以實現(xiàn)信號強度的指紋匹配定位，或通過路徑損耗模型計算信號傳播距離后的三邊定位，定位誤差可達數(shù)米，但這一階段的藍牙技術(shù)功耗較高，難以支撐長時間的信號收發(fā)，實際應(yīng)用能力較差。

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

3)2019年，藍牙5.1標準中加入了對AOA和信號離去角度(Angle of Departure，AOD)的支持，融合RSSI和AOA測量結(jié)果可提高定位精度，能夠提供亞米級的定位精度，如圖4所示。

圖4 藍牙5.1的AOA測量示意圖[23]Fig.4 Schematic diagram of AOA measurement using Bluetooth 5.1[23]

藍牙定位存在兩方面問題：1)BLE信號帶寬僅為2MHz，在室內(nèi)環(huán)境中受到多徑干擾嚴重，定位精度的進一步提高較為困難；2)藍牙技術(shù)面向WPAN設(shè)計，Beacon節(jié)點覆蓋范圍一般僅為10m左右，如需大范圍無縫定位服務(wù)則需要部署巨量節(jié)點，成本較高。

3.2 Wi-Fi定位

Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11標準的無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)技術(shù)。Wi-Fi定位技術(shù)的演進過程如圖5所示，也可分為3個階段：

圖5 Wi-Fi定位技術(shù)演進過程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的RSSI，可進行指紋匹配或三邊定位，但與藍牙不同的是，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，能夠提供亞米級的指紋定位精度，但CSI特征會隨時間動態(tài)變化，導(dǎo)致定位精度隨時間延長而降低；

2)2009年發(fā)布的基于IEEE 802.11n標準的Wi-Fi 4版本中，加入了對天線陣列多入多出技術(shù)(Multiple Input Multiple Output，MIMO)的支持，可以實現(xiàn)基于AOA的三角定位，可提供米級的定位精度；

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

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

Wi-Fi定位技術(shù)的問題在于Wi-Fi標準面向WLAN設(shè)計，信號覆蓋范圍為10m級，且不具有類似于藍牙Beacon的小型化節(jié)點，導(dǎo)致進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、大帶寬的無線技術(shù)，主要用于WPAN通信。在定義上，相對帶寬大于0.2的無線技術(shù)都能稱為UWB技術(shù)，但是在當前應(yīng)用中，使用較為廣泛的是IEEE 802.15.4a標準中規(guī)定的基帶窄脈沖UWB技術(shù)。

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

UWB定位技術(shù)的問題包括兩方面：1)與藍牙、Wi-Fi等技術(shù)相同，信號覆蓋范圍較小，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 移動通信網(wǎng)絡(luò)定位

移動通信網(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)進行通信導(dǎo)航融合，可實現(xiàn)高精度定位，能夠避免大規(guī)模通信導(dǎo)航融合專用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，極大降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。移動通信網(wǎng)定位技術(shù)的演進過程如圖7所示。

圖7 移動通信網(wǎng)定位技術(shù)演進過程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，各國之間也沒有統(tǒng)一的標準，但在當時也有研究者借助移動通信網(wǎng)進行定位。例如，TruePosition公司在美國的1G網(wǎng)絡(luò)高級移動電話系統(tǒng)(Advanced Mobile Phone System，AMPS)上通過加裝設(shè)備實現(xiàn)了上行信號的TDOA測量與終端位置估計，該方案在基站側(cè)安裝信號接收機，監(jiān)聽終端播發(fā)的特定撥號并記錄信號到達基站的時間，利用相鄰基站間的時間相減獲得TDOA觀測信息并對終端進行三邊定位，定位精度約600英尺(182.88m)；Grayson公司采用類似的方案，但在基站側(cè)加裝的接收機上使用天線陣列，在TDOA觀測信息之外增加了對終端上行信號AOA觀測信息的支持，實現(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時代，由于美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)在1996年頒布E911法案后，要求電信運行商必須為用戶提供應(yīng)急呼叫時的定位服務(wù)，導(dǎo)致移動通信網(wǎng)開始進行通信與導(dǎo)航的融合。歐洲的全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications， GSM)網(wǎng)絡(luò)標準采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，終端與基站之間的通信過程需要測量時間提前量(Timing Advance，TA),即信號從基站傳播至終端的時延，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等多種基于測時的定位方法。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的測量，因此GSM網(wǎng)絡(luò)還可支持在Cell-ID定位中加入TA計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)則采用類似AMPS中定位的方式，通過在基站上加裝位置測量單元(Location Measurement Unit，LMU)接收終端隨機接入信道(Random Access Channel，RACH)的突發(fā)脈沖，并記錄到達時刻，利用到達時刻之間的差值計算終端位置。而E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)技術(shù)則是由基站播發(fā)信號，終端通過記錄來自不同基站的廣播控制信道(Broadcast Control Channel，BCCH)的到達時刻,記錄時間差，再通過TDOA進行三邊定位。UTOA和E-OTD兩種方法都使用TDOA進行定位，由于E-OTD采用下行信號，在信號功率上具有一定優(yōu)勢，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類似的技術(shù)進行終端定位，并命名為高級前向鏈路三角定位(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時代的通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)網(wǎng)絡(luò)標準仍然保留了Cell-ID定位方法，并支持通過測量下行專用物理信道(Dedicated Physical Channel，DPCH)和上行專用物理控制信道(Dedicated Physical Control Channel，DPCCH)的信號到達時間實現(xiàn)RTT的測量，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。此外，UMTS中還新規(guī)定了觀測到達時間差(Observed TDOA，OTDOA)定位方法，由基站進行信號播發(fā)，終端接收不同基站的公共導(dǎo)頻信道(Common Pilot Channel， CPICH)并記錄信號到達時間差以計算定位結(jié)果，定位誤差在幾十米量級。也有研究人員使用我國的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了Cell-ID和OTDOA定位，定位精度與UMTS網(wǎng)絡(luò)相近。而另一項3G網(wǎng)絡(luò)標準CDMA2000則沿用了IS-95的AFLT方法，定位精度仍為幾十米量級。

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

3.4.2 4G網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

4G時代的長期演進技術(shù)(Long Term Evolu-tion，LTE)網(wǎng)絡(luò)標準與之前的移動通信網(wǎng)在通信導(dǎo)航融合上最大的不同在于LTE網(wǎng)絡(luò)定義了專用的PRS。該信號是一組經(jīng)過正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)調(diào)制的Gold偽隨機序列，資源映射過程中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)生相同的序列并進行相關(guān)運算，根據(jù)相關(guān)峰的位置確定信號的到達時刻。

圖8 LTE網(wǎng)絡(luò)中1個資源塊內(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基站播發(fā)的PRS并記錄其到達時刻，計算TDOA后就可以通過多邊定位確定終端位置，該方法在標準中同樣被稱為OTDOA方法，專用的定位信號顯著提高了定位過程的靈活性和到達時刻測量的準確性，定位精度可優(yōu)于50m，但仍然在幾十米的量級。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融合方法稱為增強小區(qū)標識(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時間差(Uplink TDOA，UTDOA)方法，基站可以通過接收終端播發(fā)的上行探測參考信號(Sounding Reference Signal，SRS)并計算信號到達不同基站的時間差進行定位，但由于SRS本身主要服從終端上行信號的功率分配，其功率并不能保障距離較遠的基站接收，因此存在可聽性問題，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)計了專用的定位信號，但是由于信號帶寬最大僅為20MHz并且基站間距在百米級，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到了使用移動通信網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)、地下等場景中實現(xiàn)高精度定位所具有的市場潛力，國際移動通信網(wǎng)標準制定組織3GPP(3rd Generation Partnership Project)在2016年就明確了5G網(wǎng)絡(luò)標準將支持高精度定位能力，將在2022年凍結(jié)的Release 17標準更期望為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景提供90%情況下0.2m的定位精度。5G新空口(New Raido，NR)網(wǎng)絡(luò)標準在通信導(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，信號帶寬的增加(低于6GHz頻段信號帶寬可達100MHz，毫米波頻段信號帶寬可達400MHz)使得5G信號獲得了更強的抗多徑能力，同時5G網(wǎng)絡(luò)中基站間距可縮小至10m級，極大提高了信號的可聽性，保障了高質(zhì)量信號的接收，而大規(guī)模天線陣列則為5G網(wǎng)絡(luò)帶來了信號角度觀測信息的測量能力，實現(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方法演進為下行TDOA(Downlink TDOA，DL-TDOA)，將UTDOA方法演進為上行TDOA(Uplink TDOA, UL-TDOA)，并增加了多往返測距(Multi-RTT)方法、下行信號離去角度(Down-link AOD，DL-AOD)方法和上行到達角度(Uplink AOA，UL-AOA)方法，極大豐富了移動通信網(wǎng)絡(luò)支持的定位方法種類。

5G網(wǎng)絡(luò)對SRS進行了改進，增加了專用于定位的配置方式，可在上行信號最大發(fā)射功率下播發(fā)SRS，保障了信號的可聽性，提高了UL-TDOA定位能力。此外，SRS可聽性的提高使得5G可與周邊基站都進行RTT測量，在Multi-RTT方法中，基站和終端分別記錄收發(fā)PRS與SRS的時刻，并通過計算獲得終端和基站間的RTT實現(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，臨近終端的多個基站可以依靠基站天線陣列測量SRS的到達角度后估計終端位置。DL-AOD方法則將下行信號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)鄧中亮教授團隊在科技部“羲和計劃”支持下形成的TC-OFDM定位信號體制的基礎(chǔ)上，在國家重點研發(fā)計劃“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”項目的支持下提出了隱嵌信噪定位技術(shù)，極大提升了移動通信網(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)外無縫定位示范系統(tǒng)，成為了國際5G高精度定位標準。相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)PRS得到了如下增強：

1)5G網(wǎng)絡(luò)中映射PRS的資源單元的間隔可小至2個子載波，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到4G PRS的3倍，5G PRS的抗干擾能力得到顯著提高；

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

圖9 5G網(wǎng)絡(luò)中1個資源塊內(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個周期之間需要間隔最少4個子幀；

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

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

鄧中亮教授團隊基于5G網(wǎng)絡(luò)隱嵌式的共頻帶PRS實現(xiàn)了優(yōu)于0.1m的高精度定位，而國際上其他5G定位方法精度僅為亞米級。

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

3.5 無線網(wǎng)絡(luò)通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)對比分析

藍牙、Wi-Fi和UWB等局域或個域網(wǎng)定位技術(shù)能夠支撐小范圍的高精度定位，在移動通信網(wǎng)2G、3G、4G時代定位精度較低時起到了重要的補充作用。但隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，移動通信網(wǎng)定位技術(shù)不僅在定位精度上實現(xiàn)了超越，同時由于運營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，是現(xiàn)今解決室內(nèi)泛在高精度定位問題的有效手段。無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對比如表1所示。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對比

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)與其他局域和個域網(wǎng)絡(luò)相比具有明顯優(yōu)勢，但藍牙、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)的融合是解決無縫位置服務(wù)問題的重要手段。一方面，已經(jīng)部署了的基于藍牙、Wi-Fi和UWB技術(shù)的定位網(wǎng)絡(luò)可以與5G網(wǎng)絡(luò)進行融合，提供冗余觀測信息，提高定位精度；另一方面，在5G網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋較差的室內(nèi)區(qū)域，也可以通過部署藍牙、Wi-Fi和UWB節(jié)點作為定位信號的補充，以提供連續(xù)的定位結(jié)果。

5 北斗+5G的增強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)帶來室內(nèi)定位服務(wù)補充和雙重覆蓋區(qū)域的精度增強，以及高速實時輔助信息傳輸能力，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，為北斗走向全球服務(wù)提供有力支撐。

北斗則為5G帶來了高精度時空基準和室外廣域定位服務(wù)覆蓋，為萬物互聯(lián)提供了精確的時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 未來發(fā)展趨勢

6.1 天地一體定位導(dǎo)航與授時體系

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

圖10 天地一體定位導(dǎo)航與授時體系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)，還能與地面無線網(wǎng)絡(luò)融合在邊遠地區(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)深度融合方面進行研究，建立泛在、無縫、通導(dǎo)一體化位置服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)精準、可信空間信息的時空連續(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。

對昆蟲、鳥類等動物導(dǎo)航行為、協(xié)作機制以及功能性神經(jīng)細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、仿生磁羅盤、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)驗知識表達、多源異質(zhì)導(dǎo)航信息柔性融合等仿生技術(shù)，則可能在未來提供準確性與實時性更強的位置感知能力。

7 總結(jié)

通信導(dǎo)航融合定位技術(shù)作為當下導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點之一，獲得了極大進步，移動通信網(wǎng)定位技術(shù)在5G時代的巨大提升使得泛在高精度時空信息的獲取更加便利。藍牙、Wi-Fi、UWB等網(wǎng)絡(luò)能夠在5G網(wǎng)絡(luò)信號較差區(qū)域提供信號補充，實現(xiàn)室內(nèi)無縫高精度定位。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，進一步提高信號的抗多徑、抗噪聲能力，降低站間同步誤差影響，準確識別非視距信號等方法都能夠使5G網(wǎng)絡(luò)定位精度獲得進一步的提高；

2)天地一體化定位導(dǎo)航與授時體系與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是未來精準、可信、時空連續(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)航智能化問題的潛在手段。