北斗+5G 室內外融合定位技術的運用分析

陳 爽， 徐蘭霞

（1.上海創遠儀器技術股份有限公司， 上海 201600； 2.湖南衛導信息科技有限公司， 湖南 長沙 410000）

引言

北斗系統全稱為北斗衛星導航系統，是由我國自主研發，且自主運行，并為全球提供全天候導航服務的衛星系統。2020 年7 月31 日，北斗三號系統建成并成功開通。北斗系統可以實現在室外的準確定位，而且定位精度已經相當精確。但是在室內，衛星導航的信號很難覆蓋全面，而且部分環境也會干擾到信號強弱，尤其是一些比較隱蔽的地方，都很難覆蓋到位，影響導航的質量。從現有的室內定位發展來看，其導航系統整體較為復雜，且導航的成本也偏高，很難實現大范圍的推廣。

5G 系統具有密集組網大寬帶、多天線等特點，其信號定位精準、且寬帶資源豐富，很難受到干擾，具有十分明顯的定位優勢。因此，北斗+5G 融合的定位技術開始應運而生，不僅能實現在室外的有效定位，而且還能實現在室內的有效定位，滿足人們對定位服務的品質需求[1-2]。

1 北斗+5G 室內外融合定位技術發展現狀

1.1 實現網絡融合

5G 接入網絡與北斗高精度定位所需的地基，要實現全方位部署，并做好相應維護工作。但是目前不同區域的差距較為明顯，需要從以下兩個方面入手。

1）部署層面。從目前來看，國內已經完成的4G基站相當豐富，總基站數不低于500 萬個，且單站覆蓋的半徑也較為廣闊，大約1～2 km。但是從總體上來看，處于地基增強系統范圍內，大部分情況下，大氣模型之間的參數不會存在較大差別，單站所覆蓋半徑就可以劃定為30～50 km 的范圍，而且距離基站越遠，其定位精度也就越低。

2）設備方面。5G 基站主要包括以下兩個部分：一是基帶處理單元，這部分基礎設施，通常都是置于機房內，且基礎設施完善。二是射頻收發單元，這部分通常置于室外，且整體環境較為開闊。通常情況下，基準站主要包括衛星導航信號接收機以及高性能3D 扼流圈天線這兩個部分。為了能夠有效保證定位精度，在選擇區域的時候，就要充分考慮地質情況，例如：地質結構是否穩定等。穩定的地質結構是基站穩定的基礎，有利于保持基準站天線位置的準確度。

1.2 實現能力融合

1.2.1 定位能力融合

北斗系統與地基增強系統相結合，可以有效提高其定位精確度，所覆蓋的區域相對廣泛，但是仍然存在著一定的盲區，例如：高架橋、大樹下等，這類遮擋明顯的區域。而密集化部署的5G 基站不僅可以實現對室外盲區的有效覆蓋，而且還可以保證室內區域得到全面覆蓋。由此可見，5G 與北斗的融合在定位服務方面的優勢十分明顯。

在5G 網絡中，采用了大規模天線陣列等較為新型的通信技術，有效提升了網絡容量和傳輸速率，在一定程度上也提升了5G 定位技術的精確度。

一般來說，測距信號本身的精確性與碼片長度之間呈現出正比關系，精確度得到很大提高，測距信號本身的帶寬與多路徑效應造成的頻率選擇性衰落狀況也會呈現出正比關系。5G 網絡采用的傳輸帶寬更大，對抗多徑更加有效。但是從實際來看，5G 毫米波頻段的波束更窄，其實際指向性也就更強，如果增加使用大規模天線陣列與波束賦形技術的融合，也能夠有效提高定位精確度。

1.2.2 數據播發融合

北斗高精度定位技術，需要將基準站網絡的衛星觀測數據傳回平臺，其中一個網格單位，需要以4 個距離較近的基準站進行劃分。在對基準站網絡進行匹配時，要以定位終端所上傳的概率信息作為依據，經過網格的差分改正模型之后，將信息傳輸回到終端系統之中，再進行相應的計算。通常情況下，在幾十公里的區域內，大氣層之中的改正模型并不會發生太大變化，由此可見，在這一網格的范圍內，終端所接收到的數據也會存在一定的差別。而且當定位終端數量較少的時候，對于移動資源的需求不高，但是在目前5G和北斗導航相結合的定位系統之中，對資源的需求量會明顯增加[3-4]。

為了能夠在降低成本的基礎上，實現5G 和北斗網絡的有機融合，在對數據進行播發的過程中，可以采用移動通信信令方式對其進行定位。基于控制面板廣播服務流程如圖1 所示，通過基準站網絡對高精度定位平臺的相關數據進行觀測。生成各種網格區域的差分，對模型進行一定的糾正，并利用網格區域與基站之間的映射關系，將輔助信息發送到相應的基站之中，再發送到基站所覆蓋范圍內的終端，進行廣播。由于RTK 信息采用RTCM數據格式，3GPP 網元對其格式不可讀，因此可考慮將RTCM格式編碼的數據轉換為使用ASN.1 編碼的數據，通過LPP 協議在3GPP 網絡中傳輸。

1.2.3 終端融合

從現有的發展來看，高精度定位終端一般都是以地理信息及測繪行業作為基礎，而且在此基礎上所拓展的領域也愈加廣泛。但是從實際來看，地理信息行業的規模也受到明顯局限，按照2018 年所統計的相關數據，全年對55 萬臺衛星導航終端進行計算，其行業成本均攤方面存在明顯不足，而且市場拓展費用也越來越高，在營業額之中占據的比重越來越大，已經超過了25%的比重。目前移動通信產業發展已經越來越成熟，據相關數據可知，5G 終端在2020 年已經開始上市。可以看出，移動通信終端發展更加迅速。

2 北斗+5G 室內外融合定位技術應用

2.1 移動智能終端北斗定位應用

從總體上來看，移動通信的受眾范圍相對較廣，而且用戶群體較為龐大，當前全球的移動通信用戶和終端數量已經達到了幾十億。在北斗系統實現過程中，北斗移動通信是其中的關鍵部分，我國對此十分重視。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》可以知道，在2021年的第一個季度，有86 款申請進網的手機具有定位功能，其中有68 款手機使用并支持北斗定位，總占比大約為79.09%，因此，北斗導航系統在手機之中的滲透率也得到十分明顯的提升。

2.2 4G 蜂窩定位技術應用

從目前的發展來看，對于4G 蜂窩定位網絡的應用，主要是以運營商所建設的網絡作為定位的參考點，移動網絡也只是目前更為普及的一個部分。由此可見，4G 無線通信網的定位系統本身就容易推廣，而且具有普適性。從目前來看，4G 無線通信網定位系統定位的精度以及其定位參考基站本身的部署密度，這二者與無線環境等相關參數有著十分緊密的聯系。從目前來看，大部分室外4G 通用基站的站間部署密度約為300～1 500 m，考慮定位算法的不同，因此，通用基站的網絡定位精確度不低于50 m，一般也只能作為GNSS 定位系統的補充而存在。

2.3 多體制協同的室內外無縫定位技術的應用

從目前的發展來看，北斗導航與5G 定位技術的共同協調，已經成為未來導航系統的主要發展方向，這種室內和室外協同定位的方式，可以為用戶提供更加優質的服務。當前用戶可以通過手機等，進行相應的定位，而且還可以實現在線定位，也可以實現離線定位，二者有機結合，能夠進行實時定位，優化用戶的體驗效果[5-7]。

2.4 北斗+5G 融合定位技術應用

歐洲航天局于2021 年3 月召開了GINTO5G 項目線上研討會，介紹了相應的項目研究成果。該項目屬于歐洲航天局衛星導航研究與創新框架計劃，融入并使用了德國在慕尼黑的移動通信網絡，并與諾瓦泰公司的衛星導航設備和差分數據修正服務進行較為緊密的結合，對其進行相應的定位測試，較為全面、充分、直觀地展示出其定位潛力。而且在同一時間，蘇州移動公司與華為聯合，在蘇州地鐵測試5G 室內定位能力，并對其加以驗證。經過測試可以知道，目前5G室內定位導航的精確度高達99%，可以實現3～5 m的定位。

3 結論

在當前的物聯網產業之中，5G 網絡、北斗和大數據共同構成了物聯網產業的三大基礎設施。由于5G網絡較為穩定，物聯網的終端設備也主要是依賴于5G 網絡來實現數據的傳輸。本文對5G 與北斗的融合發展進行分析，北斗5G 精準定位融合，這對于萬物智聯發展有著很大的促進作用，同時也能夠通過終端融合進一步推動我國智能化社會的發展。