室內(nèi)室外無縫連接 開啟全球萬物互聯(lián)
——鄧中亮教授團(tuán)隊致力“羲和計劃”高精度無線網(wǎng)絡(luò)定位項目紀(jì)實

●　文 |　文亮

導(dǎo)航與位置服務(wù)是國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會民生依賴的重大基礎(chǔ)設(shè)施。目前全球已有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但是室內(nèi)無信號，人們80%的時間在室內(nèi)，在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，70%的基于手機(jī)對話連接和消費(fèi)、支付行為及80%的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入都發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)3D位置數(shù)據(jù)成為物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)的重要支撐。室內(nèi)定位導(dǎo)航面臨重大難題。

無線網(wǎng)絡(luò)定位屬于非衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了20多年的探索，前10年，主要研究地面廣域無線網(wǎng)定位，但難以提高精度。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，后10年，主要研究局域網(wǎng)定位技術(shù)，但覆蓋范圍小。廣域網(wǎng)定位雖然覆蓋面積大，但精度在百米量級；局域網(wǎng)定位技術(shù)雖然精度較高，但規(guī)模應(yīng)用成本高。無法同時滿足覆蓋面積大、定位精度高的兩個條件。如何實現(xiàn)廣覆蓋、高精度、低成本定位成為國際性難題。

一、創(chuàng)建廣域無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位理論

北京郵電大學(xué)鄧中亮教授團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)信號突變現(xiàn)象，創(chuàng)建了廣域無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位理論方法，解決了無線多徑測量定位的難題。在無線網(wǎng)絡(luò)定位基礎(chǔ)之上，發(fā)明了多網(wǎng)多源融合定位新技術(shù)，解決了無線信號盲區(qū)定位問題，通過理論方法、關(guān)鍵技術(shù)的突破，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)定位導(dǎo)航綜合工程應(yīng)用，在國家重大工程建設(shè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

室內(nèi)、室外定位環(huán)境的主要區(qū)別是，室外白區(qū)多，灰區(qū)、黑區(qū)少；室內(nèi)灰區(qū)、黑區(qū)多，白區(qū)少。白區(qū)：遮擋基本無遮擋，定位精度高；灰區(qū)：存在遮擋，定位精度低；黑區(qū)：遮擋嚴(yán)重，難以解算位置。為了解決無線網(wǎng)在建筑地下空間、復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間信號衰減快、盲區(qū)多的問題，鄧中亮教授團(tuán)隊創(chuàng)建虛擬網(wǎng)格差分定位理論方法，發(fā)明了“定位-通信”融合測量方法，創(chuàng)新了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合定位技術(shù)，室外定位3D精度優(yōu)于1m，室內(nèi)定位精度水平1～3m、垂直1m，首次實現(xiàn)廣域網(wǎng)精確區(qū)分樓層，超越了美歐日的室內(nèi)法定標(biāo)準(zhǔn)和公開最好的定位精度，推進(jìn)了廣域室內(nèi)定位、物聯(lián)網(wǎng)新發(fā)展。

▲　羲和系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

二、投身羲和系統(tǒng)建設(shè)

鄧中亮教授團(tuán)隊致力于實施“羲和計劃”室內(nèi)定位項目，并突破了廣域無線網(wǎng)高精度定位瓶頸，實現(xiàn)廣覆蓋、高精度、低成本定位，得到國內(nèi)外導(dǎo)航界的認(rèn)可和應(yīng)用，使我國廣域無線網(wǎng)定位技術(shù)躋身國際先進(jìn)行列。

羲和系統(tǒng)是由國家提供政策和資金，建立國家級地面室內(nèi)外無縫隙定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)室外亞米級、室內(nèi)優(yōu)于1m的定位能力。截至2016年底，示范工程由公共管理向個人應(yīng)用過渡，用戶量達(dá)到千萬。預(yù)計2020年實現(xiàn)“百城億戶”，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益數(shù)十億，拉動經(jīng)濟(jì)效益百億。

在國家應(yīng)用方面，完成廣域定位網(wǎng)建設(shè)，并在全國多個省市重點(diǎn)地區(qū)建立了位置動態(tài)感知平臺，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)授權(quán)終端的位置監(jiān)測，成為各行業(yè)管理平臺的基礎(chǔ)信息。形成了位置服務(wù)行業(yè)新業(yè)態(tài)，完成多項示范工程，包括商場/超市超過五千個，航空港超二十個，及地鐵交通、災(zāi)害救援、消防搶險。實時監(jiān)測商場人員位置，服務(wù)能力達(dá)數(shù)十億人次/天，精度優(yōu)于1m,滿足了大規(guī)模并發(fā)的室內(nèi)三維定位導(dǎo)航需求。

在室內(nèi)外應(yīng)用方面，開展了定位卡機(jī)消防定位應(yīng)用。在手機(jī)應(yīng)用方面，研發(fā)了多款定位軟件，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用。“羲和計劃”的實施，引起了美國軍方和有關(guān)國家高度重視，并被多個國家和香港地區(qū)應(yīng)用。應(yīng)用于國際重大會議、活動如北京、倫敦、里約奧運(yùn)會，上海世博會及北京APEC會議。

與國際同類通信制式的網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)對比，顯著優(yōu)于國內(nèi)外定位精度。與國際室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)相比，建設(shè)成本極低。

世界高度關(guān)注TC-OFDM移動無線網(wǎng)絡(luò)定位，并給予了積極評價。美國國防部認(rèn)為中國“羲和計劃”提升了北斗/GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的室內(nèi)外定位精度與服務(wù)能力。北斗重大專項總體專家組認(rèn)為該項目是導(dǎo)航技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破，提升了北斗產(chǎn)業(yè)應(yīng)用競爭能力。項目鑒定專家組認(rèn)為總體技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，對提升我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的核心競爭力具有重要意義。國家民航局鑒定專家組認(rèn)為基于位置的機(jī)場空間數(shù)據(jù)融合等方面達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。意大利導(dǎo)航專家認(rèn)為通過移動通信網(wǎng)增強(qiáng)室內(nèi)外環(huán)境下的定位能力，是導(dǎo)航科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步；美國信息系統(tǒng)協(xié)會主席認(rèn)為其能提供更廣泛的服務(wù)能力。

羲和系統(tǒng)獲得授權(quán)國家發(fā)明專利超過三百項，其中國際專利十余項，制定國際、國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)近三十項，發(fā)表論文六百余篇。鄧中亮教授以第一完成人分別于2010年、2014年獲國家科技進(jìn)步二等獎 2 項，2017年國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項。鄧中亮教授榮獲2016年光華工程科技獎和全國優(yōu)秀科技工作者，被評為 2014年全國十大科技創(chuàng)新人物。

▲　羲和系統(tǒng)的應(yīng)用效果

三、羲和系統(tǒng)研究成果引人關(guān)注

近兩年來，羲和系統(tǒng)的研究方向和領(lǐng)域得到了大幅擴(kuò)展。

1.國家室內(nèi)位置服務(wù)立法研究

“羲和計劃”先后被列入《衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃》《室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航白皮書》以及《導(dǎo)航與位置服務(wù)科技發(fā)展“十三五”專項規(guī)劃》。研究我國110、119、120應(yīng)急救援的室內(nèi)位置服務(wù)立法，提供技術(shù)支持與應(yīng)用建議，協(xié)助我國定位導(dǎo)航法律建設(shè)。

2.國防非衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用研究

現(xiàn)代戰(zhàn)爭高邊疆斗爭激烈，研究戰(zhàn)時與北斗/近軌野戰(zhàn)星座相適應(yīng)的“機(jī)動型廣域無線網(wǎng)”的導(dǎo)航應(yīng)用，平時用于抗災(zāi)搶險、生命救援等行動。

3.北斗海洋工程定位關(guān)鍵技術(shù)

島礁防御、填海工程、島礁監(jiān)測與建設(shè)迫切需要分米級高精度定位。創(chuàng)新建立北斗遠(yuǎn)海域定位導(dǎo)航與通信融合技術(shù)體系，突破北斗海上惡劣環(huán)境下無基準(zhǔn)站定位3～5m精度的瓶頸，定位精度達(dá)厘米級。鑒定委員會意見認(rèn)為，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中多元精度因子（MDOP）選星模型、智能分包的北斗短報文集群式通信方法等為國際首創(chuàng)。

4. 5G移動網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究

室內(nèi)混合智能定位與室內(nèi)GIS技術(shù)研究及示范應(yīng)用獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃支持，正在開展制定5G定位相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5.多源信號高精度定位

將高精度定位能力擴(kuò)展至波長為100m至0.01m無線電磁波（雷達(dá)、紅外、WiFi、廣播、電視、通信等），實現(xiàn)能通信就能精確定位的目標(biāo)。