“星地一體”室內外高精度定位技術引領導航科學創新

鄧中亮++林文亮

室內外高精度定位技術是指綜合使用衛星導航、地面通信、空間顯示等技術手段，正確提供客觀世界時空位置與關聯信息的現代新興信息化技術。室內外高精度位置服務是主要大國戰略優勢與經濟實力的重要組成，攸關國家安全、經濟發展和社會民生，是繼互聯網、移動通信發展最快的新一代信息技術。

美、俄衛星導航比我國早起步三十年，但目前仍無法實現對室內的定位與導航，不能滿足人們80%時間在室內的位置服務需求。美國高通、瑞典愛立信公司利用地面通信網的室內定位精度僅能達到40米。但目前中國科學家已經攻克這一國際難題，搶占國際尖端科技競爭制高點。

歷經十多年潛心攻關，北京郵電大學空間導航與通信實驗室鄧中亮團隊研發了世界上首個“羲和”室內高精度位置服務平臺，攻克了通信網建筑內“反散射”傳播的三維“米級”定位國際難題，提出了共頻帶通信網增強、反散射聚合三維定位理論方法與架構，填補了傳統視線傳輸定位在室內的局限性，實現了廣域定位室內外精度1～3米，垂直1米，比國外公開精度高5～10倍。創新了移動通信、廣播、無線網和衛星導航等多資源融合高精度定位技術，為我國導航服務探索了一條投入少、見效快的建設之路。

“羲和”室內高精度位置服務平臺的成功研發和廣泛推廣，率先解決了北斗衛星導航系統的‘最后一公里瓶頸，為國家“一帶一路”、城鎮化、“互聯網+”發展戰略，以及軍事斗爭準備提供現代室內感知位置基礎。預計到2020年，“羲和”系統將打造上千億元的產業鏈，從而牽動上萬億的經濟發展動力。

“互聯網+”與“一路一帶”經濟的深入發展，推動室內外高精度位置服務的爆發式增長需求

“互聯網+”與“一路一帶”經濟的深入發展，推動通信與導航技術在相互融合中迅速發展，導航系統與通信系統緊密結合，使導航定位信息產生更直接的應用價值，發揮出更廣泛的效能，實現單一定位導航向監控、管理、交通、救助、娛樂等綜合位置服務的轉變。位置服務作為戰略型新興產業已廣泛進入人們生活，正在成為國防安全、經濟建設、社會生活中不可或缺的部分。

“智慧城市”、“互聯網+”服務、“工業4.0”等需要精確的室內外位置信息做基礎支撐。城市的智慧化在于以位置信息為基礎的全面感知、泛在互聯和融合應用；物聯網需要精準感知位置實現空間緊密耦合關聯；“互聯網+”服務更是以位置為中心實現線上線下精確交互。自2012年開始，LBS服務應用增長速度已超越微博、微信等，成為移動互聯重要業務。

隨著現代社會的不斷發展，城鎮化進程加快，大型建筑日益增多，人們 80%以上的時間處于室內環境（含地下、礦井、隧道等），人們對室內外高精度定位導航的需求呈現爆發式增長趨勢。

公共安全、生產安全、應急救援、公共衛生、物聯網、特殊人群監護、大型場館管理、智慧城市建設等領域都需要使用準確的室內外導航定位信息：

（一）在消防救援方面，我國10萬余高層建筑，每年火災10萬逾起，基于位置的消防救援問題突出，需要對消防員、被困群眾及消防設施進行精確的室內外無縫定位和逃生路徑規劃。

（二）在老幼人群關愛方面，全國1.4億空巢老人、上億學齡兒童需要基于位置的關愛服務，在被監護人出現緊急情況時（如發病、走失等），基于位置信息可展開快速救助。

（三）在公共安全方面，全國1000余火車站，160余民用機場，上千個地鐵在運營車站，以上地點單日人流量可達數十萬，安全管理問題突出，需要對安全管理人員進行定位，對人流量進行統計，對應急疏散路徑進行引導，對危險人員進行監控。

（四）在醫療服務方面，全國兩萬余縣級以上醫院，月均就診人數超過四億，基于位置的醫療服務需求迫切，掌握住院病人、急救病人、醫務人員及重要醫療器械位置信息，能夠提高醫療救護效率。

（五）在礦山管理與救援方面，全國上萬家煤礦，560萬礦工，每年礦難死亡上千人，需要掌握井下人員位置信息，提高礦難救援與日常生產安全管理效率。

（六）在大型場館人員、物資管理方面，全國6000余個展館、博物館，大量5萬平米以上的大型倉庫，其人員、物資管理需求迫切，掌握人員、物資的室內外無縫位置信息，能夠實現對工作人員及重要物資的無縫監管。

（七）在商場導購方面，我國數千個大型購物廣場，最大達121.5萬平米，日消費者超20萬人，通過位置服務，能夠向顧客提供便捷的精準導購服務。

（八）在車輛導航方面，我國大型室內停車場車位已達數千個，公路隧道近萬個，全國近億民用車輛導航需求開始由室外導航向室內外無縫導航轉變，室內外無縫位置服務能夠為車輛進入地下停車場或隧道時，提供無縫的車輛導航服務。

（九）在個人服務方面，我國手機用戶達十億，位置服務用戶已超過2億，近三年年增長率超過100%。個人導航、地點交友（如微信搖一搖）、即時通訊、以地理位置為基礎的小型社區等服務。

傳統室內外高精度定位技術存在定位精度與覆蓋范圍的突出矛盾，室內外無縫高精度三維定位面臨嚴峻挑戰

（一）衛星室內定位“最后一公里”瓶頸

全球衛星導航系統（GPS、北斗、伽利略、GLONASS）因建筑遮擋在室內及建筑周邊無信號，故無定位能力。衛星信號因穿透損耗，多徑干擾等，室內GPS信號強度遠低于GPS ICD最小-160dBw的要求，因此室內無定位信號覆蓋，即存在室內最后一公里不能定位的問題，不能實現室內外高精度位置服務。

（二）近距離通信定位技術的局限性

近距離通信定位技術包括無線局域網、射頻標簽、紫蜂、藍牙、超寬帶無線電、地磁場強、紅外定位、光跟蹤定位、計算機視覺定位、超聲波定位等，局域視線定位系統單設備覆蓋能力受限，室內外高精度位置服務需高密度布設，位置服務運維難。

基于Wi-Fi的室內定位系統目前主要有兩類：第一類是Wi-Fi無線AP區間定位，通過收集Wi-Fi無線AP安裝位置，和定位臺接收到的AP地址，實現基于Wi-Fi無線 AP 區間定位，如美國Google Map。基于AP位置的定位技術成本低，但由于AP自身的位置并不精確，不能精確計算用戶距AP的距離，定位誤差通常達 10～20米；第二類則采用Wi-Fi無線信號RSSI指紋匹配定位技術，如我國自主研發的“尋鹿”定位系統、“翼周邊”系統，以及美國的WiFiSLAM、加拿大Wifarer等。利用該類技術需要建立相關指紋數據庫，對數據庫的運行維護要求高，定位精度受信號強度影響大，常用于重點場所的局部定位服務。

Zigbee定位技術與WIFI定位技術相似，是基于IEEE802.15.4標準的局域網定位技術，精度可達 3米，但由于信號強度受環境影響較大，如人員走動、墻體/門的遮擋反射等均會導致定位精度下降。

基于RFID的定位系統根據RFID標簽的信號強度及已知的RFID標簽位置比較進行實時定位，實現米級定位精度需要布設大量參考標簽，難以實現大范圍推廣應用。

藍牙定位與WIFI定位相同，其優點在于藍牙芯片成本低、功耗低，已在筆記本電腦以及手機中上大量普及。但藍牙節點遠不如Wi-Fi無線AP普及，因此其應用普及程度不及Wi-Fi定位系統。

UWB 用于定位具有偽距測量精度高、抗多徑干擾能力強的優勢，在視距環境下較Wi-Fi、Zigbee、RFID等定位系統精度大幅提高，但UWB系統目前遠不及其他系統普及，且作用距離僅為 10 米量級，現階段的產業推廣難度較上述系統更加困難。

（三）廣域通信定位技術的測量不確定性

傳統移動通信與廣播網室內外定位成本低、覆蓋廣。但城市建筑結構對無線信號傳輸形成了多障、多重反射與散射、非視線傳播等，基站到終端距離測量困難。

移動通信基站由于地面網絡信號覆蓋良好，因此可對室內用戶進行定位。目前，GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 等在網運行的系統均具備定位功能，第四代通信系統 LTE在其 Release 9 中引入了定位參考信號（PRS，Positioning Reference Signals），用于偽距測量及定位。已有的移動通信基站定位系統包括小區識別碼定位、環路往返時延定位、上行鏈路信號到達時間定位方法、上行鏈路信號到達時間差方法以及信號到達角度定位方法、高級前向鏈路三角定位、下行鏈路增強觀測時間差定位方法、下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法等。移動通信基站定位系統較局域室內定位系統成本低、易于普及，現有手機均具有一定程度的定位能力。但目前移動通信基站定位技術由于受非視距及多徑干擾大、時間同步精度差等影響，定位精度普遍在百米量級（一般為 50～300 米），無法實現米級高精度室內定位。

通信與導航深度融合的高精度室內外三維定位技術，實現了“定位精度高，覆蓋范圍大，技術成本低”，成為國際領先的室內導航位置服務技術

針對室內外高精度無縫定位與服務中面臨的關鍵問題，在科技部“羲和”重大計劃支持下，北京郵電大學鄧中亮團隊牽頭，聯合多家單位，基于通信網絡與衛星，開展了“星地一體、內外銜接、高精定位、無縫保障”的水平精度1～3米，垂直精度小于1米的室內外導航與位置服務關鍵技術與產業化研究，構建了“羲和”室內外高精度位置服務平臺。主要技術優勢如下：

（一）共頻帶三維定位TC-OFDM

在理論研究方面，發現室內定位導航信號散射傳輸突變規律，建立建筑空間導航定位基礎理論與方法，提出共頻帶增強三維定位新思想，突破通信網傳統非視線線定位瓶頸，大幅增強了基于通信網絡的室內外無縫定位能力。

由此形成衛星導航融于地面通信TC-OFDM（Time-Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術體制，是國際上一個新的導航通信復合技術體制，實現了移動通信蜂窩基站網的高精度定位測量功能、室外“衛星盲區”覆蓋與室內可測的位置服務。

（二）散射多徑聚合、導航路徑動態規劃

針對建筑多單元結構對無線信號多重干擾問題，利用建筑空間幾何特性，提出了非視線鏡像傳播估計新方法，大幅降低了“基站-終端”距離測量計算誤差。

通過突破建筑內多障非自由空間導航路徑動態規劃難題，基于建筑結構多層多單元可連通性特點，構建建筑空間特征庫、位置與時態關聯模型，提出建筑空間多尺度網格編碼與時空數據融合計算方法，提升了導航規劃效能。

（三）多源融合導航定位新體系

融合BD/GNSS、TC-OFDM、Wi-Fi、藍牙、慣性、視覺等多種手段，創建多元緊耦合定位模型，實現空天地一體化多源融合大型建筑群內外對人與物體的“米級”無縫定位。

為實現廣域室內外無縫定位，開展基站/Wi-Fi/衛星等多源無線信息的融合，采用了基于信號完備性判決的異構網絡變權位置解算技術，實現了異構網絡定位系統的軟切換，保障了定位結果的連續性。

（四）室內導航與位置服務架構與系統

結合室內定位技術，在空間信息模型基礎上添加定位導航數據模型，構建起面向室內定位導航的立體單元網格空間信息模型，地圖存儲空間減小到原先的1/5；完成廣域室內外電子地圖的無縫融合，實現室內外無縫路徑規劃；制定離、在線兩種地圖服務方式應用接口標準規范，解決了ArcGIS等現有標準在室內定位及位置服務中應用接口不足的問題，滿足室內地圖匹配及位置服務需求。

建議加大研發和推廣力度，盡快將技術和市場領先轉化為技術和市場主導，實現“定位中國，定位世界”的強國強軍夢想

未來室內位置服務技術將國家戰略布局和國際科技競爭熱點，向深空、深地方向多元發展，引領現代服務產業發展。主要建議如下：

（一）空天地一體化的導航與通信體制

室內位置服務將面向空天地一體化、通信與導航體制結合，實現衛星、基站、無人機、雷達、慣導、近距離通信等全源導航定位融合，聚合地理信息、交通信息、商業信息等全息地圖數據，實現虛擬化、彈性可恢復的、協同的、模塊化的服務體系結構，全天候、全地域地提供高精度、無縫隙的位置服務。

（二）融合移動互聯，創新業務，提升服務

隨著車聯網技術需求的發展，衛星導航產業的四大細分市場將進入高速增長階段。首先是高端制造業，包括導航芯片與模塊、多種通信芯片與模塊、接收機組件、顯示器件與正集成；其次是軟件業，包括各種系統類軟件、導航定位收拾軟件、地圖引擎與嵌入式應用；再次是導航相關的現代服務業；最后是綜合數據業。

4G大大提高了移動終端的通信帶寬，帶來了更多應用前景。其中包括業務數據速率要求較高的多媒體業務，例如高清視頻監控、3D視頻點播、實景地圖、3D地圖、導航與位置服務等。還包括單業務帶寬要求較小，但同時在線用戶較多的應用，例如QQ、微信等即時通信系統。以及時延要求較高的實時性業務，例如視頻會議、視頻監控和大型網絡游戲等。

（三）發展高精度定位服務搶占物聯網應用制高點

位置服務將步入無縫化時代，以亞米級導航電子地圖為基礎，室內導航、全息地圖與位置服務、城市智能交通、個人位置服務等將蓬勃發展起來。隨著信息網絡技術從單系統到互聯網、再到云服務時代的進步，位置服務資源將從集中到分散、再發展到集中，實現多資源、多功能、多途徑的綜合位置服務，構建完整的國家和社會安全保障服務平臺。

（四）推動智慧城市建設

為此，需要加快導航位置服務的標準化工作，在基礎設施層上要加快國家標準制定；在共性技術層上要加強國際標準制定；應用與服務層上要加快大眾與行業應用標準制定；在產業化上要加快從芯片到終端、從關鍵設備到網絡、從運行到服務的標準體系建設。