北斗+5G 室内外融合定位技术的运用分析

陈 爽， 徐兰霞

（1.上海创远仪器技术股份有限公司， 上海 201600； 2.湖南卫导信息科技有限公司， 湖南 长沙 410000）

引言

北斗系统全称为北斗卫星导航系统，是由我国自主研发，且自主运行，并为全球提供全天候导航服务的卫星系统。2020 年7 月31 日，北斗三号系统建成并成功开通。北斗系统可以实现在室外的准确定位，而且定位精度已经相当精确。但是在室内，卫星导航的信号很难覆盖全面，而且部分环境也会干扰到信号强弱，尤其是一些比较隐蔽的地方，都很难覆盖到位，影响导航的质量。从现有的室内定位发展来看，其导航系统整体较为复杂，且导航的成本也偏高，很难实现大范围的推广。

5G 系统具有密集组网大宽带、多天线等特点，其信号定位精准、且宽带资源丰富，很难受到干扰，具有十分明显的定位优势。因此，北斗+5G 融合的定位技术开始应运而生，不仅能实现在室外的有效定位，而且还能实现在室内的有效定位，满足人们对定位服务的品质需求[1-2]。

1 北斗+5G 室内外融合定位技术发展现状

1.1 实现网络融合

5G 接入网络与北斗高精度定位所需的地基，要实现全方位部署，并做好相应维护工作。但是目前不同区域的差距较为明显，需要从以下两个方面入手。

1）部署层面。从目前来看，国内已经完成的4G基站相当丰富，总基站数不低于500 万个，且单站覆盖的半径也较为广阔，大约1～2 km。但是从总体上来看，处于地基增强系统范围内，大部分情况下，大气模型之间的参数不会存在较大差别，单站所覆盖半径就可以划定为30～50 km 的范围，而且距离基站越远，其定位精度也就越低。

2）设备方面。5G 基站主要包括以下两个部分：一是基带处理单元，这部分基础设施，通常都是置于机房内，且基础设施完善。二是射频收发单元，这部分通常置于室外，且整体环境较为开阔。通常情况下，基准站主要包括卫星导航信号接收机以及高性能3D 扼流圈天线这两个部分。为了能够有效保证定位精度，在选择区域的时候，就要充分考虑地质情况，例如：地质结构是否稳定等。稳定的地质结构是基站稳定的基础，有利于保持基准站天线位置的准确度。

1.2 实现能力融合

1.2.1 定位能力融合

北斗系统与地基增强系统相结合，可以有效提高其定位精确度，所覆盖的区域相对广泛，但是仍然存在着一定的盲区，例如：高架桥、大树下等，这类遮挡明显的区域。而密集化部署的5G 基站不仅可以实现对室外盲区的有效覆盖，而且还可以保证室内区域得到全面覆盖。由此可见，5G 与北斗的融合在定位服务方面的优势十分明显。

在5G 网络中，采用了大规模天线阵列等较为新型的通信技术，有效提升了网络容量和传输速率，在一定程度上也提升了5G 定位技术的精确度。

一般来说，测距信号本身的精确性与码片长度之间呈现出正比关系，精确度得到很大提高，测距信号本身的带宽与多路径效应造成的频率选择性衰落状况也会呈现出正比关系。5G 网络采用的传输带宽更大，对抗多径更加有效。但是从实际来看，5G 毫米波频段的波束更窄，其实际指向性也就更强，如果增加使用大规模天线阵列与波束赋形技术的融合，也能够有效提高定位精确度。

1.2.2 数据播发融合

北斗高精度定位技术，需要将基准站网络的卫星观测数据传回平台，其中一个网格单位，需要以4 个距离较近的基准站进行划分。在对基准站网络进行匹配时，要以定位终端所上传的概率信息作为依据，经过网格的差分改正模型之后，将信息传输回到终端系统之中，再进行相应的计算。通常情况下，在几十公里的区域内，大气层之中的改正模型并不会发生太大变化，由此可见，在这一网格的范围内，终端所接收到的数据也会存在一定的差别。而且当定位终端数量较少的时候，对于移动资源的需求不高，但是在目前5G和北斗导航相结合的定位系统之中，对资源的需求量会明显增加[3-4]。

为了能够在降低成本的基础上，实现5G 和北斗网络的有机融合，在对数据进行播发的过程中，可以采用移动通信信令方式对其进行定位。基于控制面板广播服务流程如图1 所示，通过基准站网络对高精度定位平台的相关数据进行观测。生成各种网格区域的差分，对模型进行一定的纠正，并利用网格区域与基站之间的映射关系，将辅助信息发送到相应的基站之中，再发送到基站所覆盖范围内的终端，进行广播。由于RTK 信息采用RTCM数据格式，3GPP 网元对其格式不可读，因此可考虑将RTCM格式编码的数据转换为使用ASN.1 编码的数据，通过LPP 协议在3GPP 网络中传输。

1.2.3 终端融合

从现有的发展来看，高精度定位终端一般都是以地理信息及测绘行业作为基础，而且在此基础上所拓展的领域也愈加广泛。但是从实际来看，地理信息行业的规模也受到明显局限，按照2018 年所统计的相关数据，全年对55 万台卫星导航终端进行计算，其行业成本均摊方面存在明显不足，而且市场拓展费用也越来越高，在营业额之中占据的比重越来越大，已经超过了25%的比重。目前移动通信产业发展已经越来越成熟，据相关数据可知，5G 终端在2020 年已经开始上市。可以看出，移动通信终端发展更加迅速。

2 北斗+5G 室内外融合定位技术应用

2.1 移动智能终端北斗定位应用

从总体上来看，移动通信的受众范围相对较广，而且用户群体较为庞大，当前全球的移动通信用户和终端数量已经达到了几十亿。在北斗系统实现过程中，北斗移动通信是其中的关键部分，我国对此十分重视。根据中国信息通信研究院发布的《国内手机产品通信特性与技术能力监测报告》可以知道，在2021年的第一个季度，有86 款申请进网的手机具有定位功能，其中有68 款手机使用并支持北斗定位，总占比大约为79.09%，因此，北斗导航系统在手机之中的渗透率也得到十分明显的提升。

2.2 4G 蜂窝定位技术应用

从目前的发展来看，对于4G 蜂窝定位网络的应用，主要是以运营商所建设的网络作为定位的参考点，移动网络也只是目前更为普及的一个部分。由此可见，4G 无线通信网的定位系统本身就容易推广，而且具有普适性。从目前来看，4G 无线通信网定位系统定位的精度以及其定位参考基站本身的部署密度，这二者与无线环境等相关参数有着十分紧密的联系。从目前来看，大部分室外4G 通用基站的站间部署密度约为300～1 500 m，考虑定位算法的不同，因此，通用基站的网络定位精确度不低于50 m，一般也只能作为GNSS 定位系统的补充而存在。

2.3 多体制协同的室内外无缝定位技术的应用

从目前的发展来看，北斗导航与5G 定位技术的共同协调，已经成为未来导航系统的主要发展方向，这种室内和室外协同定位的方式，可以为用户提供更加优质的服务。当前用户可以通过手机等，进行相应的定位，而且还可以实现在线定位，也可以实现离线定位，二者有机结合，能够进行实时定位，优化用户的体验效果[5-7]。

2.4 北斗+5G 融合定位技术应用

欧洲航天局于2021 年3 月召开了GINTO5G 项目线上研讨会，介绍了相应的项目研究成果。该项目属于欧洲航天局卫星导航研究与创新框架计划，融入并使用了德国在慕尼黑的移动通信网络，并与诺瓦泰公司的卫星导航设备和差分数据修正服务进行较为紧密的结合，对其进行相应的定位测试，较为全面、充分、直观地展示出其定位潜力。而且在同一时间，苏州移动公司与华为联合，在苏州地铁测试5G 室内定位能力，并对其加以验证。经过测试可以知道，目前5G室内定位导航的精确度高达99%，可以实现3～5 m的定位。

3 结论

在当前的物联网产业之中，5G 网络、北斗和大数据共同构成了物联网产业的三大基础设施。由于5G网络较为稳定，物联网的终端设备也主要是依赖于5G 网络来实现数据的传输。本文对5G 与北斗的融合发展进行分析，北斗5G 精准定位融合，这对于万物智联发展有着很大的促进作用，同时也能够通过终端融合进一步推动我国智能化社会的发展。