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作者：路多，物聯(lián)網(wǎng)智庫 原創(chuàng)
當年詩句中的豪邁篇章已經(jīng)由神舟號飛船和蛟龍?zhí)柨瓶即饾u實現(xiàn)。且不說“下五洋捉鱉”，生活當中，有時候到了地下車庫或地鐵就會因為沒有網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)航而抓瞎，給大家的生活帶來了一些困擾。
不過，“地下城”世界全面覆蓋精準定位和導(dǎo)航指日可待。
就在11月20日，《科技日報》頭版頭條報道了由北京郵電大學(xué)研究團隊牽頭研發(fā)、中國鐵塔、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會共同合作的“北斗+5G室分 ”地下空間高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)——該技術(shù)讓雄安“地下城”擁有精確導(dǎo)航，實現(xiàn)了定位精度2米，建設(shè)成本僅為傳統(tǒng)地下導(dǎo)航技術(shù)一半的目標，攻破了地下精準導(dǎo)航的難題，在世界范圍也屬首創(chuàng)。
目前，該技術(shù)在雄安地下示范應(yīng)用超過50萬平米，預(yù)計在2025年，“5G+北斗”導(dǎo)航將覆蓋雄安新區(qū)所有已建成地下停車場，實現(xiàn)了為雄安地下城導(dǎo)航的愿景。
雄安“三座城”，先建“地下城”
據(jù)介紹，雄安新區(qū)設(shè)立之初就提出地上一座城、地下一座城、“云”上一座城的理念。甚至“地下”的建設(shè)優(yōu)先級要更加靠前——先地下、后地上，合理開發(fā)利用地下空間，是雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重要理念。
雄安新區(qū)規(guī)劃之初就提出建設(shè)的“地下一座城?”，包括地下綜合管廊約380公里、地下停車場超2200萬平方米。所謂地下綜合管廊就是在城市地下建造一個隧道空間，讓電力、通信、燃氣、供熱、給排水等各種工程管線住進“集體宿舍”，同時設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一建設(shè)和管理，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。
除去高標準建設(shè)的、埋藏在地下的城市“大動脈”——城市綜合管廊外，城市中地下停車場的面積也非常大。例如，在雄安新區(qū)首個集中建成區(qū)——容東片區(qū)，眾多小區(qū)、樓宇的地下停車場全部連通。在大規(guī)模的地下空間中，會有大量的人、車、物流動，初入其中很容易迷路，如何實現(xiàn)精準定位導(dǎo)航成為雄安新區(qū)“地下一座城”建設(shè)過程中面臨的問題。
“地下之城”的精準管理，離不開高精度的定位與導(dǎo)航，而且要求技術(shù)新、成本低，能給其他城市建設(shè)提供可復(fù)制的樣本。
為實現(xiàn)地下空間的精準定位導(dǎo)航，2022年，國家重點研發(fā)計劃設(shè)立“交通基礎(chǔ)設(shè)施”專項，在5G通信與信號定位領(lǐng)域有長期積累的北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成為“雄安新區(qū)交通設(shè)施數(shù)字化建設(shè)示范應(yīng)用”項目的牽頭單位，展開“5G+北斗地下空間組合式定位導(dǎo)航”的課題研究，中國鐵塔、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會聯(lián)合參與到項目研究和落地當中。
導(dǎo)航技術(shù)、北斗導(dǎo)航與地下導(dǎo)航技術(shù)
導(dǎo)航技術(shù)簡介
導(dǎo)航是利用電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方法，通過測量與運載體位置有關(guān)的參數(shù)來實現(xiàn)對運載體的定位，并從出發(fā)點沿預(yù)定的路線，安全、準確、經(jīng)濟地引導(dǎo)運載體到達目的地的一門技術(shù)。根據(jù)導(dǎo)航的信息獲取原理（如航標方法、航位推算、慣性原理、無線電傳播特性、天體運動規(guī)律、人造地球衛(wèi)星技術(shù)、地球表面地形、地貌特征等），可分為觀測導(dǎo)航、推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航等。
因為此次地下導(dǎo)航技術(shù)主要用到北斗的技術(shù)，這里對衛(wèi)星導(dǎo)航進行著重介紹：
衛(wèi)星導(dǎo)航是利用衛(wèi)星播發(fā)的無線電信號進行導(dǎo)航定位的技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航以衛(wèi)星為空間基準點，向用戶終端播發(fā)無線電信號，從而確定用戶的位置、速度和時間。它不受氣象條件、航行距離的限制，且導(dǎo)航精度高。
目前，全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：
全球定位系統(tǒng)GPS，是目前應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是由美國在上世紀70年代研制，1994年建成，定位精度可達到厘米量級；
俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度在10米左右，蘇聯(lián)在上世紀70年代啟動建設(shè)；
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS，定位精度在米量級，11月16日正式加入國際民航組織（ICAO）標準，成為全球民航通用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；
歐洲伽利略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，精度也在20厘米左右，由歐洲航天局在2016年創(chuàng)建上線。
而對于導(dǎo)航技術(shù)的衡量標準有如下六項：
精度。這是我們最容易理解的，精度指的是導(dǎo)航系統(tǒng)為運載體所提供的位置與運載體當時的真實位置之間的重合度，誤差越小，滿開始越高；
覆蓋范圍。指在空間當中導(dǎo)航系統(tǒng)能以規(guī)定精度確定運載體的位置，該參數(shù)受發(fā)射信號功率、接受機靈敏度、傳播環(huán)境，幾何關(guān)系等影響；
連續(xù)性。指運載體在某特定運行階段，導(dǎo)航系統(tǒng)能提供規(guī)定的定位引導(dǎo)功能而不發(fā)生中斷的能力，該指標表明了導(dǎo)航系統(tǒng)可連續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)的能力；
可用性、可靠性?？捎眯灾笇?dǎo)航系統(tǒng)為運載體提供可用的導(dǎo)航服務(wù)的時間百分比，可靠性是指導(dǎo)航系統(tǒng)在給定的使用條件下在規(guī)定的時間內(nèi)以規(guī)定的性能完成其功能的概率，它表明系統(tǒng)發(fā)生故障的頻度。
信息更新率。指導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時間內(nèi)提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù)，單位是Hz；
系統(tǒng)容量。指導(dǎo)航系統(tǒng)可以同時供多少運載體使用的能力，分為無限系統(tǒng)容量和有限系統(tǒng)容量兩種。
無疑，我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在技術(shù)水平和項目指標以及自研程度上都成為了項目的首選。
北斗導(dǎo)航介紹與“地下城”導(dǎo)航實踐
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷了三步走發(fā)展戰(zhàn)略：2000年年底，建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012年年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020年，建成北斗三號系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。
和其他衛(wèi)星和星座不同的是，北斗衛(wèi)星具有鮮明的特點：1.北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。2. 北斗系統(tǒng)提供多個頻點的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度。3. 北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、精準位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能。
在汶川地震和四川雅安地震時，救災(zāi)部隊正是憑借著北斗終端機中的短報文通訊技術(shù)打通了震區(qū)內(nèi)外的聯(lián)絡(luò)通道。據(jù)悉，短報文技術(shù)類似于手機短信。最初北斗一號及北斗二號只支持傳輸120個漢字，北斗三號建成后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)支持傳輸1000個漢字，還可傳輸語音和圖片。
北斗在地下導(dǎo)航領(lǐng)域不光在雄安落地，深埋北京地下的管線，借助北斗實現(xiàn)了精準管理。基于北斗的精準位置信息以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)的管理平臺，能為地下管線的“運行體征”進行24小時智慧“診脈”?！皩τ诠芾砣藛T來說，就如同腳下的玻璃一般透明?！?/p>
根據(jù)《2023中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》介紹：2022年國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)市場整體穩(wěn)定，根據(jù)中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會研究分析，2022年國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品總銷量約3.76億臺/套，其中具有衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的智能手機出貨量達到2.64億部，車載導(dǎo)航儀市場終端銷量超過1200萬臺，包括物聯(lián)網(wǎng)、穿戴式、車載、高精度等在內(nèi)的各類定位終端設(shè)備銷量超過1億臺/套。
回到這個項目上來，在“5G+北斗”導(dǎo)航技術(shù)項目研發(fā)之初，路兆銘團隊幾乎考慮了所有成熟技術(shù)手段的可能性，包括藍牙、Wi-Fi、室內(nèi)北斗導(dǎo)航基站等等，由于建設(shè)和配置成本較高，推廣示范作用不大而被篩掉。
后來，他們發(fā)現(xiàn)可以利用現(xiàn)有的4G/5G的室內(nèi)分布系統(tǒng)，在5G基礎(chǔ)設(shè)施上混搭北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，無需重建基礎(chǔ)設(shè)施，只用一個簡單的“加法”，就讓北斗信號“混”入5G信號，構(gòu)建出了一個精準的地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
他們分析兩路信號的互調(diào)干擾模型，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與北斗信號這兩個看似不可調(diào)和的信號融合，成功將北斗信號引入地下；面對精度問題的挑戰(zhàn)，他們同樣創(chuàng)建了數(shù)據(jù)模型，以位置觀測源帶來的多方數(shù)據(jù)提升整體的測量精度。
此外，團隊創(chuàng)新性地提出由信號SLAM（即時定位與建圖）架構(gòu)的“5G+北斗組合式定位算法”，實現(xiàn)時空信息融合，使室內(nèi)分布系統(tǒng)支持地下1米精度的定位與導(dǎo)航。
該項目主要實現(xiàn)了以下技術(shù)突破：
一是，地下空間衛(wèi)星信號受到遮擋，傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位手段在地下不能發(fā)揮作用，北郵方案利用北斗室分單元，將北斗信號匯入5G室分系統(tǒng)，成功將北斗信號引入地下，解決了地下空間沒有北斗信號覆蓋的問題；
二是，手機終端本身性能受限，利用手機終端在地面上只能達到10幾米的精度，如何能把定位精度做到車位級，是面臨另外一個難題，北郵方案基于團隊提出的協(xié)作式信號SLAM框架，將北斗觀測、5G觀測、手機慣導(dǎo)觀測等綜合考慮，通過時空域上的融合，實現(xiàn)車位級別的定位精度。
總而言之，北斗信號和5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的結(jié)合，為地下高精度定位導(dǎo)航打開了一扇新門。
5G+北斗組合式定位算法將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號、5G信號、加速度計等多源位置觀測信息融合在一起，精確解算出車輛的當前位置。如今，利用“5G+北斗”定位導(dǎo)航技術(shù)，在雄安新區(qū)可實現(xiàn)停車場人員和車輛準確位置導(dǎo)航。路兆銘介紹，這套技術(shù)還可以被集成到百度地圖、高德地圖、雄安行等應(yīng)用程序中。
地下導(dǎo)航技術(shù)一覽
熟悉表計類產(chǎn)品的朋友肯定了解，這些平時就埋在地下、犄角旮旯的設(shè)備，對于信號傳輸有較高的要求。地下導(dǎo)航也一樣，藍牙、Wi-Fi 、UWB （超寬帶，Ultra Wideband）等技術(shù)都要根據(jù)情況為設(shè)備招呼上，從衛(wèi)星導(dǎo)航信號的角度來講，這類場景被稱為遮蔽空間，地下空間屬于衛(wèi)星導(dǎo)航完全遮蔽空間，盡管無法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號和地面無線電信號，但是可以在空間內(nèi)容假設(shè)無線電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)定位導(dǎo)航覆蓋。
衛(wèi)星導(dǎo)航遮蔽環(huán)境下的定位導(dǎo)航技術(shù)主要包括無線電導(dǎo)航和自主傳感導(dǎo)航兩類：
無線電導(dǎo)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(dǎo)航的定位能力。典型技術(shù)手段有UWB、4G/5G室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)、室內(nèi)偽衛(wèi)星定位技術(shù)，以及Zigbee、藍牙、Wi-Fi等多種通信網(wǎng)絡(luò)。
自主傳感導(dǎo)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(dǎo)航的定位導(dǎo)航能力。其技術(shù)手段主要來自視覺傳感器、激光雷達等傳感設(shè)備，通過即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)獲得定位能力，類似的還有聲學(xué)定位和可見光定位。
看到這里，我們再對照雄安“地下之城”導(dǎo)航項目建設(shè)描述，就清楚該團隊是采用了無線電導(dǎo)航與自主傳感導(dǎo)航相結(jié)合的方式，綜合上述技術(shù)手段的優(yōu)勢所在，實現(xiàn)高精度、更多覆蓋以及更高的集成程度。
各種技術(shù)手段的適用場景和優(yōu)缺點如下：
圖片來源：遮蔽空間定位導(dǎo)航技術(shù)特征分析與發(fā)展綜述，鮑亞川，楊夢煥等，2023
此外， 基于宇宙射線的μ子導(dǎo)航和量子導(dǎo)航技術(shù)也是定位和導(dǎo)航技術(shù)的新的方向，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
基于宇宙射線的 μ 子導(dǎo)航，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)、地下、水下環(huán)境的高精度導(dǎo)航，降低環(huán)境對于導(dǎo)航工作的影響。東京大學(xué)開發(fā)的一種基于宇宙射線產(chǎn)生的高能粒子導(dǎo)航系統(tǒng)首次在地下成功測試。未來，這項技術(shù)有望可用來引導(dǎo)地下或水下機器人，甚至幫助倒塌礦井或建筑物的搜索救援工作。
量子導(dǎo)航技術(shù)也是近年來備受關(guān)注的一項技術(shù)手段，它具有精度高、抗干擾、安全性強等特點，是最有希望彌補衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)缺陷的技術(shù)之一。量子導(dǎo)航可分為基于測距體制的星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)、基于角運動/線運動測量的量子慣性導(dǎo)航、基于量子重力測量的匹配導(dǎo)航等技術(shù)。量子測距定位技術(shù)理論上可突破傳統(tǒng)測量精度極限，實現(xiàn)優(yōu)于 1cm 的定位精度，不過，目前該技術(shù)還需要相關(guān)量子框架體系以及經(jīng)典衛(wèi)星導(dǎo)航的支持。
寫在最后
如今，許多從前的“不可能”都變成了可能，也許在不久的將來，隨著通信技術(shù)的加速迭代發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航技術(shù)都將會像空氣一樣，裝滿世界的每個角落。
參考內(nèi)容：
1.巧借5G設(shè)施，將北斗導(dǎo)航延伸至地下，科技日報，2022
2.為“地下之城”精準導(dǎo)航，科技日報，2023
3.“三個雄安”打造未來之城?http://www.xiongan.gov.cn/2023-05/03/c_1212173489.htm
4.《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航原理與系統(tǒng)》范錄宏
5.北斗技術(shù)官網(wǎng)，系統(tǒng)介紹：http://www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
6.Liu Y, Wang L, Lu Z, et al. A Stateless Design of Satellite-Terrestrial Integrated Core Network and its Deployment Strategy[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2023.
7.《2023中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會
8.《遮蔽空間定位導(dǎo)航技術(shù)特征分析與發(fā)展綜述》
9.Tanaka H K M, Gallo G, Gluyas J, et al. First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments[J]. iScience, 2023.
下載ECAD模型
