北斗与5G的深度融合,构建室内外无缝定位体系

0 前言

北斗卫星导航系统(简称北斗系统)是我国自主研发和运营的全球卫星导航系统,为全球用户提供全天候、全天、高精度的定位、导航和授时服务。2020年7月31日,北斗三号系统建成开通,提供全球服务,北斗系统进入全面推广应用新阶段。

卫星导航定位解决了室外空旷地区定位的基本需求。北斗系统已经能够在室外开阔区域提供相对可靠的定位性能,尤其是北斗增强的区域差分技术(如实时动态码相位差分技术)、实时动态载波相位差分技术(Real-Time,RTK)广域增强技术(如精确单点定位技术)可以实现基于北斗信号的米级、亚米级甚至厘米级的高精度定位。但由于导航卫星信号的特性,其信号无法覆盖室内,对环境的免疫力较差,难以满足室内定位和室外遮挡等复杂区域定位的必要条件。现有的室内定位方法也是由于系统的复杂性。以及成本等问题,未能大规模推广应用。

5G系统具有组网密集、带宽大、天线多等有利条件,其信号在定位中的应用具有功率大、伪距测量精度高、信号带宽资源丰富、信号多径抗扰性强等优点。因此,基于5G通信网络的定位技术可以在室内等复杂条件下实现亚米级甚至分米级的定位精度。通过北斗与5G的深度融合,构建无缝的室内外定位系统,满足日益增长的泛在定位需求,从而为未来智能社会全场景高精度时空感知提供基础支撑。

1 发展状况

ITU、3GPP、3GPP先后开展了5G定位研究工作。人们普遍认为,5G的两大驱动力是移动互联网和物联网。作为未来移动互联网和物联网的重要核心业务之一,高精度位置服务必然是未来5G网络的核心业务之一。针对用户对无线高精度定位日益增长的需求,3GPP建立了定位增强项目,开展了与室内定位需求相关的标准和技术研究。

1.1 移动智能终端北斗定位应用

移动通信拥有广泛的受众和庞大的用户群体,在全球拥有数十亿的移动通信用户和终端。北斗移动通信的国际标准化是北斗系统产业化和国际化的关键环节。我国高度重视北斗在智能终端方面的推广应用。2013年国务院印发的《关于促进信息消费扩大内需的若干意见》提出“加快北斗导航核心技术开发和产业化,促进北斗导航与移动通信、地理信息、卫星遥感、移动互联网”;国务院《

在移动通信领域,北斗定位的国内外标准化工作正在有序推进。在国内标准方面,自2014年起,中国通信标准化协会(China,CCSA)ST9等工作委员会在其工作范围内陆续启动北斗定位行业标准的制定工作,涵盖性能、协议、射频、电磁兼容、等方面。在国际标准方面,中国信息通信研究院与国内主导单位共同制定了支持北斗二号B1I信号的26个3GPP标准和支持北斗三号B1C信号的3GPP标准3个。于 2020 年 7 月正式发布,版本为 R16。

1.24G蜂窝定位技术

目前,使用4G蜂窝网络进行定位的优势在于其定位参考点(定位基站)网络是运营商大规模建设的无线通信网络,定位终端是广受欢迎的移动智能终端。因此,4G无线通信网络定位系统具有天然普遍性和易于推广的优势,也是建立和承载各种基于位置的服务(Based,LBS)服务的有效入口。4G无线通信网络定位系统的定位精度与定位参考基站的部署密度(站距)和无线环境参数密切相关。现在,大多数室外4G通用基站的站间部署密度在300-1500米左右。考虑到不同的定位算法,通用基站网络的定位精度在50m以上,只能作为GNSS定位系统的补充。

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在定位原理上,4G无线通信定位技术类似于卫星定位技术,采用三角定位技术。目前常见的定位信号有三种:RSSI信号场强、TDOA、AOA。在网络架构方面,借助运营商的室内数字分布式小蜂窝解决方案(RRU+BBU),可以实现室内无线信号的无缝覆盖。定位能力只是普通4G无线通信业务之外的附加能力。通过利用网络边缘计算(Edge,MEC)作为对外定位能力的开放平台,为各种第三方移动服务(包括位置服务LBS服务)提供应用接口。所以,

1.3多系统协同室内外无缝定位技术

导航卫星与地面网络的协同、各种地面定位技术的协同、室内外协同的高精度无缝定位技术已成为未来的发展趋势。

谷歌开发了全球流行的手机终端网络定位服务平台( )。在服务层,一般采用离线和在线相结合的方式,聚合大量本地基站、Wi-Fi数据库等定位资源,通过协同计算最大化用户满意度。实时定位体验。

欧洲航天局联合使用可在室内接收 GPS 和信号的高灵敏度接收器和辅助定位传感器,如气压高度计、加速度计、陀螺仪传感器、UWB、Wi-Fi 等。计算机模型整合本地现有数据进行无缝定位室内和室外。

高通公司开发了AGPS+AFLT+Cell-ID(无线辅助定位+CDMA网络三角测量技术+小区定位)混合定位技术,形成无线网络辅助GPS定位,可实现市区5~50m和70米的定位精度米在室内区域。米定位精度。

1.4北斗+5G融合定位测试验证

2021年3月,欧洲航天局将举办该项目在线研讨会,介绍项目成果。该项目属于欧洲航天局卫星导航研究与创新框架计划,利用德国电信在慕尼黑的移动通信网络,结合诺瓦泰的卫星导航设备和差分数据校正服务,开展空间和地球混合定位测试,展示卫星导航和5G融合应用的潜力。

2021年3月,苏州移动与华为在苏州地铁进行了5G室内定位能力验证。5G基站测量用户终端的无线信号特征参数,通过基站和边缘计算的协同,计算出终端的位置。经测试,在隐藏部署基站的情况下,地铁站台和站厅内99%的区域都可以实现3-5m的定位精度。

2021年4月,中国移动将研发5G+北斗精准导航系统,并在重庆解放碑地下环路进行测试。该系统结合5G大带宽、低时延、广连接的优势以及北斗系统的导航定位能力,为集地下道路、轨道交通、民用防空设施和地下车库。精准定位服务。

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2 北斗+5G融合定位技术

对于遮挡区域,采用5G定位方式,满足定位要求;对于空旷区域,采用北斗定位方式满足定位要求。通过北斗+5G融合定位,形成室内外无缝定位系统,可满足全场景定位应用需求。5G定位可分为三类:下行定位、上行定位和上下行组合定位。

2.1 下行定位技术

下行定位技术在下行发送与定位相关的信号,终端进行位置计算。典型的定位方法是DL-TDOA。DL-TDOA的定位过程如图1所示。

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图1 DL-TDOA定位示意图

(1)终端接收不同基站的定位信号。

(2)终端对接收到的定位信号进行处理,通过搜索第一条路径得到到达时间。

(3)确定一个参考基站,根据到达时间计算不同基站与参考基站的到达时间差。

(4)根据多组到达时间差求解终端位置。

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2.2上行定位技术

上行定位技术在上行发送定位相关信号,基站进行位置计算。典型的定位方法包括UL-TDOA和UL-AOA。UL-TDOA的原理与DL-TDOA基本相同。UL-AOA 需要在定位基站上部署天线阵列。定位过程如图2所示。

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图2 UL-AOA定位示意图

(1)不同的基站接收终端的定位信号。

(2)基站通过相位差判断终端相对于基站的角度。

(3)根据多组基站的角度找到终端位置。

2.3 上下组合定位技术

结合上下行定位技术的终端和基站相互发送定位信号。根据终端接收信号与发射信号的时间差,以及基站接收信号与发射信号的时间差,求解终端位置。典型的定位方式是Multi-RTT,其定位过程如下。

(1)基站发送下行信号,根据基站时钟记录发送时间t1,根据终端时钟记录接收时间t2。

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(2)终端发送上行信号,根据终端时钟记录接收时间t3,根据基站时钟记录发送时间t4。

(3)求解终端与基站之间的传输时间,公式为:((t4-t1)+(t3-t2))/2。

(4)根据传输时间计算终端到基站的距离。

(5)通过联合计算多组终端与基站的距离,或联合计算终端与基站的距离和角度来计算终端位置。

2.4分析

为了实现定位功能,5G系统需要在满足通信功能的基础上进行相应的改进和升级。除了进一步提高基站部署密度,实现多区域覆盖外,还包括TDOA技术,需要在参与定位的5G基站之间实现。高精度时间同步;对于AOA技术,5G基站需要部署大规模相控阵天线;对于Multi-RTT技术,终端和基站都需要传输定位信号,占用了大量的无线信号时频资源,设备功率消耗较高。

3 仿真结果

为了验证北斗+5G融合定位的性能,本章模拟DL-TDOA技术的定位性能,分析多径环境下的信号传播,完成信号第一路径检测和测距。仿真系统由空间构建、传播分析、编码测距和定位算法4部分组成。空间构建部分负责构建三维虚拟空间,绘制光线路径和定位点坐标;传播分析部分给出空间中任意点接收到的信号路径的数量和每条路径的参数;编码测距部分主要负责实现两个功能,即实现多径信号的合成,提取第一条路径并计算到达时间;定位算法部分实现位置估计和定位误差估计,根据定位误差优化网元布局。仿真系统各部分的关系如图3所示。

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图3 北斗+5G仿真系统

如图4所示,结合仿真与测试站点,可以得到测试站点5G基站分布的最优配置,进而确定基站布局方案。经过仿真,可以得到测试区多径的误差结果,如图5所示。

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图4 试验场地平面图

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图 5 区域内各点的多径图

通过分析图5可以得出,虽然精度因素从系统基站的配置上会影响区域内各站点的定位精度,但在5G定位中,实际场景中的信号反射多径也是一个影响因素定位精度。因此,在5G定位的建设规划中,多径的影响是必须考虑的因素。针对5G定位基站的壁挂方案和吊顶方案,分别模拟了首路径数、多路径数和定位精度,可以得到如表1所示的结果。

表1 结果比较

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从表1的分析可以看出,两种方案中吊装方案的效果更好,可以有更高的定位精度。伪距UL-TDOA定位可以达到米级定位精度,结合信号深度相关载波相位信息的应用可以进一步降低观测随机噪声,减少定位误差。

4。结论

北斗+5G融合定位有效解决了卫星导航信号无法覆盖室内/遮挡区域的高精度定位问题,对于构建室内外无缝定位系统、实现未来智能网络具有重要意义。5G系统具有大带宽、密集组网、多天线等特点,具备在室内/遮挡条件下实现高精度定位的能力。+5G融合的高精度定位技术日益成为学术界和工业界关注的焦点。通过本文的仿真可以看出聚合基站导航功能,在室内等复杂条件下,5G信号可以实现高精度米级定位。同时,它不同于卫星导航定位技术。在5G定位系统的建设规划中,除了定位基站配置设计,多径影响也是必须考虑的一个因素。基于伪距的5G定位技术可实现米级定位精度。如果进一步考虑5G伪距信号和5G多载波相位的组合应用,可以进一步增强系统环境的多径抗扰度,定位精度可以提高到亚米级甚至厘米级——规模大,应用前景广阔。基于伪距的5G定位技术可实现米级定位精度。如果进一步考虑5G伪距信号和5G多载波相位的组合应用,可以进一步增强系统环境的多径抗扰度聚合基站导航功能,定位精度可以提高到亚米级甚至厘米级——规模大,应用前景广阔。基于伪距的5G定位技术可实现米级定位精度。如果进一步考虑5G伪距信号和5G多载波相位的组合应用,可以进一步增强系统环境的多径抗扰度,定位精度可以提高到亚米级甚至厘米级——规模大,应用前景广阔。

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