北斗 5G融合定位技术研究及应用进展.pdf
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1、DOI:10.12265/j.gnss.2023091北斗+5G 融合定位技术研究及应用进展金耀1,2,周又眉3,张贺1,2,张子宁1,2,张晨芳1,2,赵良1,2,魏步征1,2(1.中国联合网络通信有限公司研究院,北京 100048;2.下一代互联网宽带业务应用国家工程研究中心,北京 100048;3.中国联合网络通信有限公司,北京 100048)摘要:北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)面向全球提供高精度的定位服务,但在城市峡谷及室内等场景下难以发挥作用.随着第五代移动通信技术(5thgenerationmobilecommunicat
2、iontechnology,5G)大规模商用及定位精度突破亚米级,北斗+5G 融合定位,可构建泛在、无缝的室内外一体化定位解决方案,对我国实施定位、导航与授时战略具有重要意义.本文总结了主要的无线定位技术原理和特征,介绍了移动通信网络定位技术的演进和最新的 5G 定位方法,将北斗+5G 融合定位划分为增强定位和融合定位 2 个层级.按照定位融合的耦合度,把融合定位分为加权融合定位和信号融合定位,并给出不同场景下北斗+5G 融合定位的策略,最后介绍了北斗+5G 融合定位的发展现状和推广应用情况,为北斗+5G 融合定位研究及应用提供参考依据.关键词:北斗卫星导航系统(BDS);5G 定位;北斗+5
3、G;融合定位;室内定位中图分类号:P228.49文献标志码:A文章编号:1008-9268(2023)04-0012-070引言2020年,我国北斗三号(BeiDou-3NavigationSatelliteSystem,BDS-3)完成全球组网,面向全球提供高精度定位服务.北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)虽覆盖广、精度高,但由于卫星信号容易受遮挡,在城市峡谷和室内场景下定位会失效.随着通信技术的发展,第五代移动通信技术(5thgenerationmobilecommunicationtechnology,5G)的定位能力进一步增强,室
4、内定位精度达到亚米级,可弥补 BDS 定位能力的不足.北斗+5G 融合定位共同构建室内外无缝定位体系,满足全场景下的定位需求,对国家建设韧性定位、导航与授时(positioning,navigationandtiming,PNT)具有重要意义.BDS 经过 20 多年的发展,定位技术已比较成熟,但由于卫星信号易受干扰和遮挡,BDS 在观测卫星数量不足时定位性能下降,因此,很多研究主要聚焦于 BDS 定位与其他室内定位方法的融合,如北斗和超宽带(ultrawideband,UWB)技术的融合定位1-5,北斗和 Wi-Fi 技术的融合定位6-9,北斗和惯性导航系统(inertialnavigati
5、onsystem,INS)技术的融合定位10-12,这些研究补充了北斗室内定位能力的不足.随着通信网络定位技术的演进,第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP)在 Re-lease17 中将 5G 在商业和工业互联网应用的水平定位精度目标设置为优于 1m 和 0.2m13,一些学者开展了 5G 高精度定位的研究工作14-17.由于 5G 定位可以实现室内高精度定位,有学者提出了北斗+5G 融合定位来实现室内外无缝定位的思路18-21.彭友志等22通过定量分析,研究了多径干扰条件下 5G+GNSS融合定位的性能上下限和精度.龚利等23运用
6、改进型联邦卡尔曼滤波算法建立北斗和 5G融合定位模型,实现了在模拟复杂环境下铁路车机分米级定位.曹春晓等24研究了北斗+5G联合定位模型,基于后验加权进行误差校正提升融合定位精度.薛嘉琛等25基于北斗和 5G 建立联合定位方程,将北斗定位数据与 5G 定位数据进行了融合解算.这些研究虽对北斗+5G 融合定位进行了探索,但都侧重于算法或某个方法,未能系统地介绍移动通信的定位方法,也没有给出北斗+5G 融合定位的融合策收稿日期:2023-04-17资助项目:国家重点研发计划(2022YFB2804102)通信作者:金耀E-mail:第 48卷第4期全球定位系统Vol.48,No.42023年8月G
7、NSS World of ChinaAugust,2023略和方法.本文对移动通信定位的演进过程及最新的 5G 定位技术的方法和特征进行了系统的介绍,探讨了北斗+5G 融合定位的方式,针对不同场景给出相应的融合策略介绍了当前北斗+5G 融合定位的发展和应用现状,并对未来的研究给出建议.1无线定位技术无线定位技术按照服务范围可以划分为局域定位和广域定位,移动通信网定位和 GNSS 属于广域定位,为用户提供普适的定位服务;Wi-Fi、蓝牙和 UWB等属于局域定位,主要用于室内场景.1.1 北斗定位BDS 是中国自主研发的卫星导航系统.BDS 于2000 年启动建设,在 2020 年完成了 BDS-
8、3 全球组网,为全球用户提供全天候的 PNT 及短报文通信服务.全球定位精度优于 10m,事后差分定位精度达到毫米级,授时精度优于 20ns26.北斗定位原理为:终端接收机同步观测多颗已知位置的北斗卫星,终端通过测量卫星信号到达时间,来计算终端与每个卫星之间的距离,通过交会计算来确定终端接收机的位置.理论上利用 3颗卫星组成星站距离方程组就可解算出终端位置,由于卫星时钟与终端接收机时钟之间也存在偏差,钟差也作为未知量进行求解,因此,需要至少 4 颗观测卫星信息引入方程组来解算终端位置.其公式为(xix)2+(yiy)2+(ziz)2=c(tit)(1)xi,yi,zix,y,z式中:()为北斗
9、卫星的坐标,i 为观测到的卫星序号;()为待求解的终端接收机的坐标;c 为光速;ti为卫星与用户机之间信号传输的时间差;t 为卫星时钟与接收机时钟之间的误差.1.2 局域无线定位局域无线定位主要包括 Wi-Fi、蓝牙和 UWB 等方式,其定位技术主要分为四种类型:基于接收信号强度(receivedstgnalstrength,RSS)的测距定位、基于信号特征的指纹定位、基于信号传输时间和角度测量的定位.1)RSS 定位:无线信号在传播时随着距离增加,RSS 逐渐衰减,通过 RSS 推测待定位目标与信号发射源的距离,再利用三边定位估算位置.2)指纹定位:通过待定位目标收到的信号特征与信号信息库进
10、行比对,来估算待定位目标位置,需提前采集指纹数据库.3)时间测量定位:利用测量信号传播的到达时间(timeofarrival,TOA)或到达时间差(timedifferenceofarrival,TDOA),来确定待定位目标与基站间的距离关系,再利用三边定位或双曲线估算位置.4)角度测量定位:通过测算信号接收节点和信号发射源之间的相对方位或角度,再利用三角定位法或其他方式计算出目标点位置,包括出发角(argleofdeparture,AOD)、到达角(angleofarrival,AOA)两种方式.1.2.1Wi-Fi 定位Wi-Fi 定位是一种基于无线局域网技术实现的定位方式,通过接收到的
11、Wi-Fi 信号信息来确定接收器的位置,主要有四种方法:指纹定位、RSS 定位、TOA 定位及 AOA 定位.Wi-Fi 定位精度通常在数米到数十米,与接入点分布密度、信号强度和环境噪声等因素有关.Wi-Fi 定位优点在于其覆盖范围广、成本低,可用于室内、城市区域等场景.RSS 定位方法在复杂的多径环境下,测距定位精度下降;指纹法的采集和维护成本高,易受环境变化影响,难以广泛部署;也面临信号干扰、环境变化等问题.1.2.2蓝牙定位蓝牙定位是指利用蓝牙信号进行定位的技术,需要在区域内部署多个蓝牙信标,利用信标发射的信号进行定位.其定位原理和 Wi-Fi 定位类似,也是通过RSS 定位、指纹匹配定
12、位,蓝牙 5.1 标准引入了角度测量功能,支持 AOA 和 AOD 定位.蓝牙定位精度主要受信号传播影响,理想环境下定位精度达到 15m,在实际环境中,受障碍物对信号的影响定位精度会降低.蓝牙定位优点是低成本、低功耗和易于安装等;缺点是定位精度较低,受多径效应和信号干扰影响较大.1.2.3UWB 定位UWB 定位是利用 UWB 信号进行定位的技术,通过发送短脉冲信号,测量信号的 TOA 或 TDOA,从而确定发射器和接收器之间的距离来确定接收器的位置,理想环境下定位精度可达厘米级.UWB 定位优点是抗干扰能力和可靠性强,能够实现厘米级定位;缺点是建设成本高、受环境干扰较大、基站数量要求较多等.
13、UWB 标签虽已做到小型化,但目前没有集成到智能手机中,所以待定位目标需单独配备UWB 标签.早期的移动通信无法提供高精度定位,蓝牙、Wi-Fi、UWB 等无线局域定位技术成为室内定位的重要手段,但大范围部署成本高,难以成为普适的定位技术.随着 5G 网络定位精度突破亚米级和大范围的第4期金耀,等:北斗+5G 融合定位技术研究及应用进展13商用部署,免去了专用定位设备的建设成本,使 5G定位成为一种普适的高精度定位手段27.1.3 移动通信网定位通信网设计初衷是提供通讯服务,并未考虑定位机制,随着定位服务需求日益增多,从 1995 年起,2G 网络引入定位技术,早期的通信网络基于 CellID
14、 和测量时间进行粗定位.随着移动互联网的发展,通信网定位技术不断迭代,定位精度也不断提升.1.3.1早期通信网络定位2G 定位:在 1999 年之前,移动通信定位方案主要包括 CellID 和 CellID+时间提前量(timeadvance,TA),通过基站的小区标识确定终端位置和同步信号计算测距实现定位.后来增加了增强观察时间差(en-hancedobservedtimedifference,E-OTD)和上行链路到达时间(UplinkTOA,UTOA)方法.E-OTD 是由基站播发信号,终端记录来自不同基站信号的 TOA,并计算时间差,再通过双曲线原理定位28,UTOA 与 E-OTD
15、原理类似,不过是由终端发送信号,基站记录TDOA.3G 定位:3G 中继承了 CellID 方法,新增了观测到达时间差(observedtimedifferenceofarrival,OT-DOA)和往返时间(roundtriptime,RTT)方法.OT-DOA 定位技术与 2G 网络里面的 E-OTD 定位方法类似,也是由基站发送信号,通过 TDOA 计算终端位置.RTT 分别测量终端与基站的 RTT,计算终端与基站之间的距离实现定位.4G 定位:4G 对定位进一步增强,引入了专用的定位参考信号(positioningreferencesignal,PRS),新增了上行到达时间差(upli
16、nkTDOA,UTDOA)和增强小区法(enhancedCellID,E-CID)方法,3GPP 在Release13 标准里提到的定位包括:依赖蜂窝定位方法的 OTDOA、UTDOA、E-CID 和不依赖蜂窝定位方法网络辅助卫星导航系统(AssistedGNSS,A-GNSS).早期的通信定位主要利用测量时间进行定位,依赖通信过程中所需的导频或控制信号.4G 设计了专用的定位参考信号,由于信号带宽最大仅为 20MHz,且基站间距在百米级,因此定位精度仍较低27.1.3.25G 定位5G 定位保留了 E-CID 方法,将 UTDOA、OTDOA和 RTT 方法分别演进为上行到达时间差定位法(u
17、p-linkTDOA,UL-TDOA)、下行到达时间差定位法(downlinkTDOA,DL-TDOA)和 Multi-RTT,并新增了基于角度测量的定位方法下行出发角法(downlinkAOD,DL-AOD)和上行到达角法(uplinkAOA,UL-AOA)29.这些方法可以分为基于时间测量、角度测量及混合定位三种类型.时间测量定位:测量终端和基站之间收发无线信号的时间关系进行定位,包括 DL-TDOA、UL-TDOA和 Multi-RTT,前两种方法需要基站间严格时间同步,而后者不需要.DL-TDOA:终端测量两个基站发送的下行 PRS的 TDOA,利用双曲线原理实现定位,如图 1 所示.
18、基站终端t1t2t3图 1 TDOA 定位示意图UL-TDOA:基站测量上行链路 TDOA,通过计算终端上行探测参考信号到达不同基站的时间差,利用双曲线原理实现定位,如图 1 所示.Multi-RTT:多站往返时间法,终端和基站相互发送信号,测算基站和终端之间的 RTT,得到终端与多个基站的距离,再利用三边定位原理定位,如图 2所示.基站终端t1t2t3图 2 Multi-RTT 定位示意图角度测量定位:5G 采用大规模天线阵列,可以测量更高精度的角度,基于 2 个基站测量的角度即可实现定位,如图 3 所示.基站终端图 3 AOD/AOA 定位示意图14全 球 定 位 系 统第48卷DL-AO
19、D:终端测量下行参考信号波束,根据发送波束方向来估计终端的位置角度,依据多个基站估算的入射角度计算终端位置.UL-AOA:原理与 DL-AOD 类似,多个基站测量终端上行信号的到达角度,根据多个基站测量的到达角度计算终端位置.混合定位:主要是指 E-CID,即增强小区法,是一种混合定位方法,融合了基站邻近位置、时间测量及角度测量三种定位方法,仅靠单基站即可完成定位,不受基站间时间同步限制.E-CID 方法包括 CellID+RTT、CellID+RTT+AOA/AOD 等.其原理是:首先根据 CellID 锁定终端所在基站的扇区;然后基站与终端互发参考信号测量时间差得到 RTT,确定终端所在的
20、圆,再结合 DL-AOD 或 UL-AOA 得到角度信息,方向角与圆的交点即为终端位置,如图 4 所示.E-CIDCell ID+RTTCell ID+RTT+AOACell ID图 4 E-CID 定位示意图30由于 5G 超密集网络增加了参考点的数量和多样性,大规模天线技术多波束可利用 AOA/AOD 估计更精确,及更低的网络时延可提升基于时间测量的精度等因素,使得 5G 定位精度达到亚米级.3GPP 在Release17 中对 5G 定位的目标精度要求为:针对一般的商业应用场景,水平定位精度优于 1m,垂直定位精度优于 3m;对于要求更高的的工业物联网应用场景,水平定位精度优于 0.2m
21、,垂直定位精度优于1m13.2北斗+5G 融合定位移动通信网络已经覆盖了我国绝大部分城市地区,随着 5G 定位精度的不断提高和网络覆盖范围的增大,移动通信网的高精度定位可以作为一种普适的定位手段,弥补 BDS 定位的不足,北斗+5G 融合定位构建室内外无缝定位服务.按照两种定位的融合程度,本文将北斗+5G 融合定位分成了 2 个层级:一是定位增强,北斗和 5G 相互赋能,增强各自的定位能力;二是定位融合,北斗和 5G 定位深度融合,又可细分为 5G 辅助北斗定位(AssistedBDS,A-BDS)、北斗与 5G 加权融合定位及北斗与 5G 信号融合定位.2.1 北斗+5G 定位增强5G 的优
22、势在于网络数据传输及室内定位,北斗的优势在于高精度定位和授时,二者相互赋能,提升定位精度.通过分析 5G 和北斗各自的优势,北斗+5G 定位增强方案如下:5G 增强北斗定位:基于 5G 基站建设的北斗连续运行参考站(continuouslyoperatingreferencestations,CORS),能够降低 CORS 站的建设成本;借助运营商的运维能力,可以将 CORS 站的运维水平提升至电信级19.此外,5G 低时延、高可靠的网络服务,为北斗实时差分信息传输做高质量保障,确保北斗实时动态载波相位差分技术实现厘米级定位.北斗增强 5G 定位:5G 的 TDOA 定位方法是基于测量时间的定
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