基于基合導(dǎo)航系統(tǒng)和NB-IoT的北斗高精度導(dǎo)航定位服務(wù)云平臺(tái)

譚華，張光華

（1.中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.深圳思凱微電子有限公司，廣東 深圳 518055）

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于精度技術(shù)指標(biāo)低、系統(tǒng)成本高等原因，不能滿足民用行業(yè)的低成本高精度的定位業(yè)務(wù)需求。衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“能力倍增器”，其通過(guò)差分?jǐn)?shù)據(jù)（RTK）來(lái)計(jì)算修正定位偏差，是解決高精度定位通用可行的方案。

圍繞高精度、低成本的民用定位需求，本文創(chuàng)新性地提出利用北斗地基增強(qiáng)技術(shù)的基合導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS-CDRadio），廣播發(fā)送北斗衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)信號(hào)來(lái)提供差分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合NB-IoT物聯(lián)通信模塊，實(shí)現(xiàn)高精度定位、行業(yè)傳感數(shù)據(jù)等信息上傳云平臺(tái)，可為眾多行業(yè)提供低成本高精度的定位服務(wù)。

2 高精度定位需求的分析

北斗系統(tǒng)可通過(guò)地基與星基增強(qiáng)系統(tǒng)為用戶提供實(shí)時(shí)的亞米級(jí)、厘米級(jí)的定位導(dǎo)航服務(wù)，因?yàn)樵谡补芾聿块T(mén)、交通物流、農(nóng)林漁業(yè)等行業(yè)中存在大量的低成本、高精度的實(shí)時(shí)定位服務(wù)場(chǎng)景需求。

高精度衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的下游用戶眾多，有從事測(cè)繪工作的測(cè)繪院、規(guī)劃院、建筑單位等地理位置的高精度定位需求；有社區(qū)公共管理、電網(wǎng)、燃?xì)獾热粘Ｉa(chǎn)管理的高精度定位需求；有國(guó)土、民政等政府部門(mén)為地質(zhì)災(zāi)害防治需要的高精度位移監(jiān)測(cè)需求；有農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)公司的農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛配套的高精度定位需求；有交通物流行業(yè)的車道級(jí)導(dǎo)航需求；有無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛汽車的高精度定位導(dǎo)航需求等。

定位服務(wù)方式也出現(xiàn)了云平臺(tái)化與共享化的趨勢(shì)。以前的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)，通常是行業(yè)客戶自行研發(fā)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，隨著云技術(shù)的普及與專業(yè)分工的加深，客戶將專注于本身核心業(yè)務(wù)的發(fā)展，逐步將通用的能力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)外包，調(diào)用由專業(yè)的第三方提供的定位運(yùn)營(yíng)與服務(wù)能力。當(dāng)前，基于共享的定位服務(wù)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)的需求越來(lái)越明確，平臺(tái)型定位運(yùn)營(yíng)服務(wù)的發(fā)展將逐漸成熟，成為定位產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。

3 高精度定位技術(shù)分析

3.1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）是一種在航空領(lǐng)域廣泛使用的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)地球靜止軌道衛(wèi)星搭載導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息。

近年來(lái)星基增強(qiáng)系統(tǒng)也在向低軌方向發(fā)展，可提供更高的定位精度和更強(qiáng)的地面信號(hào)強(qiáng)度。該系統(tǒng)在航空航海等開(kāi)闊區(qū)域具備應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在城市環(huán)境中，由于信號(hào)弱，樓宇遮擋嚴(yán)重，其應(yīng)用場(chǎng)景有一定的局限性。

3.2 通用的地基增強(qiáng)系統(tǒng)

相比星基增強(qiáng)系統(tǒng)，地基增強(qiáng)系統(tǒng)不僅能夠提高定位的精確度，還能提高接收終端的靈敏度。早期使用的廣域地基增強(qiáng)系統(tǒng)是A-GPS，它基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，采用云平臺(tái)計(jì)算高精度定位數(shù)據(jù)。A-GPS通過(guò)導(dǎo)航輔助技術(shù)可有效減少導(dǎo)航接收機(jī)首次定位所需的時(shí)間，提高接收機(jī)靈敏度，但存在定位精度不夠穩(wěn)定等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要有千尋位置服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將分布在全國(guó)的基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)接收到的北斗、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)專網(wǎng)傳送至集中的數(shù)據(jù)中心，經(jīng)解算后再通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)，用戶可根據(jù)需要獲取實(shí)時(shí)亞米級(jí)、厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)精度的位置服務(wù)。千尋位置服務(wù)系統(tǒng)基本解決了地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)覆蓋的問(wèn)題，但其采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)，存在傳輸時(shí)延大、流量費(fèi)用高的問(wèn)題。

3.3 基合導(dǎo)航的地基增強(qiáng)系統(tǒng)

相較于前面兩種系統(tǒng)，基合導(dǎo)航的地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗創(chuàng)新的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，其使用處于較低頻段的調(diào)頻廣播播發(fā)北斗差分修正數(shù)據(jù)，具有傳播距離遠(yuǎn)、繞射和穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)。

這種共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播技術(shù)通過(guò)使用非規(guī)則頻譜分配、調(diào)頻發(fā)射機(jī)干擾預(yù)消除、LDPC糾錯(cuò)編碼、時(shí)間分片等關(guān)鍵技術(shù)，利用現(xiàn)存模擬頻段間的頻譜間隙，提高了接收靈敏度，改善了干擾環(huán)境，使數(shù)字信號(hào)可以“寄生”在一個(gè)模擬調(diào)頻電臺(tái)的頻段內(nèi)。共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播技術(shù)在300 kHz的頻寬內(nèi)與原有模擬調(diào)頻信號(hào)同播，共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率約24 kb/s，除用于播發(fā)北斗衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)的開(kāi)銷之外，剩余帶寬可開(kāi)展文本、圖片傳送等增值服務(wù)?；蠈?dǎo)航的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，讓高精度、低成本定位服務(wù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

基合導(dǎo)航系統(tǒng)和NB-IoT技術(shù)相結(jié)合的定位解決方案，能提供北斗高精度定位服務(wù)云，將解決高精度、低成本的定位需求。解決方案主要有三個(gè)功能部分：NB-IoT物聯(lián)終端部分、北斗地基增強(qiáng)部分和公共運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)部分。其中物聯(lián)終端部分包括通信模塊、MCU處理部分、傳感采集部分、接口部分、電源管理等。北斗地基增強(qiáng)部分包括共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播信號(hào)傳輸北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)、共生調(diào)頻廣播激勵(lì)器和用戶信號(hào)接收模塊等，公共運(yùn)營(yíng)管理部分主要包括終端設(shè)備管理云平臺(tái)和公共服務(wù)能力開(kāi)放平臺(tái)。

4.1 NB-IoT物聯(lián)終端方案

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱為低功耗廣域網(wǎng)。我國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商正在推廣NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層采用PSM和eDRX功能可減少功耗，終端設(shè)備待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)連接高效。相較于2G/3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT具有廣覆蓋、海量連接、更低功耗、更低硬件成本等優(yōu)勢(shì)，其中單個(gè)NB-IoT通信模塊的價(jià)格已降到30元左右，并在持續(xù)走低。

NB-IoT物聯(lián)硬件終端與基合導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)高精度定位數(shù)據(jù)的傳輸交互。NB-IoT終端為數(shù)據(jù)傳輸提供了無(wú)線傳輸協(xié)議封裝和數(shù)據(jù)處理功能，定位采集傳感數(shù)據(jù)并上傳平臺(tái)，也可對(duì)接多參數(shù)數(shù)據(jù)采集，終端同時(shí)帶有MCU，具有網(wǎng)管監(jiān)控能力和邊緣計(jì)算能力。在高精度定位實(shí)現(xiàn)方案中，NB-IoT終端將實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)高精度定位數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)時(shí)將高精度位置和運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)上傳平臺(tái)；

（2）自動(dòng)化監(jiān)控及管理，可設(shè)定與相關(guān)業(yè)務(wù)相結(jié)合的報(bào)警等組合條件；

（3）可根據(jù)行業(yè)用戶需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

NB-IoT終端硬件方案示意圖如圖1所示。

4.2 北斗地基增強(qiáng)技術(shù)方案

基合導(dǎo)航的北斗地基增強(qiáng)技術(shù)借助廣播系統(tǒng)進(jìn)行北斗地基增強(qiáng)領(lǐng)域的差分修正數(shù)據(jù)播發(fā)，基合導(dǎo)航系統(tǒng)短時(shí)延下傳差分?jǐn)?shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)乃至高動(dòng)態(tài)下的實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位，具有泛在、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，同時(shí)沒(méi)有移動(dòng)通信流量費(fèi)用的開(kāi)支，不存在移動(dòng)用戶數(shù)量受限等問(wèn)題，是對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)信息傳輸機(jī)制的一種創(chuàng)新，其主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于：

（1）解決了300 kHz帶內(nèi)調(diào)頻和數(shù)據(jù)廣播的“數(shù)模同播”技術(shù)問(wèn)題

調(diào)頻廣播數(shù)字化主要的技術(shù)方案有DAB和HD Radio。DAB是歐洲數(shù)字音頻廣播，需重新劃分廣播頻道資源，性價(jià)比不高。美國(guó)的數(shù)模同播技術(shù)HD Radio，在模擬調(diào)頻信號(hào)旁的上下邊帶嵌入數(shù)字調(diào)頻信號(hào)，實(shí)際上是在展寬后的頻道里（400 kHz）的“數(shù)模同播”，與第一鄰頻道存在相互干擾，難以適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)有調(diào)頻廣播的總體規(guī)劃。我國(guó)的調(diào)頻廣播頻率范圍規(guī)定為87 MHz—108 MHz，國(guó)內(nèi)調(diào)頻音頻廣播由國(guó)標(biāo)GBT 4311進(jìn)行規(guī)范，除了單聲道及立體聲廣播外，還規(guī)范了多路聲廣播和調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播這兩類。

目前國(guó)內(nèi)的實(shí)際調(diào)頻頻點(diǎn)間隔為300 kHz，因此數(shù)模同播技術(shù)需要在300 kHz頻寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在300 kHz頻寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和數(shù)據(jù)廣播的數(shù)模同播。數(shù)據(jù)廣播功率小于調(diào)頻信號(hào)，對(duì)已有調(diào)頻不產(chǎn)生可感知的干擾。反過(guò)來(lái)看，模擬調(diào)頻信號(hào)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)廣播產(chǎn)生高強(qiáng)度的干擾信號(hào)，這對(duì)數(shù)據(jù)廣播來(lái)講是非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)?；蠈?dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 NB-IoT智能終端示意圖

（2）共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播關(guān)鍵技術(shù)

基合導(dǎo)航系統(tǒng)提出了一種新的模數(shù)時(shí)域混迭帶內(nèi)同頻的共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播技術(shù)，是基于芯片SK9042研制的工程終端樣機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)為“修正量更新周期為1 s；數(shù)據(jù)廣播速率≥24 kb/s；動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)條件下水平定位精度優(yōu)于10 cm”，其關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）“1+1”的OFDM機(jī)制。通過(guò)將循環(huán)前綴與OFDM符號(hào)的FFT設(shè)計(jì)成相同的長(zhǎng)度，可以使用適當(dāng)?shù)腛FDM和FM的分離算法，頻域上使得OFDM信號(hào)可以更加靠近模擬調(diào)頻載波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在300 kHz頻帶內(nèi)進(jìn)行數(shù)模同播。

2）QC-LDPC信道編碼。提出基于歐氏幾何和模Golomb尺子的準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼的構(gòu)造方法，并充分結(jié)合北斗導(dǎo)航地基增強(qiáng)技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼，提高了系統(tǒng)的整體傳輸效率。

3）數(shù)模同頻分離。在接收端通過(guò)信道估值、信號(hào)重建抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離，提出兩層的信道估計(jì)和矢量計(jì)算分離技術(shù)，消除模擬調(diào)頻和數(shù)字廣播的相互干擾，實(shí)現(xiàn)二者的分離。

（3）基合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備、產(chǎn)品的研制及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播發(fā)射端系統(tǒng)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，主要是激勵(lì)器，一方面要滿足國(guó)家規(guī)定的調(diào)頻激勵(lì)器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面要滿足帶外衰耗、峰均功率比、輸出頻譜、載波抑制、載波相位噪聲、載波準(zhǔn)確度等射頻信號(hào)頻譜和載波信號(hào)的性能要求。

4.3 定位終端管理與數(shù)據(jù)匯聚云平臺(tái)方案

定位終端設(shè)備管理云平臺(tái)主要有終端設(shè)備管理和數(shù)據(jù)匯聚的功能，平臺(tái)消息分發(fā)能力可支撐十萬(wàn)臺(tái)定位終端并發(fā)消息，平臺(tái)采用分布式布署，可通過(guò)平滑擴(kuò)容來(lái)支撐海量數(shù)據(jù)的處理。

（1）對(duì)高精度定位數(shù)據(jù)和行業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，滿足業(yè)務(wù)的交互需求。要對(duì)高精度定位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，也需考慮終端對(duì)接的各種傳感器采集信息的實(shí)時(shí)上傳。同時(shí)，終端具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，能根據(jù)預(yù)定的各種狀態(tài)參數(shù)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，下一步將向帶邊緣計(jì)算能力的網(wǎng)關(guān)方向發(fā)展。

圖2 基合導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）終端設(shè)備管理平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)終端運(yùn)行狀態(tài)、定位數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)等的統(tǒng)計(jì)管理，完成系統(tǒng)的監(jiān)控拓?fù)鋱D、用戶分權(quán)分域管理、業(yè)務(wù)UI呈現(xiàn)等平臺(tái)功能。圖3為設(shè)備管理與數(shù)據(jù)匯聚云平臺(tái)方案：

圖3 設(shè)備管理與數(shù)據(jù)匯聚云平臺(tái)方案

4.4 高精度定位開(kāi)放能力服務(wù)

采用物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算能力，為交通物流、位移監(jiān)測(cè)、農(nóng)機(jī)自動(dòng)化、交通物流、給排水、電力等行業(yè)合作伙伴提供低成本、高精度的定位服務(wù)。其主要有兩個(gè)功能：

（1）定位能力開(kāi)放。通過(guò)SDK接口對(duì)接行業(yè)系統(tǒng)，提供手機(jī)APP和微信等方式進(jìn)行用戶的UI交互，實(shí)現(xiàn)高精度定位與人機(jī)交互操作。

（2）數(shù)據(jù)分析能力。通過(guò)對(duì)高精度海量定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可智能評(píng)估和預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況；通過(guò)對(duì)采集到的海量信息進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)挖掘與分析，可形成大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)智能決策系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)自主創(chuàng)新的共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播技術(shù)發(fā)送北斗衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)差分信號(hào)，融合NB-IoT終端的低成本、低功耗等特點(diǎn)，提供從終端到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的低成本、高精度定位導(dǎo)航解決方案，使得北斗覆蓋區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)航精度達(dá)到1 m以內(nèi)。定位服務(wù)獲取成本的降低，將有效推進(jìn)我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛民用，有利于構(gòu)建能力開(kāi)放服務(wù)體系，能夠促進(jìn)北斗系統(tǒng)與物聯(lián)業(yè)務(wù)融合產(chǎn)業(yè)的不斷繁榮。