導(dǎo)航與位置服務(wù)現(xiàn)狀與發(fā)展

● 文| 北京郵電大學(xué) 鄧中亮

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導(dǎo)航與位置服務(wù)現(xiàn)狀與發(fā)展

● 文| 北京郵電大學(xué) 鄧中亮

導(dǎo)航與位置服務(wù)攸關(guān)國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)民生，在新一代信息技術(shù)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，具有舉足輕重和不可或缺的地位，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧地球、節(jié)能減排、救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)性支撐作用。如何高效利用衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)資源，提升導(dǎo)航與位置服務(wù)能力，已成為了世界各國科技經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。

一、室內(nèi)外無縫位置服務(wù)需求爆發(fā)增長

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，大型建筑日益增多，人們 80%以上的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境（含地下、礦井、隧道等），對(duì)室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢(shì)。

1）在消防救援方面，我國擁有數(shù)十萬余棟高層建筑，基于精確位置的消防救援問題突出，需要對(duì)消防員、被困人員及消防設(shè)施進(jìn)行精確的室內(nèi)外無縫定位和逃生路徑規(guī)劃。

2）在老幼人群關(guān)愛方面，全國超1.4億空巢老人、上億學(xué)齡兒童需要基于位置的關(guān)愛服務(wù)，在被監(jiān)護(hù)人出現(xiàn)緊急情況時(shí)（如發(fā)病、走失等），基于位置信息可展開快速救助。

3）在公共安全方面，全國1000余個(gè)火車站，160余個(gè)民用機(jī)場(chǎng)，上千個(gè)地鐵站，每個(gè)車站人流量可達(dá)數(shù)十萬/天，安全管理問題復(fù)雜，需要對(duì)人員進(jìn)行定位，對(duì)人流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)應(yīng)急疏散路徑進(jìn)行引導(dǎo)，對(duì)危險(xiǎn)人員進(jìn)行監(jiān)控。

4）在醫(yī)療服務(wù)方面，全國兩萬余縣級(jí)以上醫(yī)院，月均就診人數(shù)超過四億，基于位置的醫(yī)療服務(wù)需求迫切，掌握住院病人、急救病人、醫(yī)務(wù)人員及重要醫(yī)療器械位置信息，能夠提高醫(yī)療救護(hù)效率。

5）在礦山管理與救援方面，全國上萬家煤礦，每年礦難傷亡上千人，災(zāi)難發(fā)生時(shí)需要掌握井下人員位置信息，提高礦難救援與日常生產(chǎn)安全管理效率。

6）在大型場(chǎng)館人員、物資管理方面，全國6000余個(gè)展館、博物館、大型倉庫，其人員、物資精細(xì)化管理需求迫切，掌握人員、物資的室內(nèi)外無縫位置信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作人員及重要物資的無縫監(jiān)管。

7）在商場(chǎng)導(dǎo)購方面，我國擁有數(shù)千個(gè)大型購物廣場(chǎng)，最大達(dá)120萬平方米，日消費(fèi)者超20萬人，需要通過位置服務(wù)，向顧客提供便捷的精準(zhǔn)導(dǎo)購服務(wù)。

8）在車輛導(dǎo)航方面，我國擁有大型室內(nèi)停車場(chǎng)車位不計(jì)其數(shù)，公路隧道近萬個(gè)，全國近億民用車輛導(dǎo)航需求開始由室外導(dǎo)航向室內(nèi)外無縫導(dǎo)航轉(zhuǎn)變，室內(nèi)外無縫位置服務(wù)能夠?yàn)檐囕v進(jìn)入地下停車場(chǎng)或隧道時(shí)，提供無縫的車輛導(dǎo)航服務(wù)。

9）在個(gè)人服務(wù)方面，我國手機(jī)用戶達(dá)十億，位置服務(wù)用戶已超過4億，近三年年增長率超過100%，形成個(gè)人導(dǎo)航、地點(diǎn)交友（如微信搖一搖）、即時(shí)通信、以地理位置為基礎(chǔ)的社交等服務(wù)。

二、精準(zhǔn)定位成為國際科技競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)

室內(nèi)外高精度位置服務(wù)技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信發(fā)展最快的新一代信息技術(shù)，已成為國際科技經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)精確定位與服務(wù)，美國國防部高級(jí)計(jì)劃研究局（DAPAR）于2013年制定 “洞悉戰(zhàn)場(chǎng)”計(jì)劃，提出建設(shè)更精確鎖定位置的打擊系統(tǒng)；2013年美國通委會(huì)提出“下一代911項(xiàng)目”，要求實(shí)現(xiàn)精度在60m以內(nèi)的精確位置服務(wù)；德國電信于2011年將高精度的位置服務(wù)定位作為未來移動(dòng)通信服務(wù)的核心；日本于2009年頒布了緊急呼叫法案，要求室內(nèi)位置服務(wù)達(dá)到10m以內(nèi)。我國在《國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》任務(wù)中明確提出加快室內(nèi)位置服務(wù)建設(shè)，科技部開展“羲和”重大計(jì)劃，重點(diǎn)建設(shè)室內(nèi)外無縫隙高精度三維定位系統(tǒng)。

三、室內(nèi)外高精度位置服務(wù)技術(shù)瓶頸

1．衛(wèi)星室內(nèi)定位“最后一公里”瓶頸

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、北斗、伽利略、GLONASS）因建筑遮擋在室內(nèi)及建筑周邊無信號(hào)，故無定位能力。衛(wèi)星信號(hào)因穿透損耗、多徑干擾等，室內(nèi)GPS信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于GPS ICD最小-160dBW的要求，因此室內(nèi)無定位信號(hào)覆蓋，即存在室內(nèi)最后一公里不能定位的問題，不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外高精度位置服務(wù)。

2．近距離通信定位技術(shù)的局限性

近距離通信定位技術(shù)包括無線局域網(wǎng)（WLAN）、射頻標(biāo)簽（RFID）、紫蜂（Zigbee）、藍(lán)牙（Bluetooth）、超寬帶無線電（UWB）、地磁場(chǎng)強(qiáng)、紅外定位、光跟蹤定位、計(jì)算機(jī)視覺定位、超聲波定位等，局域視線定位系統(tǒng)單設(shè)備覆蓋能力受限，室內(nèi)外高精度位置服務(wù)需高密度布設(shè)，位置服務(wù)運(yùn)行維護(hù)難。

基于WiFi的室內(nèi)定位系統(tǒng)目前主要有兩類：第一類是WiFi無線AP（Access Point）區(qū)間定位，通過收集WiFi無線AP安裝位置和定位臺(tái)接收到的AP地址，實(shí)現(xiàn)基于WiFi無線 AP 區(qū)間定位，如美國Google Map?；贏P位置的定位技術(shù)成本低，但由于AP自身的位置并不精確，不能精確計(jì)算用戶距AP的距離，定位誤差通常達(dá)10～20m；第二類則采用WiFi無線信號(hào)接受信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）指紋匹配定位技術(shù)，如我國自主研發(fā)的“尋鹿”定位系統(tǒng)、“翼周邊”系統(tǒng)，以及美國的WiFiSLAM、加拿大Wifarer等。利用該類技術(shù)需要建立相關(guān)指紋數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行維護(hù)要求高，定位精度受信號(hào)強(qiáng)度影響大，常用于重點(diǎn)場(chǎng)所的局部定位服務(wù)。

Zigbee定位技術(shù)與WiFi定位技術(shù)相似，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)定位技術(shù)，精度可達(dá)3m，但由于信號(hào)強(qiáng)度受環(huán)境影響較大，如人員走動(dòng)、墻體/門的遮擋反射等均會(huì)導(dǎo)致定位精度下降。

基于RFID的定位系統(tǒng)根據(jù)RFID標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度及已知的RFID標(biāo)簽位置比較進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)米級(jí)定位精度需要布設(shè)大量參考標(biāo)簽，難以實(shí)現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用。

藍(lán)牙定位與WiFi定位相同，其優(yōu)點(diǎn)在于藍(lán)牙芯片成本低、功耗低，已在筆記本電腦以及手機(jī)中大量普及。但藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)不如WiFi無線AP普及，因此其應(yīng)用普及程度不及WiFi定位系統(tǒng)。

UWB 用于定位具有偽距測(cè)量精度高、抗多徑干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在視距環(huán)境下較WiFi、Zigbee、RFID等定位系統(tǒng)精度大幅提高，但UWB系統(tǒng)目前遠(yuǎn)不及其他系統(tǒng)普及，且作用距離僅為10 m量級(jí)，現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)推廣較上述系統(tǒng)更加困難。

3．廣域通信定位技術(shù)的測(cè)量不確定性

傳統(tǒng)移動(dòng)通信與廣播網(wǎng)室內(nèi)外定位成本低、覆蓋廣。但城市建筑結(jié)構(gòu)對(duì)無線信號(hào)傳輸形成了多障、多重反射與散射、非視線傳播等，基站到終端距離測(cè)量困難。

移動(dòng)通信基站由于地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋良好，因此可對(duì)室內(nèi)用戶進(jìn)行定位。目前，GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 等在網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)均具備定位功能，第四代通信系統(tǒng) LTE在其 Release 9 中引入了定位參考信號(hào)（PRS），用于偽距測(cè)量及定位。已有的移動(dòng)通信基站定位系統(tǒng)包括小區(qū)識(shí)別碼（Cell-ID）定位、環(huán)路往返時(shí)延（RTD）定位、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）定位方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）方法以及信號(hào)到達(dá)角度（AOA）定位方法、高級(jí)前向鏈路三角定位（AFLT）、下行鏈路增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間差定位方法（E-OTD）、下行鏈路空閑周期觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差方法（OTDOA-IPDL）等。移動(dòng)通信基站定位系統(tǒng)較局域室內(nèi)定位系統(tǒng)成本低、易于普及，現(xiàn)有手機(jī)均具有一定程度的定位能力。但目前移動(dòng)通信基站定位技術(shù)由于受非視距及多徑干擾大、時(shí)間同步精度差等影響，定位精度普遍在百米量級(jí)（一般為50~300m），無法實(shí)現(xiàn)米級(jí)高精度室內(nèi)定位。

四、“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務(wù)系統(tǒng)

針對(duì)室內(nèi)外高精度無縫定位與服務(wù)中面臨的關(guān)鍵問題，在科技部“羲和”重大計(jì)劃支持下，北京郵電大學(xué)牽頭，聯(lián)合多家單位，基于通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星，開展了“星地一體、內(nèi)外銜接、高精定位、無縫保障”的水平精度1~3m、垂直精度優(yōu)于1m的室內(nèi)外導(dǎo)航與位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化研究，構(gòu)建了“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務(wù)平臺(tái)，如圖1所示。

圖1　“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)圖

“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務(wù)平臺(tái)攻克了通信網(wǎng)建筑內(nèi)“反散射”傳播的三維“米級(jí)”定位國際難題，提出了共頻帶通信網(wǎng)增強(qiáng)、反散射聚合三維定位理論方法與架構(gòu)、導(dǎo)航與通信一體化信號(hào)體制（TC-OFDM）融合體制，突破了傳統(tǒng)視線傳輸定位在室內(nèi)的局限性；提出散射多徑聚合與導(dǎo)航路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了建筑空間高精度導(dǎo)航；創(chuàng)新了移動(dòng)通信、廣播、無線網(wǎng)和衛(wèi)星導(dǎo)航等多資源融合高精度定位技術(shù)，運(yùn)用地面通信網(wǎng)，采取覆蓋優(yōu)化、差分測(cè)高、多址管理、耦合測(cè)距、集成使用等創(chuàng)新方法，實(shí)現(xiàn)大型建筑群內(nèi)對(duì)人與物體的“米級(jí)”定位，比國外公開精度高5~10倍，成為了國際領(lǐng)先技術(shù)。

高精度室內(nèi)導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)由TC-OFDM基站（含激勵(lì)器研制、時(shí)間同步設(shè)備研制、發(fā)射機(jī)研制及整機(jī)集成等）、室內(nèi)增補(bǔ)系統(tǒng)、移動(dòng)定位終端、消防終端、網(wǎng)絡(luò)側(cè)位置服務(wù)平臺(tái)組成，提供高精度室內(nèi)外無縫隙的位置服務(wù)能力。

結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)，在空間信息模型基礎(chǔ)上添加定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建起面向室內(nèi)定位導(dǎo)航的立體單元網(wǎng)格空間信息模型，地圖存儲(chǔ)空間減小到原先的1/5；實(shí)現(xiàn)了廣域室內(nèi)外電子地圖的無縫融合，以及室內(nèi)外無縫路徑規(guī)劃；解決了ArcGIS等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在室內(nèi)定位及位置服務(wù)中應(yīng)用接口不足的問題，滿足室內(nèi)地圖匹配及位置服務(wù)需求，如圖2所示。

圖2　基于網(wǎng)格編碼的全息多維室內(nèi)電子地圖

研發(fā)了公共服務(wù)、商業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用、航空物流、應(yīng)急救援四類位置服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了精確定位導(dǎo)航、實(shí)時(shí)跟蹤、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)分析服務(wù)，大幅提升了位置服務(wù)能力。

五、室內(nèi)外高精度位置服務(wù)應(yīng)用

利用“羲和”計(jì)劃的研究成果，已成功開展了上百項(xiàng)應(yīng)用推廣，產(chǎn)品遍及我國40多個(gè)城市，用戶達(dá)數(shù)千萬，部分產(chǎn)品出口多個(gè)國家和地區(qū)。

（1）公共服務(wù)與管理領(lǐng)域的導(dǎo)航定位應(yīng)用

在萬達(dá)廣場(chǎng)、西單大悅城、首都機(jī)場(chǎng)、國內(nèi)外多個(gè)校園等成功開展了緊急呼救、保險(xiǎn)救援、商業(yè)大數(shù)據(jù)分析、外勤助手、車衛(wèi)士、熱區(qū)信息服務(wù)、精準(zhǔn)營銷、技偵跟蹤、預(yù)警、精細(xì)管理、實(shí)時(shí)交通、停車場(chǎng)管理等多領(lǐng)域的位置服務(wù)應(yīng)用。

（2）應(yīng)急救援領(lǐng)域的導(dǎo)航定位典型應(yīng)用

開展了應(yīng)急救援應(yīng)用示范，研發(fā)消防導(dǎo)航定位裝備，能夠精確掌握受災(zāi)建筑中人員分布情況，解決救援盲區(qū)，大幅提升救災(zāi)人員的救援能力，減少人員傷亡，實(shí)現(xiàn)了救援定位技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提升了城市定向、定位救援能力。

（3）機(jī)場(chǎng)位置感知應(yīng)用

在我國多個(gè)機(jī)場(chǎng)，通過建立多元室內(nèi)定位系統(tǒng)，根據(jù)旅客位置進(jìn)行情景識(shí)別，主動(dòng)提供服務(wù)信息和商業(yè)推薦，不但滿足乘客的乘機(jī)旅行需求，充分利用機(jī)場(chǎng)服務(wù)資源，給每個(gè)旅客提供個(gè)性化的服務(wù)指導(dǎo)與賓至如歸的機(jī)場(chǎng)體驗(yàn)，提升首都機(jī)場(chǎng)的飛行經(jīng)濟(jì)效益。

（4）公共安全監(jiān)控和區(qū)域管理應(yīng)用

在多個(gè)大型會(huì)議(如北京APEC會(huì)議等)和全國多個(gè)省應(yīng)用“媒體—位置偵測(cè)服務(wù)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)偵測(cè)工作任務(wù)指派，巡檢路線設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警、告警等安全監(jiān)控和管理功能，成為了安全保障的重要工具。

（5）基于時(shí)空關(guān)聯(lián)的商業(yè)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

針對(duì)現(xiàn)階段商業(yè)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的不足，建立基于空間多維數(shù)據(jù)的連鎖效應(yīng)模型，形成多維度數(shù)據(jù)間的關(guān)系網(wǎng)，為商業(yè)營銷提供精確指導(dǎo)，提高數(shù)據(jù)使用效率與價(jià)值，如圖3所示。

圖3　多維度數(shù)據(jù)關(guān)系網(wǎng)

六、室內(nèi)外位置服務(wù)發(fā)展趨勢(shì)

未來室內(nèi)位置服務(wù)技術(shù)將依據(jù)國家戰(zhàn)略布局和國際科技競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)，繼續(xù)向深空、深地、深海等方向擴(kuò)展，助推導(dǎo)航與位置服務(wù)技術(shù)發(fā)展。

趨勢(shì)一：室內(nèi)位置服務(wù)將面向空天地一體化、通信與導(dǎo)航體制融合，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、基站、無人機(jī)、雷達(dá)、慣導(dǎo)、近距離通信等全源導(dǎo)航定位融合，聚合地理信息、交通信息、商業(yè)信息等全息地圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛擬化、彈性可恢復(fù)的、協(xié)同的、模塊化的服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，全天候、全地域地提供高精度、無縫隙的位置服務(wù)。

趨勢(shì)二：突破定位精度、范圍及成本之間的矛盾。實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、廣覆蓋的室內(nèi)外無縫隙位置服務(wù)。

趨勢(shì)三：挖掘4G時(shí)代的導(dǎo)航通信融合新業(yè)務(wù)。新型導(dǎo)航與通信網(wǎng)絡(luò)將承載高清視頻監(jiān)控、3D視頻點(diǎn)播、實(shí)景地圖、3D地圖等高速率業(yè)務(wù)。

趨勢(shì)四：加速導(dǎo)航與位置服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化。從基礎(chǔ)設(shè)施、共性關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用與服務(wù)等多方面，加快制定相關(guān)的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與政策。

結(jié)束語

室內(nèi)位置服務(wù)用戶需求呈爆發(fā)式增長趨勢(shì)，通信的廣泛性為導(dǎo)航與位置服務(wù)推廣提供了有利條件。研究表明，所有無線通信網(wǎng)都具有高精度室內(nèi)外3D定位能力，高精度室內(nèi)外無縫定位技術(shù)趨向于多系統(tǒng)協(xié)同，定位導(dǎo)航與通信趨向于一體化是一條投資少、建設(shè)快的導(dǎo)航與位置服務(wù)發(fā)展之路，融合衛(wèi)星導(dǎo)航與地面通信網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、軍事、國防等方面的服務(wù)能力具有重要意義。

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