导航与位置服务现状与发展

● 文| 北京邮电大学 邓中亮



导航与位置服务现状与发展

● 文| 北京邮电大学 邓中亮

导航与位置服务攸关国家安全、经济发展和社会民生，在新一代信息技术的战略性新兴产业中，具有举足轻重和不可或缺的地位，在物联网、智慧地球、节能减排、救灾减灾等领域发挥着重要的基础性支撑作用。如何高效利用卫星与地面网络资源，提升导航与位置服务能力，已成为了世界各国科技经济竞争热点。

一、室内外无缝位置服务需求爆发增长

随着现代社会的不断发展，城镇化进程加快，大型建筑日益增多，人们 80%以上的时间处于室内环境（含地下、矿井、隧道等），对室内外高精度定位导航的需求呈现爆发式增长趋势。

1）在消防救援方面，我国拥有数十万余栋高层建筑，基于精确位置的消防救援问题突出，需要对消防员、被困人员及消防设施进行精确的室内外无缝定位和逃生路径规划。

2）在老幼人群关爱方面，全国超1.4亿空巢老人、上亿学龄儿童需要基于位置的关爱服务，在被监护人出现紧急情况时（如发病、走失等），基于位置信息可展开快速救助。

3）在公共安全方面，全国1000余个火车站，160余个民用机场，上千个地铁站，每个车站人流量可达数十万/天，安全管理问题复杂，需要对人员进行定位，对人流量进行统计，对应急疏散路径进行引导，对危险人员进行监控。

4）在医疗服务方面，全国两万余县级以上医院，月均就诊人数超过四亿，基于位置的医疗服务需求迫切，掌握住院病人、急救病人、医务人员及重要医疗器械位置信息，能够提高医疗救护效率。

5）在矿山管理与救援方面，全国上万家煤矿，每年矿难伤亡上千人，灾难发生时需要掌握井下人员位置信息，提高矿难救援与日常生产安全管理效率。

6）在大型场馆人员、物资管理方面，全国6000余个展馆、博物馆、大型仓库，其人员、物资精细化管理需求迫切，掌握人员、物资的室内外无缝位置信息，能够实现对工作人员及重要物资的无缝监管。

7）在商场导购方面，我国拥有数千个大型购物广场，最大达120万平方米，日消费者超20万人，需要通过位置服务，向顾客提供便捷的精准导购服务。

8）在车辆导航方面，我国拥有大型室内停车场车位不计其数，公路隧道近万个，全国近亿民用车辆导航需求开始由室外导航向室内外无缝导航转变，室内外无缝位置服务能够为车辆进入地下停车场或隧道时，提供无缝的车辆导航服务。

9）在个人服务方面，我国手机用户达十亿，位置服务用户已超过4亿，近三年年增长率超过100%，形成个人导航、地点交友（如微信摇一摇）、即时通信、以地理位置为基础的社交等服务。

二、精准定位成为国际科技竞争制高点

室内外高精度位置服务技术是继互联网、移动通信发展最快的新一代信息技术，已成为国际科技经济竞争制高点。为实现精确定位与服务，美国国防部高级计划研究局（DAPAR）于2013年制定 “洞悉战场”计划，提出建设更精确锁定位置的打击系统；2013年美国通委会提出“下一代911项目”，要求实现精度在60m以内的精确位置服务；德国电信于2011年将高精度的位置服务定位作为未来移动通信服务的核心；日本于2009年颁布了紧急呼叫法案，要求室内位置服务达到10m以内。我国在《国家卫星导航产业中长期发展规划》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》任务中明确提出加快室内位置服务建设，科技部开展“羲和”重大计划，重点建设室内外无缝隙高精度三维定位系统。

三、室内外高精度位置服务技术瓶颈

1．卫星室内定位“最后一公里”瓶颈

全球卫星导航系统（GPS、北斗、伽利略、GLONASS）因建筑遮挡在室内及建筑周边无信号，故无定位能力。卫星信号因穿透损耗、多径干扰等，室内GPS信号强度远低于GPS ICD最小-160dBW的要求，因此室内无定位信号覆盖，即存在室内最后一公里不能定位的问题，不能实现室内外高精度位置服务。

2．近距离通信定位技术的局限性

近距离通信定位技术包括无线局域网（WLAN）、射频标签（RFID）、紫蜂（Zigbee）、蓝牙（Bluetooth）、超宽带无线电（UWB）、地磁场强、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等，局域视线定位系统单设备覆盖能力受限，室内外高精度位置服务需高密度布设，位置服务运行维护难。

基于WiFi的室内定位系统目前主要有两类：第一类是WiFi无线AP（Access Point）区间定位，通过收集WiFi无线AP安装位置和定位台接收到的AP地址，实现基于WiFi无线 AP 区间定位，如美国Google Map。基于AP位置的定位技术成本低，但由于AP自身的位置并不精确，不能精确计算用户距AP的距离，定位误差通常达10～20m；第二类则采用WiFi无线信号接受信号强度指示（RSSI）指纹匹配定位技术，如我国自主研发的“寻鹿”定位系统、“翼周边”系统，以及美国的WiFiSLAM、加拿大Wifarer等。利用该类技术需要建立相关指纹数据库，对数据库的运行维护要求高，定位精度受信号强度影响大，常用于重点场所的局部定位服务。

Zigbee定位技术与WiFi定位技术相似，是基于IEEE802.15.4标准的局域网定位技术，精度可达3m，但由于信号强度受环境影响较大，如人员走动、墙体/门的遮挡反射等均会导致定位精度下降。

基于RFID的定位系统根据RFID标签的信号强度及已知的RFID标签位置比较进行实时定位，实现米级定位精度需要布设大量参考标签，难以实现大范围推广应用。

蓝牙定位与WiFi定位相同，其优点在于蓝牙芯片成本低、功耗低，已在笔记本电脑以及手机中大量普及。但蓝牙节点远不如WiFi无线AP普及，因此其应用普及程度不及WiFi定位系统。

UWB 用于定位具有伪距测量精度高、抗多径干扰能力强的优势，在视距环境下较WiFi、Zigbee、RFID等定位系统精度大幅提高，但UWB系统目前远不及其他系统普及，且作用距离仅为10 m量级，现阶段的产业推广较上述系统更加困难。

3．广域通信定位技术的测量不确定性

传统移动通信与广播网室内外定位成本低、覆盖广。但城市建筑结构对无线信号传输形成了多障、多重反射与散射、非视线传播等，基站到终端距离测量困难。

移动通信基站由于地面网络信号覆盖良好，因此可对室内用户进行定位。目前，GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 等在网运行的系统均具备定位功能，第四代通信系统 LTE在其 Release 9 中引入了定位参考信号（PRS），用于伪距测量及定位。已有的移动通信基站定位系统包括小区识别码（Cell-ID）定位、环路往返时延（RTD）定位、上行链路信号到达时间（TOA）定位方法、上行链路信号到达时间差（TDOA）方法以及信号到达角度（AOA）定位方法、高级前向链路三角定位（AFLT）、下行链路增强观测时间差定位方法（E-OTD）、下行链路空闲周期观测到达时间差方法（OTDOA-IPDL）等。移动通信基站定位系统较局域室内定位系统成本低、易于普及，现有手机均具有一定程度的定位能力。但目前移动通信基站定位技术由于受非视距及多径干扰大、时间同步精度差等影响，定位精度普遍在百米量级（一般为50~300m），无法实现米级高精度室内定位。

四、“羲和”室内外高精度位置服务系统

针对室内外高精度无缝定位与服务中面临的关键问题，在科技部“羲和”重大计划支持下，北京邮电大学牵头，联合多家单位，基于通信网络与卫星，开展了“星地一体、内外衔接、高精定位、无缝保障”的水平精度1~3m、垂直精度优于1m的室内外导航与位置服务关键技术与产业化研究，构建了“羲和”室内外高精度位置服务平台，如图1所示。

图1　“羲和”室内外高精度位置服务平台架构图

“羲和”室内外高精度位置服务平台攻克了通信网建筑内“反散射”传播的三维“米级”定位国际难题，提出了共频带通信网增强、反散射聚合三维定位理论方法与架构、导航与通信一体化信号体制（TC-OFDM）融合体制，突破了传统视线传输定位在室内的局限性；提出散射多径聚合与导航路径动态规划，实现了建筑空间高精度导航；创新了移动通信、广播、无线网和卫星导航等多资源融合高精度定位技术，运用地面通信网，采取覆盖优化、差分测高、多址管理、耦合测距、集成使用等创新方法，实现大型建筑群内对人与物体的“米级”定位，比国外公开精度高5~10倍，成为了国际领先技术。

高精度室内导航与位置服务系统由TC-OFDM基站（含激励器研制、时间同步设备研制、发射机研制及整机集成等）、室内增补系统、移动定位终端、消防终端、网络侧位置服务平台组成，提供高精度室内外无缝隙的位置服务能力。

结合室内定位技术，在空间信息模型基础上添加定位导航数据模型，构建起面向室内定位导航的立体单元网格空间信息模型，地图存储空间减小到原先的1/5；实现了广域室内外电子地图的无缝融合，以及室内外无缝路径规划；解决了ArcGIS等现有标准在室内定位及位置服务中应用接口不足的问题，满足室内地图匹配及位置服务需求，如图2所示。

图2　基于网格编码的全息多维室内电子地图

研发了公共服务、商业大数据应用、航空物流、应急救援四类位置服务平台，实现了精确定位导航、实时跟踪、动态监测与大数据分析服务，大幅提升了位置服务能力。

五、室内外高精度位置服务应用

利用“羲和”计划的研究成果，已成功开展了上百项应用推广，产品遍及我国40多个城市，用户达数千万，部分产品出口多个国家和地区。

（1）公共服务与管理领域的导航定位应用

在万达广场、西单大悦城、首都机场、国内外多个校园等成功开展了紧急呼救、保险救援、商业大数据分析、外勤助手、车卫士、热区信息服务、精准营销、技侦跟踪、预警、精细管理、实时交通、停车场管理等多领域的位置服务应用。

（2）应急救援领域的导航定位典型应用

开展了应急救援应用示范，研发消防导航定位装备，能够精确掌握受灾建筑中人员分布情况，解决救援盲区，大幅提升救灾人员的救援能力，减少人员伤亡，实现了救援定位技术的创新发展，提升了城市定向、定位救援能力。

（3）机场位置感知应用

在我国多个机场，通过建立多元室内定位系统，根据旅客位置进行情景识别，主动提供服务信息和商业推荐，不但满足乘客的乘机旅行需求，充分利用机场服务资源，给每个旅客提供个性化的服务指导与宾至如归的机场体验，提升首都机场的飞行经济效益。

（4）公共安全监控和区域管理应用

在多个大型会议(如北京APEC会议等)和全国多个省应用“媒体—位置侦测服务系统”，实现侦测工作任务指派，巡检路线设置，实时监控、预警、告警等安全监控和管理功能，成为了安全保障的重要工具。

（5）基于时空关联的商业大数据分析应用

针对现阶段商业大数据统计分析的不足，建立基于空间多维数据的连锁效应模型，形成多维度数据间的关系网，为商业营销提供精确指导，提高数据使用效率与价值，如图3所示。

图3　多维度数据关系网

六、室内外位置服务发展趋势

未来室内位置服务技术将依据国家战略布局和国际科技竞争热点，继续向深空、深地、深海等方向扩展，助推导航与位置服务技术发展。

趋势一：室内位置服务将面向空天地一体化、通信与导航体制融合，实现卫星、基站、无人机、雷达、惯导、近距离通信等全源导航定位融合，聚合地理信息、交通信息、商业信息等全息地图数据，实现虚拟化、弹性可恢复的、协同的、模块化的服务体系结构，全天候、全地域地提供高精度、无缝隙的位置服务。

趋势二：突破定位精度、范围及成本之间的矛盾。实现高精度、低成本、广覆盖的室内外无缝隙位置服务。

趋势三：挖掘4G时代的导航通信融合新业务。新型导航与通信网络将承载高清视频监控、3D视频点播、实景地图、3D地图等高速率业务。

趋势四：加速导航与位置服务标准化。从基础设施、共性关键技术、应用与服务等多方面，加快制定相关的国家、行业标准与政策。

结束语

室内位置服务用户需求呈爆发式增长趋势，通信的广泛性为导航与位置服务推广提供了有利条件。研究表明，所有无线通信网都具有高精度室内外3D定位能力，高精度室内外无缝定位技术趋向于多系统协同，定位导航与通信趋向于一体化是一条投资少、建设快的导航与位置服务发展之路，融合卫星导航与地面通信网络资源，对提升北斗卫星导航定位系统在经济、军事、国防等方面的服务能力具有重要意义。

参考文献

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