導航與位置服務現(xiàn)狀與發(fā)展

● 文| 北京郵電大學 鄧中亮

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導航與位置服務現(xiàn)狀與發(fā)展

● 文| 北京郵電大學 鄧中亮

導航與位置服務攸關(guān)國家安全、經(jīng)濟發(fā)展和社會民生，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、救災減災等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的基礎性支撐作用。如何高效利用衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡資源，提升導航與位置服務能力，已成為了世界各國科技經(jīng)濟競爭熱點。

一、室內(nèi)外無縫位置服務需求爆發(fā)增長

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)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(nèi)環(huán)境（含地下、礦井、隧道等），對室內(nèi)外高精度定位導航的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢。

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，需要對消防員、被困人員及消防設施進行精確的室內(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、上億學齡兒童需要基于位置的關(guān)愛服務，在被監(jiān)護人出現(xiàn)緊急情況時（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余個火車站，160余個民用機場，上千個地鐵站，每個車站人流量可達數(shù)十萬/天，安全管理問題復雜，需要對人員進行定位，對人流量進行統(tǒng)計，對應急疏散路徑進行引導，對危險人員進行監(jiān)控。

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

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

7）在商場導購方面，我國擁有數(shù)千個大型購物廣場，最大達120萬平方米，日消費者超20萬人，需要通過位置服務，向顧客提供便捷的精準導購服務。

8）在車輛導航方面，我國擁有大型室內(nèi)停車場車位不計其數(shù)，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(nèi)外無縫導航轉(zhuǎn)變，室內(nèi)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。

9）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4億，近三年年增長率超過100%，形成個人導航、地點交友（如微信搖一搖）、即時通信、以地理位置為基礎的社交等服務。

二、精準定位成為國際科技競爭制高點

室內(nèi)外高精度位置服務技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)、移動通信發(fā)展最快的新一代信息技術(shù)，已成為國際科技經(jīng)濟競爭制高點。為實現(xiàn)精確定位與服務，美國國防部高級計劃研究局（DAPAR）于2013年制定 “洞悉戰(zhàn)場”計劃，提出建設更精確鎖定位置的打擊系統(tǒng)；2013年美國通委會提出“下一代911項目”，要求實現(xiàn)精度在60m以內(nèi)的精確位置服務；德國電信于2011年將高精度的位置服務定位作為未來移動通信服務的核心；日本于2009年頒布了緊急呼叫法案，要求室內(nèi)位置服務達到10m以內(nèi)。我國在《國家衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》和《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》任務中明確提出加快室內(nèi)位置服務建設，科技部開展“羲和”重大計劃，重點建設室內(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，故無定位能力。衛(wèi)星信號因穿透損耗、多徑干擾等，室內(nèi)GPS信號強度遠低于GPS ICD最小-160dBW的要求，因此室內(nèi)無定位信號覆蓋，即存在室內(nèi)最后一公里不能定位的問題，不能實現(xiàn)室內(nèi)外高精度位置服務。

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）、射頻標簽（RFID）、紫蜂（Zigbee）、藍牙（Bluetooth）、超寬帶無線電（UWB）、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(tǒng)單設備覆蓋能力受限，室內(nèi)外高精度位置服務需高密度布設，位置服務運行維護難。

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安裝位置和定位臺接收到的AP地址，實現(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，不能精確計算用戶距AP的距離，定位誤差通常達10～20m；第二類則采用WiFi無線信號接受信號強度指示（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，對數(shù)據(jù)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(shù)與WiFi定位技術(shù)相似，是基于IEEE802.15.4標準的局域網(wǎng)定位技術(shù)，精度可達3m，但由于信號強度受環(huán)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(tǒng)根據(jù)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(xiàn)米級定位精度需要布設大量參考標簽，難以實現(xiàn)大范圍推廣應用。

藍牙定位與WiFi定位相同，其優(yōu)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大量普及。但藍牙節(jié)點遠不如WiFi無線AP普及，因此其應用普及程度不及WiFi定位系統(tǒng)。

UWB 用于定位具有偽距測量精度高、抗多徑干擾能力強的優(yōu)勢，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)目前遠不及其他系統(tǒng)普及，且作用距離僅為10 m量級，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)的測量不確定性

傳統(tǒng)移動通信與廣播網(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(wǎng)絡信號覆蓋良好，因此可對室內(nèi)用戶進行定位。目前，GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 等在網(wǎng)運行的系統(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（PRS），用于偽距測量及定位。已有的移動通信基站定位系統(tǒng)包括小區(qū)識別碼（Cell-ID）定位、環(huán)路往返時延（RTD）定位、上行鏈路信號到達時間（TOA）定位方法、上行鏈路信號到達時間差（TDOA）方法以及信號到達角度（AOA）定位方法、高級前向鏈路三角定位（AFLT）、下行鏈路增強觀測時間差定位方法（E-OTD）、下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法（OTDOA-IPDL）等。移動通信基站定位系統(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(shù)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50~300m），無法實現(xiàn)米級高精度室內(nèi)定位。

四、“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務系統(tǒng)

針對室內(nèi)外高精度無縫定位與服務中面臨的關(guān)鍵問題，在科技部“羲和”重大計劃支持下，北京郵電大學牽頭，聯(lián)合多家單位，基于通信網(wǎng)絡與衛(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)外導航與位置服務關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化研究，構(gòu)建了“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務平臺，如圖1所示。

圖1　“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務平臺架構(gòu)圖

“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務平臺攻克了通信網(wǎng)建筑內(nèi)“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(wǎng)增強、反散射聚合三維定位理論方法與架構(gòu)、導航與通信一體化信號體制（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航路徑動態(tài)規(guī)劃，實現(xiàn)了建筑空間高精度導航；創(chuàng)新了移動通信、廣播、無線網(wǎng)和衛(wèi)星導航等多資源融合高精度定位技術(shù)，運用地面通信網(wǎng)，采取覆蓋優(yōu)化、差分測高、多址管理、耦合測距、集成使用等創(chuàng)新方法，實現(xiàn)大型建筑群內(nèi)對人與物體的“米級”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)導航與位置服務系統(tǒng)由TC-OFDM基站（含激勵器研制、時間同步設備研制、發(fā)射機研制及整機集成等）、室內(nèi)增補系統(tǒng)、移動定位終端、消防終端、網(wǎng)絡側(cè)位置服務平臺組成，提供高精度室內(nèi)外無縫隙的位置服務能力。

結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)，在空間信息模型基礎上添加定位導航數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建起面向室內(nèi)定位導航的立體單元網(wǎng)格空間信息模型，地圖存儲空間減小到原先的1/5；實現(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)有標準在室內(nèi)定位及位置服務中應用接口不足的問題，滿足室內(nèi)地圖匹配及位置服務需求，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、商業(yè)大數(shù)據(jù)應用、航空物流、應急救援四類位置服務平臺，實現(xiàn)了精確定位導航、實時跟蹤、動態(tài)監(jiān)測與大數(shù)據(jù)分析服務，大幅提升了位置服務能力。

五、室內(nèi)外高精度位置服務應用

利用“羲和”計劃的研究成果，已成功開展了上百項應用推廣，產(chǎn)品遍及我國40多個城市，用戶達數(shù)千萬，部分產(chǎn)品出口多個國家和地區(qū)。

（1）公共服務與管理領(lǐng)域的導航定位應用

在萬達廣場、西單大悅城、首都機場、國內(nèi)外多個校園等成功開展了緊急呼救、保險救援、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、精準營銷、技偵跟蹤、預警、精細管理、實時交通、停車場管理等多領(lǐng)域的位置服務應用。

（2）應急救援領(lǐng)域的導航定位典型應用

開展了應急救援應用示范，研發(fā)消防導航定位裝備，能夠精確掌握受災建筑中人員分布情況，解決救援盲區(qū)，大幅提升救災人員的救援能力，減少人員傷亡，實現(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）機場位置感知應用

在我國多個機場，通過建立多元室內(nèi)定位系統(tǒng)，根據(jù)旅客位置進行情景識別，主動提供服務信息和商業(yè)推薦，不但滿足乘客的乘機旅行需求，充分利用機場服務資源，給每個旅客提供個性化的服務指導與賓至如歸的機場體驗，提升首都機場的飛行經(jīng)濟效益。

（4）公共安全監(jiān)控和區(qū)域管理應用

在多個大型會議(如北京APEC會議等)和全國多個省應用“媒體—位置偵測服務系統(tǒng)”，實現(xiàn)偵測工作任務指派，巡檢路線設置，實時監(jiān)控、預警、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）基于時空關(guān)聯(lián)的商業(yè)大數(shù)據(jù)分析應用

針對現(xiàn)階段商業(yè)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的不足，建立基于空間多維數(shù)據(jù)的連鎖效應模型，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，提高數(shù)據(jù)使用效率與價值，如圖3所示。

圖3　多維度數(shù)據(jù)關(guān)系網(wǎng)

六、室內(nèi)外位置服務發(fā)展趨勢

未來室內(nèi)位置服務技術(shù)將依據(jù)國家戰(zhàn)略布局和國際科技競爭熱點，繼續(xù)向深空、深地、深海等方向擴展，助推導航與位置服務技術(shù)發(fā)展。

趨勢一：室內(nèi)位置服務將面向空天地一體化、通信與導航體制融合，實現(xiàn)衛(wèi)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(yè)信息等全息地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)虛擬化、彈性可恢復的、協(xié)同的、模塊化的服務體系結(jié)構(gòu)，全天候、全地域地提供高精度、無縫隙的位置服務。

趨勢二：突破定位精度、范圍及成本之間的矛盾。實現(xiàn)高精度、低成本、廣覆蓋的室內(nèi)外無縫隙位置服務。

趨勢三：挖掘4G時代的導航通信融合新業(yè)務。新型導航與通信網(wǎng)絡將承載高清視頻監(jiān)控、3D視頻點播、實景地圖、3D地圖等高速率業(yè)務。

趨勢四：加速導航與位置服務標準化。從基礎設施、共性關(guān)鍵技術(shù)、應用與服務等多方面，加快制定相關(guān)的國家、行業(yè)標準與政策。

結(jié)束語

室內(nèi)位置服務用戶需求呈爆發(fā)式增長趨勢，通信的廣泛性為導航與位置服務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，定位導航與通信趨向于一體化是一條投資少、建設快的導航與位置服務發(fā)展之路，融合衛(wèi)星導航與地面通信網(wǎng)絡資源，對提升北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在經(jīng)濟、軍事、國防等方面的服務能力具有重要意義。

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