遮蔽空間定位導航技術特征分析與發展綜述

鮑亞川，楊夢煥，李建佳，李雋

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081；2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

0 引言

衛星導航系統在各國竟相發展，因其廣覆蓋、低成本、高精度的優勢，在各行各業得到大量應用并發揮了巨大作用，導航定位服務也日漸成為社會經濟運行不可獲取的基礎服務.導航定位逐步滲入到各行各業中后，人們逐漸發現大量的區域空間無法接收衛星導航信號，進而無法獲取衛星導航定位服務，這類空間的定位導航需求無法被滿足.

遮蔽空間，是指衛星導航信號被遮擋，無法依靠衛星導航系統實現定位的空間區域.近年來，以河北省雄安新區、江蘇省南京市江北地下城等為代表的地下城市建設進入了快速發展新階段，大型煤礦加快推進智能化采礦系統部署應用，地下空間的開發利用步入了一個以“大空間+智能應用”為特征的新的發展時期，對地下空間定位、導航和授時(positioning,navigation and timing，PNT)技術的需求迫切.我國北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)已于2020 年完成建設，我國也隨之提出了要建設“更加泛在、更加融合、更加智能”的綜合PNT 體系，建設上天入地、全場景覆蓋的時空服務體系，成為新時期時空信息領域發展的目標和方向.在迫切的市場應用需求和國家戰略的雙重推動下，面向室內、地下的遮蔽空間PNT 技術迎來了新的發展契機.遮蔽空間PNT 技術也成為了國內外領域科研機構關注的重點方向，以超寬帶(ultra wide band，UWB)、偽衛星、5G 等為代表的定位技術快速發展，并在一些場景得到了應用.本文將對遮蔽空間定位導航場景需求進行特征分析，對存在的技術挑戰進行說明并對相關技術發展進行展望.

1 遮蔽空間場景及需求分析

1.1 遮蔽空間場景分析

根據衛星導航信號遮擋情況及信號傳播特征，對遮蔽空間劃分為兩大類.

1)衛星導航半遮蔽空間

城市峽谷、山區、叢林等，在這些區域，衛星導航信號受到部分遮擋，導致定位導航信號不連續、定位精度降低甚至定位不可用.

2)衛星導航完全遮蔽空間

因為地形或建筑構造導致完全不能接收衛星導航信號實現定位的空間，這類空間又具體包括以下三類：

①地上室內空間，包括城市樓宇、火車站、候機廳等建筑物內部，空間內無法接收衛星導航信號，但可接收地面室外基站網絡信號實現覆蓋；

②地下空間，包括地鐵、停車場、地下商場等，無法接收衛星導航信號以及地面無線電信號，但可在空間內部架設無線電網絡實現定位導航覆蓋；

③復雜電磁傳播條件下的特殊遮蔽空間，如民用大型工礦、制造車間，以及大型船艇內部等，存在大量金屬遮蔽結構，導致無線電信號傳播效應復雜，無法在內部部署無線電網絡進行定位導航空間.

根據應用條件，遮蔽環境又可以分為合作場景與非合作場景.

合作遮蔽場景，位于己方控制區域，包括己方城市峽谷、茂密叢林、室內地下、己方基地、地下空間、大型船艇內部等，這類場景一般通過建設定位基站網絡，可實現不同精度定位導航保障；

非合作遮蔽場景，位于交戰區域或敵占區，包括陌生山區、峽谷、叢林、洞穴、陌生城市室內地下空間、敵方指揮所、敵方地下基地等，這類場景不具備提前部署固定設施的條件，甚至缺乏有效的地理信息支撐，需要依靠自主傳感手段、機動式網絡實現定位導航保障.

1.2 應用需求分析

在合作場景，主要面向己方地上設施內部、地下設施等，為人員、裝備、車輛等提供定位、位置報告、路徑規劃導航，以及無人駕駛控制等保障.

在非合作場景，根據應用對象以及任務的不同，需要能夠提供不同精度能力的定位導航保障.典型保障需求列舉如下：

1) 集群城市作戰，需要能夠為人員提供室內室外、地上地下多場景連續自適應的定位導航、態勢管控保障；

2) 人員搜救，需要能夠基于通導融合手段，實現遮蔽環境人員定位與位置報告；

3) 無人裝備自主偵察作戰，面向無人機、無人車等提供高精度、高自主、高完好、高智能的定位導航能力保障.

2 技術手段適用性分析

衛星導航遮蔽環境下的定位導航技術主要包括無線電導航、自主傳感導航兩大類.

2.1 遮蔽環境無線電導航

遮蔽環境無線電導航，是通過遮蔽環境中部署固定或機動式無線電定位節點，通過無線電測距、測角、測姿等方式實現不依靠衛星導航的定位能力.

UWB 定位導航技術，是依靠網絡節點收發納秒級窄脈沖信號，實現相互高精度測距、測角，進而實現定位.該技術由于信號體制的原因具有抗多徑能力強、測距精度高、低功耗等優勢，適用于室內地下環境，最高可實現厘米級定位精度.該技術已在民用礦井、工廠、監獄等領域大范圍應用，蘋果、三星等手機已全部內置了UWB 芯片[1-2].

4G、5G 的室內定位導航技術，是基于4G、5G 位置服務信號以及共頻帶測距信號進行基站與用戶間測距實現定位導航的技術.該技術優點是可以通過大量建設的5G 基站網絡，面向用戶提供室內外定位導航服務.受限于信號體制，存在抗多徑能力弱，室內復雜環境定位精度不高等問題[3-4].

室內偽衛星定位技術，是通過偽衛星基站播發北斗系統相同信號實現在一定范圍內衛星導航補充和增強，空基/地基平臺播發偽衛星信號可以實現在北斗受干擾區域提供衛星導航覆蓋，將偽衛星基站部署到室內或城市空間，就可以面向衛星導航用戶室內外連續的無縫導航定位能力，解決城市峽谷和室內定位問題.該項技術原理與衛星導航近似，會受到多徑效應影響，適用于較為開闊、層高較高的室內地下空間，以確保較高信號仰角[5].

此外還有基于Zigbee、藍牙、Wi-Fi 等多種通信網絡的室內定位導航技術，基于通信信號測距實現定位，在民用領域的不同場景下得到應用.

2.2 遮蔽環境自主傳感導航

自主傳感導航，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在陌生環境條件下不依賴衛星導航的定位導航能力.

即時定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技術，通常部署于無人平臺應用，依靠激光雷達或視覺傳感器進行環境信息實時感知，同步完成地圖測繪及平臺定位能力，一般應用于陌生室內地下環境，具有完全自主的突出優勢，在無人駕駛、地圖測繪等領域已得到大范圍應用，但也存在低光照環境使用受限、誤差累計等問題[6].

人員穿戴慣導傳感器，是依靠穿戴式定位模組中的單個或者多個關系傳感器實現不依賴衛星導航的人員自主定位，具有體積小、功耗低、可穿戴、完全自主等優勢，但目前也存在長距離精度下降、使用人員姿態受限等問題[7].

2.3 其他手段

除此之外還有聲學定位與可見光定位等手段，可應用于特殊場景中.

聲學定位是利用聲波信號進行測距和定位，目前通常采用不能被人耳感知的近超聲信號.在室內區域部署多個近超聲基站，使用手機或專用終端與基站進行相互測距，即可定位.在艦艇、工礦企業等金屬結構復雜區域，無線電定位手段精度會惡化甚至不可用，該技術依靠聲信號傳播測量，不受影響，因此仍可以提供亞米級高精度定位能力，同時也具有低成本、低功耗等優勢，但該技術也存在動態定位性能不足、定位范圍較小等問題[8].

可見光定位是以發光二極管為信號光源，可見光波為通信測量載波，自由空間為傳輸信道的通信測量技術，具有傳輸速率高、保密性強、抗電磁干擾強等特點，可以實現照明、通信與定位一體化，但存在定位范圍較小的問題[9].

2.4 適用性分析

在上述各類技術實際使用中，也會結合應用需求，進行多源組合以實現更強的環境適應性及更高的穩定性.典型技術手段特征及適用場景分析匯總如表1 所示.

表1 典型技術手段特征及適用場景分析

3 面臨的問題挑戰

遮蔽空間定位導航，與衛星導航所適用的地表開闊空間相比，面臨空間結構受限、信號傳播受限等挑戰，要實現高精度、高可靠的定位導航能力，還存在眾多難題[10].目前，無線電定位技術在遮蔽空間定位導航領域研究最為活躍，應用最為廣泛，其中又以UWB 技術效果最好，最具有代表性.因此，以UWB技術為例，對遮蔽空間定位導航面臨的問題挑戰進行說明.

3.1 復雜的環境幾何結構帶來影響

室內地下空間是遮蔽環境中最常見的場景幾何，結構千變萬化，類型多樣.存在狹長廊道、多層空間、傾斜隧道、曲折通道等多種不同形式的空間形式，要基于基站網絡實現高精度定位，定位網絡構型如何設計要面臨較大的問題挑戰.

以地下礦井的狹長空間為例，礦井長度可達數十千米，礦井寬度通常小于5 m，以衛星導航為代表的多點定位體制在很多場景下難以適用.

圖1 為模擬地下礦井場景進行仿真分析，場景為長度為100 m、寬度為5 m、高度為5 m 的隧道，以UWB 技術為例，設定測距誤差在0.1 m，在該場景中，四個定位基站部署于空間四角的位置.仿真結果表明，在隧道中間區域定位誤差可在0.5 m內，但在隧道邊緣區域、以及接近基站的位置區域由于幾何分布極端不理想，誤差惡化為2 m 以上，狹長的空間環境給高精度定位帶來了明顯挑戰.

圖1 狹長空間四站三維定位精度

3.2 復雜傳播環境對無線電定位帶來挑戰

遮蔽空間傳播環境的復雜性還體現在環境材質的影響，不同材質的電導率等存在顯著差異，不同的環境材質會對無線電信號傳播產生不同的影響，進而對測距精度帶來較大影響.

仿真構建了一個100 m×3 m×3 m 的狹長空間，位于空間頂部的UWB 基站與人員進行測距定位.圖2針對空間墻壁材質為金屬、混凝土、玻璃、磚的四種情況分別進行仿真試驗.針對該場景，基于MATLAB平臺構建射線追蹤仿真模型，信號帶寬為500 MHz的UWB 信號，信號頻點為3.9 GHz，采用了金屬、混凝土、玻璃、磚的標準介電系數，重點對UWB 信號在不同材質環境下的信道沖擊響應進行仿真分析，并重點分析不同環境材質帶來的多徑信號強度及數量差異.

圖2 狹長隧道場景

不同材質環境下的信道沖擊響應如圖3～6 所示.由圖可知，不同環境材質帶來的多徑信號數量以及多徑信號強度差異明顯，混凝土、玻璃、磚三種材質環境下的多徑數量以及直射徑能量占比基本一致，但金屬材質環境下的多徑信號數量和強度顯著增強.平整的金屬表面發生了類似于鏡面反射的效果，多徑數目明顯多于其他材質，這就導致無線電定位手段在金屬環境下的定位效果較差，甚至完全不可用.如UWB定位手段，在多數室內地下遮蔽場景下都可以依靠其自身優異的抗多徑能力，實現亞米級甚至厘米級定位精度，但在金屬遮蔽環境下，定位精度嚴重惡化.

圖3 混凝土場景信道沖擊響應

圖4 金屬場景信道沖擊響應

圖5 玻璃場景信道沖擊響應

圖6 磚石場景信道沖擊響應

3.3 受限環境下的高可靠定位

遮蔽環境的復雜性、多樣性對高精度定位帶來了巨大挑戰，但同時要在空間狹小、光照受限等不利因素影響下，以室內地下為代表的遮蔽空間，往往存在空間狹小、光照受限等問題，由于環境的復雜性、多樣性要實現高精度定位面臨很大的技術挑戰，但在這類環境下反而需要更為高精度的定位導航能力.國家應急管理部即將發布的《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》及其編制說明，對于井下人員精確定位要求精度優于0.3 m[11-12].面向“無人則安、少人則安”的發展目標，未來要力求依靠完全自動化、智能化裝備，實現地下無人化作業，因此對于定位導航保障的可靠性提出了極高要求.

4 未來系統架構

智慧城市、自動化工廠、大型礦井等是當前遮蔽空間定位導航技術需求最為迫切，也是未來最為主要的典型場景應用.這些場景下的無人駕駛、智能制造、無人作業發展迅猛，但也需要定位導航技術實現跨越和突破，提供更為強有力的技術支撐.面向無人化、智能化發展需求，新一代遮蔽空間PNT 網絡，未來發展應具有的技術能力包括：

1) 高精度：一維/二維定位演進為高精度三維定位；

2) 高并發：新型波形及協議實現大規模多址接入；

3) 低時延：接入控制由云端下放基站，邊緣計算實現低延時定位；

4) 高動態：支持遮蔽空間高動態定位能力；

5) 全場景：多體制定位混合組網實現無縫定位；

6) 高可靠：高完好支持無人化車輛、裝備導航.

要實現上述能力，就需要全新的系統架構、創新的管控機制、彈性伸縮的標準協議支撐，構建更為靈活、可靠、可伸縮的PNT 系統.適應于遮蔽空間的規模可伸縮智能化PNT 系統架構，如圖7 所示.

圖7 規模可伸縮智能化PNT 系統架構

規模可伸縮智能化PNT 系統采用網云端四層架構：

1) 云端智能管控：設計基于數字孿生地圖的精細化管控機制，實現面向業務的系統智能化管控能力，支持網絡資源的智能調配，支持網絡多模基站、大量用戶的接入/退出.

2) 通信網深度融合：設計與移動網絡，工業環網等通信網融合的PNT 系統協議集.梳理現有通信網絡接口，在系統服務模式設計驅動下進行時空服務網絡協議集設計，支持PNT 基站、終端與云端信息交互.

3) PNT 混合組網：高并發高靈活性的基站子網架構與協議設計.子網架構設計與組網機制、UWB對云端以及用戶終端的信號、信息協議設計、高并發低時延用戶服務機制.

4) 多模一體用戶終端：協同設計用戶側時空服務協議.協同設計面向用戶的時空服務協議，對接基站接口、時空服務協議完成終端功能開發.

其中，要適應遮蔽空間的各類復雜環境，多模PNT 基站混合組網極端重要，因此需設計開放式多層規模可伸縮PNT 網絡架構.如圖8 所示，該網絡架構包括PNT-CU(中心單元)、PNT-DU(分布單元)、PNT-PU(物理單元)三層單元；統一時空服務PNT-CU單元，協調管理區域多源異構PNT 網絡基站；統一PNT-DU 單元，完成區域分簇網絡的基站組網、時空統一、定位解算；差異化PNT-PU 單元，完成HNav-UWB(高性能定位導航型UWB)、偽衛星、近超聲等多種異構導航源的信號處理與用戶接入.

圖8 開放式多層規模可伸縮PNT 網絡架構

依托規模可伸縮智能化PNT 系統架構，構建開放式多層統一PNT 網絡，將可以針對各類PNT 基站進行統一部署和協同管理，形成可以適應各類遮蔽空間場景，滿足各類用戶需求的可靠精準定位導航能力.

5 結束語

在室內、地下空間加速開發利用的大背景下，遮蔽空間PNT 技術需求迫切、應用前景廣泛、實現途徑多樣，近年來已經逐步由理論概念走向了應用實踐.各類遮蔽空間PNT 系統不斷涌現，多體制融合的遮蔽空間PNT 將是實現室內、地下空間無人化智能化的基礎支撐和關鍵手段，在智慧城市、無人物流等領域實現廣泛和重要應用，也將會在國家綜合PNT 體系發展建設中發揮不可獲取、難以替代的關鍵核心作用.