中國信通院劉海蛟等：北斗+5G融合定位技術研究

0 引言

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）是我國自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。2020年7月31日，北斗三號系統建成開通并提供全球服務，北斗系統進入全面推廣應用的新階段。

衛星導航定位解決了室外空曠區域定位的基本需求問題，在室外空曠區域北斗系統已經能夠提供較為可靠的定位性能，尤其是北斗增強的區域差分技術（如實時動態碼相位差分技術）、實時動態載波相位差分技術（Real-Time Kinematic，RTK）和廣域增強技術（如精密單點定位技術），可實現有基于北斗信號的米級、亞米級甚至厘米級的高精度定位。然而，由于導航衛星信號的自身特點，其信號無法覆蓋室內且對環境免疫性較差，難以滿足室內定位以及室外遮擋等復雜區域定位的必要條件，目前已有的室內定位手段也因為系統復雜度和成本等問題，未能大范圍推廣應用。

5G系統具有密集組網、大帶寬和多天線等對定位有利的條件，其信號應用于定位具有功率強、偽距測量精度高、信號帶寬資源豐富、信號多徑免疫性強等優勢。因此，基于5G通信網絡的定位技術可在室內等復雜條件下實現亞米級，甚至分米級定位精度。通過北斗與5G的深度融合，可構建室內外無縫定位體系，滿足日益增長的泛在定位需求，從而為未來智能社會提供全場景高精度時空感知基礎支撐。

1 發展現狀

ITU、IMT2020、3GPP相繼啟動了5G定位研究工作，普遍認為5G主要的兩大驅動力是移動互聯網和物聯網。高精度位置服務作為未來移動互聯網和物聯網的重要核心業務之一，必然是未來5G網絡核心業務之一。為應對用戶日益提高的無線高精度定位需求，3GPP設立了定位增強項目，開展了室內定位需求相關標準和技術的研究。

1.1 移動智能終端北斗定位應用

移動通信受眾廣、用戶群體龐大，在全球擁有幾十億的移動通信用戶和終端。北斗移動通信國際標準化工作是北斗系統實現產業化、國際化的關鍵環節，我國高度重視北斗在智能終端中的推廣應用。國務院2013年印發的《關于促進信息消費擴大內需的若干意見》提出“加快推動北斗導航核心技術研發和產業化，推動北斗導航與移動通信、地理信息、衛星遙感、移動互聯網等融合發展”；國務院辦公廳2013年印發的《國家衛星導航產業中長期發展規劃》也明確提出“重點推動北斗兼容衛星導航功能成為車載導航、智能手機的標準配置”。根據中國信息通信研究院發布的《國內手機產品通信特性與技術能力監測報告》，2021年第一季度，申請進網的手機中支持定位功能的有86款，其中68款支持北斗定位，占比79.07%，北斗在手機中的滲透率得到大幅提升^[1]。

移動通信領域北斗定位國內國際標準化工作有序推進。國內標準方面，自2014年起，中國通信標準化協會（China Communications Standards Association，CCSA）ST9等多個工作委員會在工作范圍內陸續啟動了北斗定位行業標準的制定工作，涵蓋性能、協議、射頻、電磁兼容等多個方面。國際標準方面，中國信息通信研究院聯合國內優勢單位，制定26項支持北斗二號B1I信號的3GPP標準，支持北斗三號B1C信號的3項3GPP 標準于2020年7月隨R16版本正式發布。

1.2 4G蜂窩定位技術

目前，利用4G蜂窩網絡進行定位的優勢在于其定位參考點（定位基站）網絡是利用運營商規模建設的無線通信網絡，定位終端是廣泛普及的移動智能終端。因此，4G無線通信網定位系統具備天然的普適性和易推廣優勢，也是建立和承載各種基于位置的服務（Location Based Services，LBS）業務的有效入口。4G無線通信網定位系統的定位精度與定位參考基站的部署密度（站間距）和無線環境參數等密切相關。目前，大部分室外4G通用基站的站間部署密度約為300 ~1500 m，考慮不同的定位算法，通用基站網絡的定位精度在50 m以上，只能作為GNSS定位系統的補充。

在定位原理方面，4G無線通信定位技術和衛星定位技術類似，采用三角定位技術。目前，常見的定位信號有3類：RSSI信號場強、TDOA、AOA。在網絡架構方面，借助運營商室內數字化分布式小蜂窩解決方案（RRU + BBU）可以實現室內范圍無線信號的無縫覆蓋。定位能力只是普通4G無線通信業務之外附加的能力，通過將網絡邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）作為對外定位能力的開放平臺，提供各種第三方移動業務（包括位置服務LBS業務）應用接口。因此，MEC也是融合其他非蜂窩定位技術（如Wi-Fi、藍牙、地磁、慣導等）的統一位置服務平臺載體。

1.3 多體制協同的室內外無縫定位技術

導航衛星與地面網絡協同、多種地面定位技術的協同以及室內外協同的高精度無縫定位技術已成為未來的發展趨勢。

谷歌公司開發了全球大眾化手機終端網絡定位服務平臺（Google Mobile Service），在服務層，一般都用離線和在線結合的方式，聚合大量局部的基站、Wi-Fi數據庫等定位資源，通過協同計算最大限度滿足用戶的實時定位體驗。

歐洲航天局聯合使用了能在室內接收到GPS和Galileo信號的高靈敏度接收器和輔助定位傳感器如氣壓高程計、加速度計、陀螺傳感器、UWB、Wi-Fi等，并結合地圖匹配技術可依據當前建筑的計算機模型綜合本地現有的數據在室內外進行無縫定位。

美國高通公司研發了AGPS+AFLT+Cell-ID（無線輔助定位+CDMA網絡三角定位技術+小區定位）混合定位技術gpsOne，形成無線網絡輔助GPS定位，可以實現城區5~ 50 m的定位精度以及室內70 m的定位精度。

1.4 北斗+5G融合定位試驗驗證情況

2021年3月，歐洲航天局召開GINTO5G項目線上研討會，介紹項目成果。該項目屬于歐洲航天局衛星導航研究與創新框架計劃，使用德國電信在慕尼黑的移動通信網絡，結合諾瓦泰公司的衛星導航設備和差分數據修正服務，開展天地混合定位測試，展示了衛星導航和5G融合應用的潛力。

2021年3月，蘇州移動聯合華為在蘇州地鐵進行了5G室內定位能力驗證，5G基站對用戶終端的無線信號特征參數進行測量，并通過基站和邊緣計算的協同，解算終端所處位置。經測試，在基站隱藏部署的情況下可實現地鐵站臺和站廳范圍內99%區域3~5 m定位精度。

2021年4月，中國移動開發5G+北斗精準導航系統，并在重慶解放碑地下環道進行試驗。該系統結合5G大帶寬、低時延、廣連接的優勢和北斗系統的導航定位能力，為集地下車行道、軌道交通、人防設施、地下車庫為一體的解放碑地下環道提供全天候的高精度定位服務。

2 北斗+5G融合定位技術

對于遮擋區域，采用5G定位的方法滿足定位需求；對于空曠區域，采用北斗定位的方法滿足定位需求。通過北斗+5G融合定位，共同構成室內外無縫定位體系，可滿足全場景下的定位應用需求。5G定位可分為下行定位、上行定位和上下行結合定位3種類別。

2.1 下行定位技術

下行定位技術在下行鏈路中發送與定位相關的信號，由終端進行位置解算，典型的定位方法有DL-TDOA。DL-TDOA的定位過程如圖1所示。

圖1 DL-TDOA定位示意圖

（1）終端接收來自不同基站的定位信號。

（2）終端處理收到的定位信號，通過尋找首經獲得到達時間。

（3）確定一個參考基站，根據到達時間計算不同基站與參考基站的到達時間差。

（4）基于多組到達時間差求解終端位置。

2.2 上行定位技術

上行定位技術在上行鏈路中發送與定位相關的信號，由基站端進行位置解算，典型的定位方法有UL-TDOA和UL-AOA。UL-TDOA的原理和DL-TDOA基本一致，UL-AOA需要在定位基站上部署天線陣列，其定位過程如圖2所示。

圖2 UL-AOA定位示意圖

（1）不同基站接收來自終端的定位信號。

（2）基站通過相位差判斷終端相對于基站的角度。

（3）基于多組基站的角度求解終端位置。

2.3 上下行結合定位技術

上下行結合定位技術的終端和基站相互發送定位信號，根據終端接收信號和發射信號之間的時間差，以及基站接收信號和發射信號之間的時間差，求解終端位置，典型的定位方法有Multi-RTT，其定位過程如下。

（1）基站發射下行信號，基于基站時鐘記錄發射時間t₁，基于終端時鐘記錄接收時間t₂。

（2）終端發射上行信號，基于終端時鐘記錄接收時間t₃，基于基站時鐘記錄發射時間 t₄。

（3）求解終端和基站間傳輸時間，公式為：((t₄-t₁)+(t₃- t₂))/2。

（4）基于傳輸時間求解終端與基站間距離。

（5）通過聯合解算多組終端與基站間距離，或者聯合解算終端與基站間距離和角度，計算終端位置。

2.4 分析

為實現定位功能，5G系統需要在滿足通信功能的基礎上進行相應地改進和升級，除了進一步提升基站部署密度以實現區域多重覆蓋之外，還包括對于TDOA技術，參與定位的5G基站間需要實現較高精度的時間同步；對于AOA技術，5G基站需要部署大規模相控陣天線；對于Multi-RTT技術，終端和基站都需要發射定位信號，對無線信號的時頻資源占用較大，設備功耗較高。

3 仿真結果

為驗證北斗+5G融合定位的性能，本章對DL-TDOA技術的定位性能進行仿真，以分析多徑環境下的信號傳播，完成信號首徑檢測并測距。該仿真系統包含4部分，分別是空間構造、傳播分析、編碼測距和定位算法。空間構造部分負責構造三維虛擬空間，繪制射線路徑與定位點坐標；傳播分析部分給出空間中任意一點接收到的信號路徑數量以及每一條徑的參數；編碼測距部分主要負責實現兩大功能，即實現多徑信號的合成和提取首徑并計算到達時間；定位算法部分實現位置估算和定位誤差估計，并根據定位誤差對網元布局進行優化。該仿真系統各部分的關系如圖3所示。

圖3 北斗+5G仿真系統

如圖4所示，結合試驗場地進行仿真，可獲得試驗場地5G基站分布最佳構型，進而確定基站布設方案。經過仿真可獲取試驗區域內多徑的誤差結果，具體如圖5所示。

圖4 試驗場地平面圖

圖5 區域內各點多徑圖

通過分析圖5可以得出：雖然精度因子從系統基站構型上影響區域內各站點的定位精度，但是在5G定位中，實際場景中的信號反射多徑等也是影響定位精度的一個因素。因此，在5G定位的建設規劃中，多徑影響是必須要考慮的一個因素。針對5G定位基站的壁掛方案和吸頂方案，對首徑數量、多徑數量和定位精度進行仿真，可得到如表1所示的結果。

表1 結果比對

通過分析表1可知，兩個方案中吸頂方案更好，可擁有更高的定位精度。偽距UL-TDOA定位能達到米級定位精度，與信號深度相關的載波相位信息聯合應用進行可進一步降低觀測隨機噪聲、減小定位誤差。

4 結束語

北斗+5G融合定位有效解決了衛星導航信號難以覆蓋室內/遮擋等區域的高精度定位難題，對于構建室內外無縫定位體系、實現未來智能網絡具有重要意義。5G系統具有大帶寬、密集組網和多天線等特點，具備實現室內/遮擋條件下高精度定位的能力，隨著5G相關體系的成熟和高精度時間同步等技術的發展，基于5G信號/北斗+5G融合的高精度定位技術日益成為學術界和產業界關注的重點。通過本文的仿真可知，5G信號可以在室內等復雜條件下實現高精度的米級定位，同時區別于衛星導航定位技術，在5G定位系統的建設規劃中，除了定位基站構型設計，多徑影響是必須要考慮的一個因素。基于偽距的5G定位技術可達到米級定位精度，若進一步考慮將5G偽距信號與5G多載波相位的聯合應用，可進一步增強系統環境多徑免疫性，同時提升定位精度至亞米級甚至厘米量級，具有廣闊的應用前景。