北斗+5G 融合定位技術研究及應用進展

金耀，周又眉，張賀，張子寧，張晨芳，趙良，魏步征

(1.中國聯合網絡通信有限公司研究院,北京 100048；2.下一代互聯網寬帶業務應用國家工程研究中心,北京 100048；3.中國聯合網絡通信有限公司,北京 100048)

0 引言

2020年，我國北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)完成全球組網，面向全球提供高精度定位服務.北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)雖覆蓋廣、精度高，但由于衛星信號容易受遮擋，在城市峽谷和室內場景下定位會失效.隨著通信技術的發展，第五代移動通信技術(5th generation mobile communication technology，5G)的定位能力進一步增強，室內定位精度達到亞米級，可彌補BDS 定位能力的不足.北斗+5G 融合定位共同構建室內外無縫定位體系，滿足全場景下的定位需求，對國家建設韌性定位、導航與授時(positioning,navigation and timing,PNT)具有重要意義.

BDS 經過20 多年的發展，定位技術已比較成熟，但由于衛星信號易受干擾和遮擋，BDS 在觀測衛星數量不足時定位性能下降，因此，很多研究主要聚焦于BDS 定位與其他室內定位方法的融合，如北斗和超寬帶(ultra wide band,UWB)技術的融合定位[1-5]，北斗和Wi-Fi 技術的融合定位[6-9]，北斗和慣性導航系統(inertial navigation system,INS)技術的融合定位[10-12]，這些研究補充了北斗室內定位能力的不足.隨著通信網絡定位技術的演進，第三代合作伙伴計劃(3rd generation partnership project,3GPP)在Release 17 中將5G 在商業和工業互聯網應用的水平定位精度目標設置為優于1 m 和0.2 m[13]，一些學者開展了5G 高精度定位的研究工作[14-17].由于5G 定位可以實現室內高精度定位，有學者提出了北斗+5G 融合定位來實現室內外無縫定位的思路[18-21].彭友志等[22]通過定量分析，研究了多徑干擾條件下5G+GNSS融合定位的性能上下限和精度.龔利等[23]運用改進型聯邦卡爾曼濾波算法建立北斗和5G 融合定位模型，實現了在模擬復雜環境下鐵路車機分米級定位.曹春曉等[24]研究了北斗+5G 聯合定位模型，基于后驗加權進行誤差校正提升融合定位精度.薛嘉琛等[25]基于北斗和5G 建立聯合定位方程，將北斗定位數據與5G 定位數據進行了融合解算.

這些研究雖對北斗+5G 融合定位進行了探索，但都側重于算法或某個方法，未能系統地介紹移動通信的定位方法，也沒有給出北斗+5G 融合定位的融合策略和方法.本文對移動通信定位的演進過程及最新的5G 定位技術的方法和特征進行了系統的介紹，探討了北斗+5G 融合定位的方式，針對不同場景給出相應的融合策略介紹了當前北斗+5G 融合定位的發展和應用現狀，并對未來的研究給出建議.

1 無線定位技術

無線定位技術按照服務范圍可以劃分為局域定位和廣域定位，移動通信網定位和GNSS 屬于廣域定位，為用戶提供普適的定位服務；Wi-Fi、藍牙和UWB等屬于局域定位，主要用于室內場景.

1.1 北斗定位

BDS 是中國自主研發的衛星導航系統.BDS 于2000 年啟動建設，在2020 年完成了BDS-3 全球組網，為全球用戶提供全天候的PNT 及短報文通信服務.全球定位精度優于10 m，事后差分定位精度達到毫米級，授時精度優于20 ns[26].北斗定位原理為：終端接收機同步觀測多顆已知位置的北斗衛星，終端通過測量衛星信號到達時間，來計算終端與每個衛星之間的距離，通過交會計算來確定終端接收機的位置.理論上利用3 顆衛星組成星站距離方程組就可解算出終端位置，由于衛星時鐘與終端接收機時鐘之間也存在偏差，鐘差也作為未知量進行求解，因此，需要至少4 顆觀測衛星信息引入方程組來解算終端位置.其公式為

式中：(xi,yi,zi)為北斗衛星的坐標，i為觀測到的衛星序號；(x,y,z)為待求解的終端接收機的坐標；c為光速；ti為衛星與用戶機之間信號傳輸的時間差；Δt為衛星時鐘與接收機時鐘之間的誤差.

1.2 局域無線定位

局域無線定位主要包括Wi-Fi、藍牙和UWB 等方式，其定位技術主要分為四種類型：基于接收信號強度(received stgnal strength,RSS)的測距定位、基于信號特征的指紋定位、基于信號傳輸時間和角度測量的定位.

1) RSS 定位：無線信號在傳播時隨著距離增加，RSS 逐漸衰減，通過RSS 推測待定位目標與信號發射源的距離，再利用三邊定位估算位置.

2)指紋定位：通過待定位目標收到的信號特征與信號信息庫進行比對，來估算待定位目標位置，需提前采集指紋數據庫.

3)時間測量定位：利用測量信號傳播的到達時間(time of arrival,TOA)或到達時間差(time difference of arrival,TDOA)，來確定待定位目標與基站間的距離關系，再利用三邊定位或雙曲線估算位置.

4)角度測量定位：通過測算信號接收節點和信號發射源之間的相對方位或角度，再利用三角定位法或其他方式計算出目標點位置，包括出發角(argle of departure,AOD)、到達角(angle of arrival,AOA)兩種方式.

1.2.1 Wi-Fi 定位

Wi-Fi 定位是一種基于無線局域網技術實現的定位方式，通過接收到的Wi-Fi 信號信息來確定接收器的位置，主要有四種方法：指紋定位、RSS 定位、TOA 定位及AOA 定位.Wi-Fi 定位精度通常在數米到數十米，與接入點分布密度、信號強度和環境噪聲等因素有關.Wi-Fi 定位優點在于其覆蓋范圍廣、成本低，可用于室內、城市區域等場景.RSS 定位方法在復雜的多徑環境下，測距定位精度下降；指紋法的采集和維護成本高，易受環境變化影響，難以廣泛部署；也面臨信號干擾、環境變化等問題.

1.2.2 藍牙定位

藍牙定位是指利用藍牙信號進行定位的技術，需要在區域內部署多個藍牙信標，利用信標發射的信號進行定位.其定位原理和Wi-Fi 定位類似，也是通過RSS 定位、指紋匹配定位，藍牙5.1 標準引入了角度測量功能，支持AOA 和AOD 定位.藍牙定位精度主要受信號傳播影響，理想環境下定位精度達到1～5 m，在實際環境中，受障礙物對信號的影響定位精度會降低.藍牙定位優點是低成本、低功耗和易于安裝等；缺點是定位精度較低，受多徑效應和信號干擾影響較大.

1.2.3 UWB 定位

UWB 定位是利用UWB 信號進行定位的技術，通過發送短脈沖信號，測量信號的TOA 或TDOA，從而確定發射器和接收器之間的距離來確定接收器的位置，理想環境下定位精度可達厘米級.UWB 定位優點是抗干擾能力和可靠性強，能夠實現厘米級定位；缺點是建設成本高、受環境干擾較大、基站數量要求較多等.UWB 標簽雖已做到小型化，但目前沒有集成到智能手機中，所以待定位目標需單獨配備UWB 標簽.

早期的移動通信無法提供高精度定位，藍牙、Wi-Fi、UWB 等無線局域定位技術成為室內定位的重要手段，但大范圍部署成本高，難以成為普適的定位技術.隨著5G 網絡定位精度突破亞米級和大范圍的商用部署，免去了專用定位設備的建設成本，使5G定位成為一種普適的高精度定位手段[27].

1.3 移動通信網定位

通信網設計初衷是提供通訊服務，并未考慮定位機制，隨著定位服務需求日益增多，從1995 年起，2G 網絡引入定位技術，早期的通信網絡基于Cell ID 和測量時間進行粗定位.隨著移動互聯網的發展，通信網定位技術不斷迭代，定位精度也不斷提升.

1.3.1 早期通信網絡定位

2G 定位：在1999 年之前，移動通信定位方案主要包括Cell ID 和Cell ID+時間提前量(time advance,TA)，通過基站的小區標識確定終端位置和同步信號計算測距實現定位.后來增加了增強觀察時間差(enhanced observed time difference,E-OTD)和上行鏈路到達時間(Uplink TOA,UTOA)方法.E-OTD 是由基站播發信號，終端記錄來自不同基站信號的TOA，并計算時間差，再通過雙曲線原理定位[28]，UTOA 與EOTD 原理類似，不過是由終端發送信號，基站記錄TDOA.

3G 定位：3G 中繼承了Cell ID 方法，新增了觀測到達時間差(observed time difference of arrival,OTDOA)和往返時間(round trip time,RTT)方法.OTDOA 定位技術與2G 網絡里面的E-OTD 定位方法類似，也是由基站發送信號，通過TDOA 計算終端位置.RTT 分別測量終端與基站的RTT，計算終端與基站之間的距離實現定位.

4G 定位：4G 對定位進一步增強，引入了專用的定位參考信號(positioning reference signal,PRS)，新增了上行到達時間差(uplink TDOA,UTDOA) 和增強小區法(enhanced Cell ID,E-CID)方法，3GPP 在Release 13 標準里提到的定位包括：依賴蜂窩定位方法的OTDOA、UTDOA、E-CID 和不依賴蜂窩定位方法網絡輔助衛星導航系統(Assisted GNSS,A-GNSS).

早期的通信定位主要利用測量時間進行定位，依賴通信過程中所需的導頻或控制信號.4G 設計了專用的定位參考信號，由于信號帶寬最大僅為20 MHz，且基站間距在百米級，因此定位精度仍較低[27].

1.3.2 5G 定位

5G 定位保留了E-CID 方法，將UTDOA、OTDOA和RTT 方法分別演進為上行到達時間差定位法(uplink TDOA，UL-TDOA)、下行到達時間差定位法(downlink TDOA，DL-TDOA)和Multi-RTT，并新增了基于角度測量的定位方法下行出發角法(downlink AOD，DL-AOD)和上行到達角法(uplink AOA，ULAOA)[29].這些方法可以分為基于時間測量、角度測量及混合定位三種類型.

時間測量定位：測量終端和基站之間收發無線信號的時間關系進行定位，包括DL-TDOA、UL-TDOA和Multi-RTT，前兩種方法需要基站間嚴格時間同步，而后者不需要.

DL-TDOA：終端測量兩個基站發送的下行PRS的TDOA，利用雙曲線原理實現定位，如圖1 所示.

圖1 TDOA 定位示意圖

UL-TDOA：基站測量上行鏈路TDOA，通過計算終端上行探測參考信號到達不同基站的時間差，利用雙曲線原理實現定位，如圖1 所示.

Multi-RTT：多站往返時間法，終端和基站相互發送信號，測算基站和終端之間的RTT，得到終端與多個基站的距離，再利用三邊定位原理定位，如圖2所示.

圖2 Multi-RTT 定位示意圖

角度測量定位：5G 采用大規模天線陣列，可以測量更高精度的角度，基于2 個基站測量的角度即可實現定位，如圖3 所示.

圖3 AOD/AOA 定位示意圖

DL-AOD：終端測量下行參考信號波束，根據發送波束方向來估計終端的位置角度，依據多個基站估算的入射角度計算終端位置.

UL-AOA：原理與DL-AOD 類似，多個基站測量終端上行信號的到達角度，根據多個基站測量的到達角度計算終端位置.

混合定位：主要是指E-CID，即增強小區法，是一種混合定位方法，融合了基站鄰近位置、時間測量及角度測量三種定位方法，僅靠單基站即可完成定位，不受基站間時間同步限制.E-CID 方法包括Cell ID+RTT、Cell ID+RTT+AOA/AOD 等.其原理是：首先根據Cell ID 鎖定終端所在基站的扇區；然后基站與終端互發參考信號測量時間差得到RTT，確定終端所在的圓，再結合DL-AOD 或UL-AOA 得到角度信息，方向角與圓的交點即為終端位置，如圖4 所示.

圖4 E-CID 定位示意圖[30]

由于5G 超密集網絡增加了參考點的數量和多樣性，大規模天線技術多波束可利用AOA/AOD 估計更精確，及更低的網絡時延可提升基于時間測量的精度等因素，使得5G 定位精度達到亞米級.3GPP 在Release 17 中對5G 定位的目標精度要求為：針對一般的商業應用場景，水平定位精度優于1 m，垂直定位精度優于3 m；對于要求更高的的工業物聯網應用場景，水平定位精度優于0.2 m，垂直定位精度優于1 m[13].

2 北斗+5G 融合定位

移動通信網絡已經覆蓋了我國絕大部分城市地區，隨著5G 定位精度的不斷提高和網絡覆蓋范圍的增大，移動通信網的高精度定位可以作為一種普適的定位手段，彌補BDS 定位的不足，北斗+5G 融合定位構建室內外無縫定位服務.按照兩種定位的融合程度，本文將北斗+5G 融合定位分成了2 個層級：一是定位增強，北斗和5G 相互賦能，增強各自的定位能力；二是定位融合，北斗和5G 定位深度融合，又可細分為5G 輔助北斗定位(Assisted BDS,A-BDS)、北斗與5G 加權融合定位及北斗與5G 信號融合定位.

2.1 北斗+5G 定位增強

5G 的優勢在于網絡數據傳輸及室內定位，北斗的優勢在于高精度定位和授時，二者相互賦能，提升定位精度.通過分析5G 和北斗各自的優勢，北斗+5G 定位增強方案如下：

5G 增強北斗定位：基于5G 基站建設的北斗連續運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)，能夠降低CORS 站的建設成本；借助運營商的運維能力，可以將CORS 站的運維水平提升至電信級[19].此外，5G 低時延、高可靠的網絡服務，為北斗實時差分信息傳輸做高質量保障，確保北斗實時動態載波相位差分技術實現厘米級定位.

北斗增強5G 定位：5G 的TDOA 定位方法是基于測量時間的定位，需通信基站之間嚴格的時間同步[25,31]，基于北斗+1588v2 技術的時間同步方法能提升5G 基站間的時間同步精度[32]，從而有效提升TDOA定位方法的精度.

2.2 北斗+5G 定位融合

按照定位融合的耦合度，將北斗+5G 定位融合劃分為三種：5G 輔助北斗定位，北斗與5G 獨立定位后加權融合和信號融合定位.

2.2.1 5G 輔助北斗定位

移動通信網定位與衛星定位相結合得比較早，在2G 時就支持輔助GPS 定位(Assisted Global Positioning System,A-GPS)，在3G 時演進為A-GNSS[33]，3GPP 在Release 16 中引入了BDS-3 信號來完善A-GNSS 的定位方法，使得5G+北斗融合定位更成熟.其原理是：在BDS 信號接收效果較好的區域安裝參考衛星定位接收機，利用A-BDS 服務器計算終端的粗位置，然后通過網絡將終端需要的時鐘和星歷等輔助數據發送給終端，由終端進行定位測量，測量結束后，終端自主計算位置，或終端將測量結果發給A-BDS 服務器計算位置，如圖5 所示.

圖5 A-BDS 定位示意圖

基于5G 的A-BDS 定位，融合了5G 網絡和BDS定位技術，在BDS 信號不佳的情況下，可實現北斗快速高效定位.與獨立的BDS 定位相比，A-BDS 技術具有定位時間短、耗電量低、靈敏度高等優勢.但A-BDS 本質還是基于北斗的定位，5G 只是起到了粗定位和網絡傳輸作用，并未發揮5G 自身的高精度定位能力.

2.2.2 加權融合定位

北斗+5G 加權融合定位，是指北斗和5G 針對同一待定位目標分別進行定位，然后對兩者的定位結果進行加權得到最終定位結果.在BDS 受遮擋情況下，觀測的衛星數量雖大于4顆，但衛星幾何分布較差，定位精度較低，引入5G 定位結果，通過加權融合來提升定位精度.龔利等[23]基于北斗觀測數量和5G 定位的信號質量等確定分配因子，構建北斗和5G 加權融合定位模型，曹春曉等[24]基于最小二乘殘差Helmert后驗加權，來提升北斗與5G 聯合定位的精度.

2.2.3 信號融合定位

北斗+5G 信號融合定位，是指將北斗和5G 原始的信號觀測信息進行融合，建立聯合方程組來解算終端定位.5G 基于測量時間的定位方法和BDS 定位原理比較類似，都是基于TOA 原理定位，在衛星觀測數量少于4 顆時，BDS 無法獨立定位，把5G 信號作為補充信息，可實現北斗+5G 深度融合定位.薛嘉琛等[25]研究了在室內外過渡場景下，利用5G 到達時間差和北斗偽距觀測量進行聯合解算，實現基于信號融合的定位.

綜上所述，北斗+5G 融合定位可提升北斗和5G 整體的定位精度和可用性，實現室內外無縫定位，在不同場景下北斗和5G 定位融合可采用不同的策略，如表1 所示.

表1 各場景北斗+5G 定位融合策略

在室外開闊區域，衛星定位精度更高，應以北斗定位為主，5G 定位為輔，5G 定位作為BDS 定位失效時的補充，此外利用A-BDS 縮短北斗定位時間.在室外遮擋區域，當觀測的衛星數量大于等于4 顆時，此時BDS 有獨立定位能力，采用北斗+5G 加權融合定位的策略；在室外遮擋區域，當觀測的衛星數量為1～3 顆時，此時BDS 無法獨立定位，采用北斗+5G 信號融合定位的策略，也可以使用5G 獨立定位進行補充.在室內無法觀測到衛星時，采用5G 定位，依據用戶場景在局域可以與UWB、Wi-Fi、藍牙及地磁等定位手段相結合，如圖6 所示.

圖6 北斗+5G 融合定位示意圖

3 北斗+5G 融合定位發展及應用

隨著5G 高精度定位技術的不斷發展，相關標準化工作也在逐步開展.中國通信標準化協會(China Communications Standards Association，CCSA)設立了“導航和位置服務特設任務組”，開展與通信行業相關的導航與位置服務標準化研究.CCSA 推出了《基于移動通信網的帶內與共頻帶定位技術要求與測試方法》國家標準草案，將共頻帶定位技術成功寫入了5G 高精度定位研究報告TR38.855中，推動了BDS-3 新信號進入3GPP 標準體系，促進了5G 定位支持A-BDS 方法[34].這些工作推進了我國北斗+5G融合定位的標準化應用.

電信運營商作為5G 網絡基礎設施建設者和運營者，響應國家PNT 戰略，利用自身基礎設施、技術和運營服務優勢，建設北斗定位CORS 系統，研發北斗+5G 高精度定位產品，并推廣北斗+5G 融合應用.

中國聯通正在建設基于5G 基站的北斗CORS站，研發了高精融合度定位系統，發布了5G+北斗時空服務平臺，面向行業提供室外高精度定位服務.針對智慧城市、工業互聯網、交通物流、文化旅游、農林牧漁和生態環保等6 個行業推出了5G+北斗應用解決方案，為傳統行業轉型賦能.

中國移動在全國建設了4 000 多個CORS站，研發了OnePoint“5G+北斗”高精度定位產品，提供厘米定位服務.中國移動發布了智能駕駛、智慧港口、智慧物流和精準農業等10 個“5G+北斗高精度定位”應用場景及解決方案，以支持5G+北斗在市場上的推廣應用.

中國電信投資了高精定位服務公司，該公司在全國建設了2 000 多個CORS站，打造后處理毫米級高精度定位開放平臺.中國電信在能源和鐵路行業探索北斗+5G 的應用場景，將其在配電網智能化應用方面進行落地.

4 結束語

北斗和5G 定位都是普適的高精度定位手段，兩者有很好的互補性，北斗與5G 定位融合，為用戶提供室內外一體化定位服務.本文介紹了主要的無線定位技術，重點梳理了移動通信網定位技術的演進及最新的5G 定位方法，將北斗和5G 融合定位分成定位增強和定位融合，并依據融合的耦合度，將定位融合再細分為5G 輔助北斗定位、加權融合定位和信號融合定位三種方式，以滿足不同的場景.雖然我國在北斗+5G 融合定位的研究及應用推廣方面取得了一定進展，但還有諸多問題需要研究：

1) 5G 普適定位.盡管3GPP 已制定了5G 定位的相關技術標準，但5G 定位的網絡部署并未大規模落地，還處于局部試點狀態，5G 網絡自身的定位能力還需進一步釋放.

2) 北斗+5G 融合定位.目前北斗和5G 融合定位的研究還不夠深入，需要繼續研究北斗+5G 融合定位的機制、算法及模型，引入人工智能技術提升融合定位的精度.

3) 5G 載波相位定位.當前5G 基于時間測量的定位方法實際上是基于偽距測量實現的，而北斗基于載波相位差分的定位精度達到毫米級，3GPP 正在借鑒北斗的載波相位定位，預研5G 基于載波相位的定位技術.

4) 天地一體化PNT.在未來BDS、低軌通信衛星與地面通信網形成星天地一體化網絡建設，構建我國智能PNT，需要預研低軌通信衛星與地面通信網的融合定位技術.