神奇！5G+北斗，地下空间导航难题一招解决！

作者：路多，物联网智库 原创

当年诗句中的豪迈篇章已经由神舟号飞船和蛟龙号科考船逐渐实现。且不说“下五洋捉鳖”，生活当中，有时候到了地下车库或地铁就会因为没有网络和导航而抓瞎，给大家的生活带来了一些困扰。

不过，“地下城”世界全面覆盖精准定位和导航指日可待。

就在11月20日，《科技日报》头版头条报道了由北京邮电大学研究团队牵头研发、中国铁塔、雄安新区智能城市创新联合会共同合作的“北斗+5G室分 ”地下空间高精度定位导航系统——该技术让雄安“地下城”拥有精确导航，实现了定位精度2米，建设成本仅为传统地下导航技术一半的目标，攻破了地下精准导航的难题，在世界范围也属首创。

目前，该技术在雄安地下示范应用超过50万平米，预计在2025年，“5G+北斗”导航将覆盖雄安新区所有已建成地下停车场，实现了为雄安地下城导航的愿景。

雄安“三座城”，先建“地下城”

据介绍，雄安新区设立之初就提出地上一座城、地下一座城、“云”上一座城的理念。甚至“地下”的建设优先级要更加靠前——先地下、后地上，合理开发利用地下空间，是雄安新区规划建设的重要理念。

雄安新区规划之初就提出建设的“地下一座城 ”，包括地下综合管廊约380公里、地下停车场超2200万平方米。所谓地下综合管廊就是在城市地下建造一个隧道空间，让电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线住进“集体宿舍”，同时设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施。

除去高标准建设的、埋藏在地下的城市“大动脉”——城市综合管廊外，城市中地下停车场的面积也非常大。例如，在雄安新区首个集中建成区——容东片区，众多小区、楼宇的地下停车场全部连通。在大规模的地下空间中，会有大量的人、车、物流动，初入其中很容易迷路，如何实现精准定位导航成为雄安新区“地下一座城”建设过程中面临的问题。

“地下之城”的精准管理，离不开高精度的定位与导航，而且要求技术新、成本低，能给其他城市建设提供可复制的样本。

为实现地下空间的精准定位导航，2022年，国家重点研发计划设立“交通基础设施”专项，在5G通信与信号定位领域有长期积累的北京邮电大学信息与通信工程学院，成为“雄安新区交通设施数字化建设示范应用”项目的牵头单位，展开“5G+北斗地下空间组合式定位导航”的课题研究，中国铁塔、雄安新区智能城市创新联合会联合参与到项目研究和落地当中。

导航技术、北斗导航与地下导航技术

导航技术简介

导航是利用电学、磁学、声学、光学、力学等方法，通过测量与运载体位置有关的参数来实现对运载体的定位，并从出发点沿预定的路线，安全、准确、经济地引导运载体到达目的地的一门技术。根据导航的信息获取原理（如航标方法、航位推算、惯性原理、无线电传播特性、天体运动规律、人造地球卫星技术、地球表面地形、地貌特征等），可分为观测导航、推算导航、惯性导航、无线电导航、卫星导航、天文导航、地形辅助导航等。

因为此次地下导航技术主要用到北斗的技术，这里对卫星导航进行着重介绍：

卫星导航是利用卫星播发的无线电信号进行导航定位的技术。卫星导航以卫星为空间基准点，向用户终端播发无线电信号，从而确定用户的位置、速度和时间。它不受气象条件、航行距离的限制，且导航精度高。

目前，全球有四大卫星导航系统：

全球定位系统GPS，是目前应用最广泛的卫星导航系统，是由美国在上世纪70年代研制，1994年建成，定位精度可达到厘米量级；

俄罗斯GLONASS卫星导航系统，定位精度在10米左右，苏联在上世纪70年代启动建设；

北斗卫星导航系统BDS，定位精度在米量级，11月16日正式加入国际民航组织（ICAO）标准，成为全球民航通用的卫星导航系统；

欧洲伽利略（Galileo）卫星导航定位系统，精度也在20厘米左右，由欧洲航天局在2016年创建上线。

而对于导航技术的衡量标准有如下六项：

精度。这是我们最容易理解的，精度指的是导航系统为运载体所提供的位置与运载体当时的真实位置之间的重合度，误差越小，满开始越高；

覆盖范围。指在空间当中导航系统能以规定精度确定运载体的位置，该参数受发射信号功率、接受机灵敏度、传播环境，几何关系等影响；

连续性。指运载体在某特定运行阶段，导航系统能提供规定的定位引导功能而不发生中断的能力，该指标表明了导航系统可连续提供导航服务的能力；

可用性、可靠性。可用性指导航系统为运载体提供可用的导航服务的时间百分比，可靠性是指导航系统在给定的使用条件下在规定的时间内以规定的性能完成其功能的概率，它表明系统发生故障的频度。

信息更新率。指导航系统在单位时间内提供定位或其他导航数据的次数，单位是Hz；

系统容量。指导航系统可以同时供多少运载体使用的能力，分为无限系统容量和有限系统容量两种。

无疑，我国自主研发的北斗导航系统在技术水平和项目指标以及自研程度上都成为了项目的首选。

北斗导航介绍与“地下城”导航实践

北斗导航系统经历了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统，向全球提供服务。

和其他卫星和星座不同的是，北斗卫星具有鲜明的特点：1.北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。2. 北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。3. 北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、精准位置报告和短报文通信服务五大功能。

在汶川地震和四川雅安地震时，救灾部队正是凭借着北斗终端机中的短报文通讯技术打通了震区内外的联络通道。据悉，短报文技术类似于手机短信。最初北斗一号及北斗二号只支持传输120个汉字，北斗三号建成后，北斗导航系统已经支持传输1000个汉字，还可传输语音和图片。

北斗在地下导航领域不光在雄安落地，深埋北京地下的管线，借助北斗实现了精准管理。基于北斗的精准位置信息以及物联网等技术研发的管理平台，能为地下管线的“运行体征”进行24小时智慧“诊脉”。“对于管理人员来说，就如同脚下的玻璃一般透明。”

根据《2023中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》介绍：2022年国内卫星导航与位置服务市场整体稳定，根据中国卫星导航定位协会研究分析，2022年国内卫星导航定位终端产品总销量约3.76亿台/套，其中具有卫星导航定位功能的智能手机出货量达到2.64亿部，车载导航仪市场终端销量超过1200万台，包括物联网、穿戴式、车载、高精度等在内的各类定位终端设备销量超过1亿台/套。

回到这个项目上来，在“5G+北斗”导航技术项目研发之初，路兆铭团队几乎考虑了所有成熟技术手段的可能性，包括蓝牙、Wi-Fi、室内北斗导航基站等等，由于建设和配置成本较高，推广示范作用不大而被筛掉。

后来，他们发现可以利用现有的4G/5G的室内分布系统，在5G基础设施上混搭北斗卫星导航信号，无需重建基础设施，只用一个简单的“加法”，就让北斗信号“混”入5G信号，构建出了一个精准的地下定位导航系统。

他们分析两路信号的互调干扰模型，将蜂窝网络与北斗信号这两个看似不可调和的信号融合，成功将北斗信号引入地下；面对精度问题的挑战，他们同样创建了数据模型，以位置观测源带来的多方数据提升整体的测量精度。

此外，团队创新性地提出由信号SLAM（即时定位与建图）架构的“5G+北斗组合式定位算法”，实现时空信息融合，使室内分布系统支持地下1米精度的定位与导航。

该项目主要实现了以下技术突破：

一是，地下空间卫星信号受到遮挡，传统的卫星定位手段在地下不能发挥作用，北邮方案利用北斗室分单元，将北斗信号汇入5G室分系统，成功将北斗信号引入地下，解决了地下空间没有北斗信号覆盖的问题；

二是，手机终端本身性能受限，利用手机终端在地面上只能达到10几米的精度，如何能把定位精度做到车位级，是面临另外一个难题，北邮方案基于团队提出的协作式信号SLAM框架，将北斗观测、5G观测、手机惯导观测等综合考虑，通过时空域上的融合，实现车位级别的定位精度。

总而言之，北斗信号和5G室内分布系统的结合，为地下高精度定位导航打开了一扇新门。

5G+北斗组合式定位算法将北斗卫星导航信号、5G信号、加速度计等多源位置观测信息融合在一起，精确解算出车辆的当前位置。如今，利用“5G+北斗”定位导航技术，在雄安新区可实现停车场人员和车辆准确位置导航。路兆铭介绍，这套技术还可以被集成到百度地图、高德地图、雄安行等应用程序中。

地下导航技术一览

熟悉表计类产品的朋友肯定了解，这些平时就埋在地下、犄角旮旯的设备，对于信号传输有较高的要求。地下导航也一样，蓝牙、Wi-Fi 、UWB （超宽带，Ultra Wideband）等技术都要根据情况为设备招呼上，从卫星导航信号的角度来讲，这类场景被称为遮蔽空间，地下空间属于卫星导航完全遮蔽空间，尽管无法接收卫星导航信号和地面无线电信号，但是可以在空间内容假设无线电网络实现定位导航覆盖。

卫星导航遮蔽环境下的定位导航技术主要包括无线电导航和自主传感导航两类：

无线电导航，是通过遮蔽环境中部署固定或机动式无线电定位节点，通过无线电测距、测角、测姿等方式实现不依靠卫星导航的定位能力。典型技术手段有UWB、4G/5G室内定位导航技术、室内伪卫星定位技术，以及Zigbee、蓝牙、Wi-Fi等多种通信网络。

自主传感导航，是依靠惯性测量单元 (inertial measurement unit，IMU)、激光雷达、视觉传感器等手段实现在陌生环境条件下不依赖卫星导航的定位导航能力。其技术手段主要来自视觉传感器、激光雷达等传感设备，通过即时定位与地图构建（SLAM）技术获得定位能力，类似的还有声学定位和可见光定位。

看到这里，我们再对照雄安“地下之城”导航项目建设描述，就清楚该团队是采用了无线电导航与自主传感导航相结合的方式，综合上述技术手段的优势所在，实现高精度、更多覆盖以及更高的集成程度。

各种技术手段的适用场景和优缺点如下：

图片来源：遮蔽空间定位导航技术特征分析与发展综述，鲍亚川，杨梦焕等，2023

此外， 基于宇宙射线的μ子导航和量子导航技术也是定位和导航技术的新的方向，具有极大的发展潜力。

基于宇宙射线的 μ 子导航，能够实现在室内、地下、水下环境的高精度导航，降低环境对于导航工作的影响。东京大学开发的一种基于宇宙射线产生的高能粒子导航系统首次在地下成功测试。未来，这项技术有望可用来引导地下或水下机器人，甚至帮助倒塌矿井或建筑物的搜索救援工作。

量子导航技术也是近年来备受关注的一项技术手段，它具有精度高、抗干扰、安全性强等特点，是最有希望弥补卫星导航技术缺陷的技术之一。量子导航可分为基于测距体制的星基量子导航系统、基于角运动/线运动测量的量子惯性导航、基于量子重力测量的匹配导航等技术。量子测距定位技术理论上可突破传统测量精度极限，实现优于 1cm 的定位精度，不过，目前该技术还需要相关量子框架体系以及经典卫星导航的支持。

写在最后

如今，许多从前的“不可能”都变成了可能，也许在不久的将来，随着通信技术的加速迭代发展，网络、导航技术都将会像空气一样，装满世界的每个角落。

参考内容：
1.巧借5G设施，将北斗导航延伸至地下，科技日报，2022
2.为“地下之城”精准导航，科技日报，2023
3.“三个雄安”打造未来之城 http://www.xiongan.gov.cn/2023-05/03/c_1212173489.htm
4.《北斗卫星导航原理与系统》范录宏
5.北斗技术官网，系统介绍：http://www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
6.Liu Y, Wang L, Lu Z, et al. A Stateless Design of Satellite-Terrestrial Integrated Core Network and its Deployment Strategy[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2023.
7.《2023中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》，中国卫星导航定位协会
8.《遮蔽空间定位导航技术特征分析与发展综述》
9.Tanaka H K M, Gallo G, Gluyas J, et al. First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments[J]. iScience, 2023.