鮑亞川，楊夢煥，李建佳，李雋

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)在各國竟相發(fā)展，因其廣覆蓋、低成本、高精度的優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到大量應用并發(fā)揮了巨大作用，導航定位服務也日漸成為社會經(jīng)濟運行不可獲取的基礎服務.導航定位逐步滲入到各行各業(yè)中后，人們逐漸發(fā)現(xiàn)大量的區(qū)域空間無法接收衛(wèi)星導航信號，進而無法獲取衛(wèi)星導航定位服務，這類空間的定位導航需求無法被滿足.

遮蔽空間，是指衛(wèi)星導航信號被遮擋，無法依靠衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)定位的空間區(qū)域.近年來，以河北省雄安新區(qū)、江蘇省南京市江北地下城等為代表的地下城市建設進入了快速發(fā)展新階段，大型煤礦加快推進智能化采礦系統(tǒng)部署應用，地下空間的開發(fā)利用步入了一個以“大空間+智能應用”為特征的新的發(fā)展時期，對地下空間定位、導航和授時(positioning,navigation and timing，PNT)技術的需求迫切.我國北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)已于2020 年完成建設，我國也隨之提出了要建設“更加泛在、更加融合、更加智能”的綜合PNT 體系，建設上天入地、全場景覆蓋的時空服務體系，成為新時期時空信息領域發(fā)展的目標和方向.在迫切的市場應用需求和國家戰(zhàn)略的雙重推動下，面向室內、地下的遮蔽空間PNT 技術迎來了新的發(fā)展契機.遮蔽空間PNT 技術也成為了國內外領域科研機構關注的重點方向，以超寬帶(ultra wide band，UWB)、偽衛(wèi)星、5G 等為代表的定位技術快速發(fā)展，并在一些場景得到了應用.本文將對遮蔽空間定位導航場景需求進行特征分析，對存在的技術挑戰(zhàn)進行說明并對相關技術發(fā)展進行展望.

1 遮蔽空間場景及需求分析

1.1 遮蔽空間場景分析

根據(jù)衛(wèi)星導航信號遮擋情況及信號傳播特征，對遮蔽空間劃分為兩大類.

1)衛(wèi)星導航半遮蔽空間

城市峽谷、山區(qū)、叢林等，在這些區(qū)域，衛(wèi)星導航信號受到部分遮擋，導致定位導航信號不連續(xù)、定位精度降低甚至定位不可用.

2)衛(wèi)星導航完全遮蔽空間

因為地形或建筑構造導致完全不能接收衛(wèi)星導航信號實現(xiàn)定位的空間，這類空間又具體包括以下三類：

①地上室內空間，包括城市樓宇、火車站、候機廳等建筑物內部，空間內無法接收衛(wèi)星導航信號，但可接收地面室外基站網(wǎng)絡信號實現(xiàn)覆蓋；

②地下空間，包括地鐵、停車場、地下商場等，無法接收衛(wèi)星導航信號以及地面無線電信號，但可在空間內部架設無線電網(wǎng)絡實現(xiàn)定位導航覆蓋；

③復雜電磁傳播條件下的特殊遮蔽空間，如民用大型工礦、制造車間，以及大型船艇內部等，存在大量金屬遮蔽結構，導致無線電信號傳播效應復雜，無法在內部部署無線電網(wǎng)絡進行定位導航空間.

根據(jù)應用條件，遮蔽環(huán)境又可以分為合作場景與非合作場景.

合作遮蔽場景，位于己方控制區(qū)域，包括己方城市峽谷、茂密叢林、室內地下、己方基地、地下空間、大型船艇內部等，這類場景一般通過建設定位基站網(wǎng)絡，可實現(xiàn)不同精度定位導航保障；

非合作遮蔽場景，位于交戰(zhàn)區(qū)域或敵占區(qū)，包括陌生山區(qū)、峽谷、叢林、洞穴、陌生城市室內地下空間、敵方指揮所、敵方地下基地等，這類場景不具備提前部署固定設施的條件，甚至缺乏有效的地理信息支撐，需要依靠自主傳感手段、機動式網(wǎng)絡實現(xiàn)定位導航保障.

1.2 應用需求分析

在合作場景，主要面向己方地上設施內部、地下設施等，為人員、裝備、車輛等提供定位、位置報告、路徑規(guī)劃導航，以及無人駕駛控制等保障.

在非合作場景，根據(jù)應用對象以及任務的不同，需要能夠提供不同精度能力的定位導航保障.典型保障需求列舉如下：

1) 集群城市作戰(zhàn)，需要能夠為人員提供室內室外、地上地下多場景連續(xù)自適應的定位導航、態(tài)勢管控保障；

2) 人員搜救，需要能夠基于通導融合手段，實現(xiàn)遮蔽環(huán)境人員定位與位置報告；

3) 無人裝備自主偵察作戰(zhàn)，面向無人機、無人車等提供高精度、高自主、高完好、高智能的定位導航能力保障.

2 技術手段適用性分析

衛(wèi)星導航遮蔽環(huán)境下的定位導航技術主要包括無線電導航、自主傳感導航兩大類.

2.1 遮蔽環(huán)境無線電導航

遮蔽環(huán)境無線電導航，是通過遮蔽環(huán)境中部署固定或機動式無線電定位節(jié)點，通過無線電測距、測角、測姿等方式實現(xiàn)不依靠衛(wèi)星導航的定位能力.

UWB 定位導航技術，是依靠網(wǎng)絡節(jié)點收發(fā)納秒級窄脈沖信號，實現(xiàn)相互高精度測距、測角，進而實現(xiàn)定位.該技術由于信號體制的原因具有抗多徑能力強、測距精度高、低功耗等優(yōu)勢，適用于室內地下環(huán)境，最高可實現(xiàn)厘米級定位精度.該技術已在民用礦井、工廠、監(jiān)獄等領域大范圍應用，蘋果、三星等手機已全部內置了UWB 芯片[1-2].

4G、5G 的室內定位導航技術，是基于4G、5G 位置服務信號以及共頻帶測距信號進行基站與用戶間測距實現(xiàn)定位導航的技術.該技術優(yōu)點是可以通過大量建設的5G 基站網(wǎng)絡，面向用戶提供室內外定位導航服務.受限于信號體制，存在抗多徑能力弱，室內復雜環(huán)境定位精度不高等問題[3-4].

室內偽衛(wèi)星定位技術，是通過偽衛(wèi)星基站播發(fā)北斗系統(tǒng)相同信號實現(xiàn)在一定范圍內衛(wèi)星導航補充和增強，空基/地基平臺播發(fā)偽衛(wèi)星信號可以實現(xiàn)在北斗受干擾區(qū)域提供衛(wèi)星導航覆蓋，將偽衛(wèi)星基站部署到室內或城市空間，就可以面向衛(wèi)星導航用戶室內外連續(xù)的無縫導航定位能力，解決城市峽谷和室內定位問題.該項技術原理與衛(wèi)星導航近似，會受到多徑效應影響，適用于較為開闊、層高較高的室內地下空間，以確保較高信號仰角[5].

此外還有基于Zigbee、藍牙、Wi-Fi 等多種通信網(wǎng)絡的室內定位導航技術，基于通信信號測距實現(xiàn)定位，在民用領域的不同場景下得到應用.

2.2 遮蔽環(huán)境自主傳感導航

自主傳感導航，是依靠慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)、激光雷達、視覺傳感器等手段實現(xiàn)在陌生環(huán)境條件下不依賴衛(wèi)星導航的定位導航能力.

即時定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技術，通常部署于無人平臺應用，依靠激光雷達或視覺傳感器進行環(huán)境信息實時感知，同步完成地圖測繪及平臺定位能力，一般應用于陌生室內地下環(huán)境，具有完全自主的突出優(yōu)勢，在無人駕駛、地圖測繪等領域已得到大范圍應用，但也存在低光照環(huán)境使用受限、誤差累計等問題[6].

人員穿戴慣導傳感器，是依靠穿戴式定位模組中的單個或者多個關系傳感器實現(xiàn)不依賴衛(wèi)星導航的人員自主定位，具有體積小、功耗低、可穿戴、完全自主等優(yōu)勢，但目前也存在長距離精度下降、使用人員姿態(tài)受限等問題[7].

2.3 其他手段

除此之外還有聲學定位與可見光定位等手段，可應用于特殊場景中.

聲學定位是利用聲波信號進行測距和定位，目前通常采用不能被人耳感知的近超聲信號.在室內區(qū)域部署多個近超聲基站，使用手機或專用終端與基站進行相互測距，即可定位.在艦艇、工礦企業(yè)等金屬結構復雜區(qū)域，無線電定位手段精度會惡化甚至不可用，該技術依靠聲信號傳播測量，不受影響，因此仍可以提供亞米級高精度定位能力，同時也具有低成本、低功耗等優(yōu)勢，但該技術也存在動態(tài)定位性能不足、定位范圍較小等問題[8].

可見光定位是以發(fā)光二極管為信號光源，可見光波為通信測量載波，自由空間為傳輸信道的通信測量技術，具有傳輸速率高、保密性強、抗電磁干擾強等特點，可以實現(xiàn)照明、通信與定位一體化，但存在定位范圍較小的問題[9].

2.4 適用性分析

在上述各類技術實際使用中，也會結合應用需求，進行多源組合以實現(xiàn)更強的環(huán)境適應性及更高的穩(wěn)定性.典型技術手段特征及適用場景分析匯總如表1 所示.

表1 典型技術手段特征及適用場景分析

3 面臨的問題挑戰(zhàn)

遮蔽空間定位導航，與衛(wèi)星導航所適用的地表開闊空間相比，面臨空間結構受限、信號傳播受限等挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)高精度、高可靠的定位導航能力，還存在眾多難題[10].目前，無線電定位技術在遮蔽空間定位導航領域研究最為活躍，應用最為廣泛，其中又以UWB 技術效果最好，最具有代表性.因此，以UWB技術為例，對遮蔽空間定位導航面臨的問題挑戰(zhàn)進行說明.

3.1 復雜的環(huán)境幾何結構帶來影響

室內地下空間是遮蔽環(huán)境中最常見的場景幾何，結構千變萬化，類型多樣.存在狹長廊道、多層空間、傾斜隧道、曲折通道等多種不同形式的空間形式，要基于基站網(wǎng)絡實現(xiàn)高精度定位，定位網(wǎng)絡構型如何設計要面臨較大的問題挑戰(zhàn).

以地下礦井的狹長空間為例，礦井長度可達數(shù)十千米，礦井寬度通常小于5 m，以衛(wèi)星導航為代表的多點定位體制在很多場景下難以適用.

圖1 為模擬地下礦井場景進行仿真分析，場景為長度為100 m、寬度為5 m、高度為5 m 的隧道，以UWB 技術為例，設定測距誤差在0.1 m，在該場景中，四個定位基站部署于空間四角的位置.仿真結果表明，在隧道中間區(qū)域定位誤差可在0.5 m內，但在隧道邊緣區(qū)域、以及接近基站的位置區(qū)域由于幾何分布極端不理想，誤差惡化為2 m 以上，狹長的空間環(huán)境給高精度定位帶來了明顯挑戰(zhàn).

圖1 狹長空間四站三維定位精度

3.2 復雜傳播環(huán)境對無線電定位帶來挑戰(zhàn)

遮蔽空間傳播環(huán)境的復雜性還體現(xiàn)在環(huán)境材質的影響，不同材質的電導率等存在顯著差異，不同的環(huán)境材質會對無線電信號傳播產生不同的影響，進而對測距精度帶來較大影響.

仿真構建了一個100 m×3 m×3 m 的狹長空間，位于空間頂部的UWB 基站與人員進行測距定位.圖2針對空間墻壁材質為金屬、混凝土、玻璃、磚的四種情況分別進行仿真試驗.針對該場景，基于MATLAB平臺構建射線追蹤仿真模型，信號帶寬為500 MHz的UWB 信號，信號頻點為3.9 GHz，采用了金屬、混凝土、玻璃、磚的標準介電系數(shù)，重點對UWB 信號在不同材質環(huán)境下的信道沖擊響應進行仿真分析，并重點分析不同環(huán)境材質帶來的多徑信號強度及數(shù)量差異.

圖2 狹長隧道場景

不同材質環(huán)境下的信道沖擊響應如圖3～6 所示.由圖可知，不同環(huán)境材質帶來的多徑信號數(shù)量以及多徑信號強度差異明顯，混凝土、玻璃、磚三種材質環(huán)境下的多徑數(shù)量以及直射徑能量占比基本一致，但金屬材質環(huán)境下的多徑信號數(shù)量和強度顯著增強.平整的金屬表面發(fā)生了類似于鏡面反射的效果，多徑數(shù)目明顯多于其他材質，這就導致無線電定位手段在金屬環(huán)境下的定位效果較差，甚至完全不可用.如UWB定位手段，在多數(shù)室內地下遮蔽場景下都可以依靠其自身優(yōu)異的抗多徑能力，實現(xiàn)亞米級甚至厘米級定位精度，但在金屬遮蔽環(huán)境下，定位精度嚴重惡化.

圖3 混凝土場景信道沖擊響應

圖4 金屬場景信道沖擊響應

圖5 玻璃場景信道沖擊響應

圖6 磚石場景信道沖擊響應

3.3 受限環(huán)境下的高可靠定位

遮蔽環(huán)境的復雜性、多樣性對高精度定位帶來了巨大挑戰(zhàn)，但同時要在空間狹小、光照受限等不利因素影響下，以室內地下為代表的遮蔽空間，往往存在空間狹小、光照受限等問題，由于環(huán)境的復雜性、多樣性要實現(xiàn)高精度定位面臨很大的技術挑戰(zhàn)，但在這類環(huán)境下反而需要更為高精度的定位導航能力.國家應急管理部即將發(fā)布的《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術條件》及其編制說明，對于井下人員精確定位要求精度優(yōu)于0.3 m[11-12].面向“無人則安、少人則安”的發(fā)展目標，未來要力求依靠完全自動化、智能化裝備，實現(xiàn)地下無人化作業(yè)，因此對于定位導航保障的可靠性提出了極高要求.

4 未來系統(tǒng)架構

智慧城市、自動化工廠、大型礦井等是當前遮蔽空間定位導航技術需求最為迫切，也是未來最為主要的典型場景應用.這些場景下的無人駕駛、智能制造、無人作業(yè)發(fā)展迅猛，但也需要定位導航技術實現(xiàn)跨越和突破，提供更為強有力的技術支撐.面向無人化、智能化發(fā)展需求，新一代遮蔽空間PNT 網(wǎng)絡，未來發(fā)展應具有的技術能力包括：

1) 高精度：一維/二維定位演進為高精度三維定位；

2) 高并發(fā)：新型波形及協(xié)議實現(xiàn)大規(guī)模多址接入；

3) 低時延：接入控制由云端下放基站，邊緣計算實現(xiàn)低延時定位；

4) 高動態(tài)：支持遮蔽空間高動態(tài)定位能力；

5) 全場景：多體制定位混合組網(wǎng)實現(xiàn)無縫定位；

6) 高可靠：高完好支持無人化車輛、裝備導航.

要實現(xiàn)上述能力，就需要全新的系統(tǒng)架構、創(chuàng)新的管控機制、彈性伸縮的標準協(xié)議支撐，構建更為靈活、可靠、可伸縮的PNT 系統(tǒng).適應于遮蔽空間的規(guī)模可伸縮智能化PNT 系統(tǒng)架構，如圖7 所示.

圖7 規(guī)?？缮炜s智能化PNT 系統(tǒng)架構

規(guī)?？缮炜s智能化PNT 系統(tǒng)采用網(wǎng)云端四層架構：

1) 云端智能管控：設計基于數(shù)字孿生地圖的精細化管控機制，實現(xiàn)面向業(yè)務的系統(tǒng)智能化管控能力，支持網(wǎng)絡資源的智能調配，支持網(wǎng)絡多模基站、大量用戶的接入/退出.

2) 通信網(wǎng)深度融合：設計與移動網(wǎng)絡，工業(yè)環(huán)網(wǎng)等通信網(wǎng)融合的PNT 系統(tǒng)協(xié)議集.梳理現(xiàn)有通信網(wǎng)絡接口，在系統(tǒng)服務模式設計驅動下進行時空服務網(wǎng)絡協(xié)議集設計，支持PNT 基站、終端與云端信息交互.

3) PNT 混合組網(wǎng)：高并發(fā)高靈活性的基站子網(wǎng)架構與協(xié)議設計.子網(wǎng)架構設計與組網(wǎng)機制、UWB對云端以及用戶終端的信號、信息協(xié)議設計、高并發(fā)低時延用戶服務機制.

4) 多模一體用戶終端：協(xié)同設計用戶側時空服務協(xié)議.協(xié)同設計面向用戶的時空服務協(xié)議，對接基站接口、時空服務協(xié)議完成終端功能開發(fā).

其中，要適應遮蔽空間的各類復雜環(huán)境，多模PNT 基站混合組網(wǎng)極端重要，因此需設計開放式多層規(guī)?？缮炜sPNT 網(wǎng)絡架構.如圖8 所示，該網(wǎng)絡架構包括PNT-CU(中心單元)、PNT-DU(分布單元)、PNT-PU(物理單元)三層單元；統(tǒng)一時空服務PNT-CU單元，協(xié)調管理區(qū)域多源異構PNT 網(wǎng)絡基站；統(tǒng)一PNT-DU 單元，完成區(qū)域分簇網(wǎng)絡的基站組網(wǎng)、時空統(tǒng)一、定位解算；差異化PNT-PU 單元，完成HNav-UWB(高性能定位導航型UWB)、偽衛(wèi)星、近超聲等多種異構導航源的信號處理與用戶接入.

圖8 開放式多層規(guī)?？缮炜sPNT 網(wǎng)絡架構

依托規(guī)?？缮炜s智能化PNT 系統(tǒng)架構，構建開放式多層統(tǒng)一PNT 網(wǎng)絡，將可以針對各類PNT 基站進行統(tǒng)一部署和協(xié)同管理，形成可以適應各類遮蔽空間場景，滿足各類用戶需求的可靠精準定位導航能力.

5 結束語

在室內、地下空間加速開發(fā)利用的大背景下，遮蔽空間PNT 技術需求迫切、應用前景廣泛、實現(xiàn)途徑多樣，近年來已經(jīng)逐步由理論概念走向了應用實踐.各類遮蔽空間PNT 系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，多體制融合的遮蔽空間PNT 將是實現(xiàn)室內、地下空間無人化智能化的基礎支撐和關鍵手段，在智慧城市、無人物流等領域實現(xiàn)廣泛和重要應用，也將會在國家綜合PNT 體系發(fā)展建設中發(fā)揮不可獲取、難以替代的關鍵核心作用.