地下空间精度小于2m,北斗+5G开启融合定位新时代

现在网络已经大部分覆盖了我们生活和工作的区域,“网络已连接”成为了我们日常不可或缺的一部分,但是我们在乘坐高铁、地铁时,仍会出现“网络信号不佳”甚至是“网络已断开”的情况。


在地面,我们通信是通过基站4G、5G组网信号覆盖,导航等也可以直接通过北斗定位,但在地下,由于建筑遮挡导致室内接收的信号波被削弱甚至被阻挡,导致了地下通信信号弱的现象普遍存在。同时,地铁的高速移动让地下信号回传定位更是加大了难度。


3月20日,我国首个地铁北斗定位系统在北京开工建设,此次“超大城市轨道交通系统高效运输与安全服务关键技术”项目采用了室内北斗+5G融合的定位技术,来实现室内定位信号的播发,让用户可以接收到导航定位的信号,使地铁站地下空间的定位精度提高到优于2米。该系统可用于车辆调度、客运组织、应急处置,同时还能让乘客能够在地下环境使用手机地图,并通过三维立体导航实现地铁站内的定位导航。






北斗+5G魅力何在



北斗卫星导航系统(简称:北斗系统)主要是为全球用户提供全天候、全天时的定位、导航和授时服务。在2020年7月31日,北斗三号系统建成开通并提供全球服务,北斗系统进入全面推广应用的新阶段。


但北斗系统主要是解决室外的定位需求,在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、救灾减灾、公共安全等方面都得到了基础的应用。其在室外的定位精度在10米左右,且测速精度为0.2米每秒,授时精度为20纳秒左右。但由于卫星信号无法覆盖室内且对环境免疫性较差,无法满足室内定位以及室外遮挡等复杂区域定位的必要条件,其在室内的应用也被大大限制了。


5G组网是利用基站部署,具有密集组网、大带宽和多天线等对定位有利的条件,且其空中接口时延低至1ms,移动性支持500km/h的高速移动等,基于5G通信网络的定位技术可在室内实现亚米级甚至分米级的定位精度。


像地铁这类高速通行的地下环境,北斗+5G的深度融合可构建室内外覆盖定位体系,结合5G大带宽、低时延、广连接的优势和北斗系统的导航定位能力,大大提高复杂室内环境的定位精度。



地铁北斗定位系统是首次应用在地铁的北斗+5G解决方案,但其实这项融合定位技术早已在市场出现。2021年4月,中国移动开发5G+北斗精准导航系统,并在重庆解放碑地下环道进行试验。





室内定位已是刚需


北斗系统是GNSS的一种,这都属于室外定位的范畴。由于人们大部分处在室内工作和生活,室内高精度定位逐渐成为刚需。而目前常见的室内无线定位技术有RFID、WiFi、ZigBee、蓝牙、UWB等,其各有优劣,但随着精度需求越来越高,蓝牙AOA和UWB在其中备受关注。


RFID(射频识别)技术:利用射频方式,固定天线形成电磁场,附着于物品的标签经过磁场后感应电流生成把数据传送出去,从而进行非接触式双向通信交换数据,实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内获取厘米级的定位信息,且电磁场具有非视距的优点,RFID室内定位技术也具有传输范围大、成本较低的特征。但其不具有通信能力,抗干扰能力较差,不便于整合到其他系统之中,且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善,因而一般应用在物流、仓库定位中。


WiFi技术:WiFi室内定位分为两种,一种是利用移动设备和无线网络接入点组成的无线局域网络,通过差分算法,来比较精准地对人和车辆的进行定位追踪。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度,通过新增设备的信号强度与巨量数据库对比,来完成定位跟踪。WiFi定位最高精确度大约在1米至20米之间,但Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,定位器的能耗也比较高。


ZigBee技术:ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它主要是利用无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,通过传感器之间的相互协调通信进行设备的位置定位。因此ZigBee最显著的特点就是低功耗和低成本,但局限就在于信号传输受多径效应和移动的影响都很大,其衍射能力弱,穿墙能力弱。普遍用于大型的工厂和车间的人员在岗管理系统。


蓝牙技术:作为一种短距离低功耗的无线传输技术,利用蓝牙接入点与用户连接,通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。蓝牙最大的优点是设备体积小、短距离、低功耗,容易集成在手机等移动设备中。但对于复杂的空间环境,蓝牙定位系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。然而近些年大火的蓝牙AOA以接纳器和发射器为基础,能够在确认的区域内经过多天线丈量信标信号,以及三角形定位法,来核算出信标设备准确方位,精度可高达0.1里面,但蓝牙AOA的部署环境大部分要求在1-3米的精度场景内。


UWB(超宽带)技术:UWB是近些年兴起的一种传输速率高,发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线通信技术,它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。UWB定位精度可达到亚米级,多应用于室内静止或者移动的活体定位跟踪,但依然存在功耗和成本需优化的问题。






融合定位是未来之势


前文已提到了常见的六种室内定位技术,但物联网的碎片化现象,使得单一技术无法很好地满足场景需求应用,因此融合定位成为了行业需求的趋势。


在去年中国卫星导航定位协会发布《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》中指出,2020年全行业总产值同比增长16.9%,达到4033亿元。其中高精度定位市场增速远超全行业,2020年同比增长47.5%,总产值达到110.4亿元。从2010年到2020年的11年之间,高精度定位产品年销售收入增长了10倍,年均复合增长率高达26%。


数据来源:《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》


单一的定位技术无法填补海量市场差异化的需求,因此类似于“北斗+”,“5G+”,“UWB+”等融合定位技术逐渐被推出,逐步完善产业链。像自动驾驶、智慧交通在技术快速演进阶段,“北斗+5G”技术成为了新型的解决方案;在智慧矿井的人员定位系统中,“UWB+ZigBee”技术比单一运用UWB更灵活等等。融合定位可以在单一定位技术上进行缺陷互补,能在场景应用中将功耗、成本、定位精度进行最优化的把控,打造精细化定位方案。


未来,融合定位将会大放异彩。


参考资料:

中国工程科技知识中心:北斗+5G融合定位技术研究

铱微云:六大室内定位技术介绍


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