作者:路多,物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù) 原創(chuàng)
當(dāng)年詩(shī)句中的豪邁篇章已經(jīng)由神舟號(hào)飛船和蛟龍?zhí)柨瓶即饾u實(shí)現(xiàn)。且不說(shuō)“下五洋捉鱉”,生活當(dāng)中,有時(shí)候到了地下車(chē)庫(kù)或地鐵就會(huì)因?yàn)闆](méi)有網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)航而抓瞎,給大家的生活帶來(lái)了一些困擾。
不過(guò),“地下城”世界全面覆蓋精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航指日可待。
就在11月20日,《科技日?qǐng)?bào)》頭版頭條報(bào)道了由北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)、中國(guó)鐵塔、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)共同合作的“北斗+5G室分 ”地下空間高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)——該技術(shù)讓雄安“地下城”擁有精確導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)了定位精度2米,建設(shè)成本僅為傳統(tǒng)地下導(dǎo)航技術(shù)一半的目標(biāo),攻破了地下精準(zhǔn)導(dǎo)航的難題,在世界范圍也屬首創(chuàng)。
目前,該技術(shù)在雄安地下示范應(yīng)用超過(guò)50萬(wàn)平米,預(yù)計(jì)在2025年,“5G+北斗”導(dǎo)航將覆蓋雄安新區(qū)所有已建成地下停車(chē)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了為雄安地下城導(dǎo)航的愿景。
雄安“三座城”,先建“地下城”
據(jù)介紹,雄安新區(qū)設(shè)立之初就提出地上一座城、地下一座城、“云”上一座城的理念。甚至“地下”的建設(shè)優(yōu)先級(jí)要更加靠前——先地下、后地上,合理開(kāi)發(fā)利用地下空間,是雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重要理念。
雄安新區(qū)規(guī)劃之初就提出建設(shè)的“地下一座城?”,包括地下綜合管廊約380公里、地下停車(chē)場(chǎng)超2200萬(wàn)平方米。所謂地下綜合管廊就是在城市地下建造一個(gè)隧道空間,讓電力、通信、燃?xì)?、供熱、給排水等各種工程管線住進(jìn)“集體宿舍”,同時(shí)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)和管理,是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。
除去高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的、埋藏在地下的城市“大動(dòng)脈”——城市綜合管廊外,城市中地下停車(chē)場(chǎng)的面積也非常大。例如,在雄安新區(qū)首個(gè)集中建成區(qū)——容東片區(qū),眾多小區(qū)、樓宇的地下停車(chē)場(chǎng)全部連通。在大規(guī)模的地下空間中,會(huì)有大量的人、車(chē)、物流動(dòng),初入其中很容易迷路,如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位導(dǎo)航成為雄安新區(qū)“地下一座城”建設(shè)過(guò)程中面臨的問(wèn)題。
“地下之城”的精準(zhǔn)管理,離不開(kāi)高精度的定位與導(dǎo)航,而且要求技術(shù)新、成本低,能給其他城市建設(shè)提供可復(fù)制的樣本。
為實(shí)現(xiàn)地下空間的精準(zhǔn)定位導(dǎo)航,2022年,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)立“交通基礎(chǔ)設(shè)施”專(zhuān)項(xiàng),在5G通信與信號(hào)定位領(lǐng)域有長(zhǎng)期積累的北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,成為“雄安新區(qū)交通設(shè)施數(shù)字化建設(shè)示范應(yīng)用”項(xiàng)目的牽頭單位,展開(kāi)“5G+北斗地下空間組合式定位導(dǎo)航”的課題研究,中國(guó)鐵塔、雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)聯(lián)合參與到項(xiàng)目研究和落地當(dāng)中。
導(dǎo)航技術(shù)、北斗導(dǎo)航與地下導(dǎo)航技術(shù)
導(dǎo)航技術(shù)簡(jiǎn)介
導(dǎo)航是利用電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方法,通過(guò)測(cè)量與運(yùn)載體位置有關(guān)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載體的定位,并從出發(fā)點(diǎn)沿預(yù)定的路線,安全、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地引導(dǎo)運(yùn)載體到達(dá)目的地的一門(mén)技術(shù)。根據(jù)導(dǎo)航的信息獲取原理(如航標(biāo)方法、航位推算、慣性原理、無(wú)線電傳播特性、天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、人造地球衛(wèi)星技術(shù)、地球表面地形、地貌特征等),可分為觀測(cè)導(dǎo)航、推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航等。
因?yàn)榇舜蔚叵聦?dǎo)航技術(shù)主要用到北斗的技術(shù),這里對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行著重介紹:
衛(wèi)星導(dǎo)航是利用衛(wèi)星播發(fā)的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航以衛(wèi)星為空間基準(zhǔn)點(diǎn),向用戶(hù)終端播發(fā)無(wú)線電信號(hào),從而確定用戶(hù)的位置、速度和時(shí)間。它不受氣象條件、航行距離的限制,且導(dǎo)航精度高。
目前,全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng):
全球定位系統(tǒng)GPS,是目前應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是由美國(guó)在上世紀(jì)70年代研制,1994年建成,定位精度可達(dá)到厘米量級(jí);
俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),定位精度在10米左右,蘇聯(lián)在上世紀(jì)70年代啟動(dòng)建設(shè);
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS,定位精度在米量級(jí),11月16日正式加入國(guó)際民航組織(ICAO)標(biāo)準(zhǔn),成為全球民航通用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);
歐洲伽利略(Galileo)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),精度也在20厘米左右,由歐洲航天局在2016年創(chuàng)建上線。
而對(duì)于導(dǎo)航技術(shù)的衡量標(biāo)準(zhǔn)有如下六項(xiàng):
精度。這是我們最容易理解的,精度指的是導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)載體所提供的位置與運(yùn)載體當(dāng)時(shí)的真實(shí)位置之間的重合度,誤差越小,滿開(kāi)始越高;
覆蓋范圍。指在空間當(dāng)中導(dǎo)航系統(tǒng)能以規(guī)定精度確定運(yùn)載體的位置,該參數(shù)受發(fā)射信號(hào)功率、接受機(jī)靈敏度、傳播環(huán)境,幾何關(guān)系等影響;
連續(xù)性。指運(yùn)載體在某特定運(yùn)行階段,導(dǎo)航系統(tǒng)能提供規(guī)定的定位引導(dǎo)功能而不發(fā)生中斷的能力,該指標(biāo)表明了導(dǎo)航系統(tǒng)可連續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)的能力;
可用性、可靠性。可用性指導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)載體提供可用的導(dǎo)航服務(wù)的時(shí)間百分比,可靠性是指導(dǎo)航系統(tǒng)在給定的使用條件下在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以規(guī)定的性能完成其功能的概率,它表明系統(tǒng)發(fā)生故障的頻度。
信息更新率。指導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù),單位是Hz;
系統(tǒng)容量。指導(dǎo)航系統(tǒng)可以同時(shí)供多少運(yùn)載體使用的能力,分為無(wú)限系統(tǒng)容量和有限系統(tǒng)容量?jī)煞N。
無(wú)疑,我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在技術(shù)水平和項(xiàng)目指標(biāo)以及自研程度上都成為了項(xiàng)目的首選。
北斗導(dǎo)航介紹與“地下城”導(dǎo)航實(shí)踐
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷了三步走發(fā)展戰(zhàn)略:2000年年底,建成北斗一號(hào)系統(tǒng),向中國(guó)提供服務(wù);2012年年底,建成北斗二號(hào)系統(tǒng),向亞太地區(qū)提供服務(wù);2020年,建成北斗三號(hào)系統(tǒng),向全球提供服務(wù)。
和其他衛(wèi)星和星座不同的是,北斗衛(wèi)星具有鮮明的特點(diǎn):1.北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座,與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多,抗遮擋能力強(qiáng),尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。2. 北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào),能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度。3. 北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力,具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、精準(zhǔn)位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。
在汶川地震和四川雅安地震時(shí),救災(zāi)部隊(duì)正是憑借著北斗終端機(jī)中的短報(bào)文通訊技術(shù)打通了震區(qū)內(nèi)外的聯(lián)絡(luò)通道。據(jù)悉,短報(bào)文技術(shù)類(lèi)似于手機(jī)短信。最初北斗一號(hào)及北斗二號(hào)只支持傳輸120個(gè)漢字,北斗三號(hào)建成后,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)支持傳輸1000個(gè)漢字,還可傳輸語(yǔ)音和圖片。
北斗在地下導(dǎo)航領(lǐng)域不光在雄安落地,深埋北京地下的管線,借助北斗實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)管理?;诒倍返木珳?zhǔn)位置信息以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)的管理平臺(tái),能為地下管線的“運(yùn)行體征”進(jìn)行24小時(shí)智慧“診脈”?!皩?duì)于管理人員來(lái)說(shuō),就如同腳下的玻璃一般透明。”
根據(jù)《2023中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》介紹:2022年國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)市場(chǎng)整體穩(wěn)定,根據(jù)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)研究分析,2022年國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品總銷(xiāo)量約3.76億臺(tái)/套,其中具有衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的智能手機(jī)出貨量達(dá)到2.64億部,車(chē)載導(dǎo)航儀市場(chǎng)終端銷(xiāo)量超過(guò)1200萬(wàn)臺(tái),包括物聯(lián)網(wǎng)、穿戴式、車(chē)載、高精度等在內(nèi)的各類(lèi)定位終端設(shè)備銷(xiāo)量超過(guò)1億臺(tái)/套。
回到這個(gè)項(xiàng)目上來(lái),在“5G+北斗”導(dǎo)航技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)之初,路兆銘團(tuán)隊(duì)幾乎考慮了所有成熟技術(shù)手段的可能性,包括藍(lán)牙、Wi-Fi、室內(nèi)北斗導(dǎo)航基站等等,由于建設(shè)和配置成本較高,推廣示范作用不大而被篩掉。
后來(lái),他們發(fā)現(xiàn)可以利用現(xiàn)有的4G/5G的室內(nèi)分布系統(tǒng),在5G基礎(chǔ)設(shè)施上混搭北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),無(wú)需重建基礎(chǔ)設(shè)施,只用一個(gè)簡(jiǎn)單的“加法”,就讓北斗信號(hào)“混”入5G信號(hào),構(gòu)建出了一個(gè)精準(zhǔn)的地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
他們分析兩路信號(hào)的互調(diào)干擾模型,將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與北斗信號(hào)這兩個(gè)看似不可調(diào)和的信號(hào)融合,成功將北斗信號(hào)引入地下;面對(duì)精度問(wèn)題的挑戰(zhàn),他們同樣創(chuàng)建了數(shù)據(jù)模型,以位置觀測(cè)源帶來(lái)的多方數(shù)據(jù)提升整體的測(cè)量精度。
此外,團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出由信號(hào)SLAM(即時(shí)定位與建圖)架構(gòu)的“5G+北斗組合式定位算法”,實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息融合,使室內(nèi)分布系統(tǒng)支持地下1米精度的定位與導(dǎo)航。
該項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)突破:
一是,地下空間衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋,傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位手段在地下不能發(fā)揮作用,北郵方案利用北斗室分單元,將北斗信號(hào)匯入5G室分系統(tǒng),成功將北斗信號(hào)引入地下,解決了地下空間沒(méi)有北斗信號(hào)覆蓋的問(wèn)題;
二是,手機(jī)終端本身性能受限,利用手機(jī)終端在地面上只能達(dá)到10幾米的精度,如何能把定位精度做到車(chē)位級(jí),是面臨另外一個(gè)難題,北郵方案基于團(tuán)隊(duì)提出的協(xié)作式信號(hào)SLAM框架,將北斗觀測(cè)、5G觀測(cè)、手機(jī)慣導(dǎo)觀測(cè)等綜合考慮,通過(guò)時(shí)空域上的融合,實(shí)現(xiàn)車(chē)位級(jí)別的定位精度。
總而言之,北斗信號(hào)和5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的結(jié)合,為地下高精度定位導(dǎo)航打開(kāi)了一扇新門(mén)。
5G+北斗組合式定位算法將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)、5G信號(hào)、加速度計(jì)等多源位置觀測(cè)信息融合在一起,精確解算出車(chē)輛的當(dāng)前位置。如今,利用“5G+北斗”定位導(dǎo)航技術(shù),在雄安新區(qū)可實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)人員和車(chē)輛準(zhǔn)確位置導(dǎo)航。路兆銘介紹,這套技術(shù)還可以被集成到百度地圖、高德地圖、雄安行等應(yīng)用程序中。
地下導(dǎo)航技術(shù)一覽
熟悉表計(jì)類(lèi)產(chǎn)品的朋友肯定了解,這些平時(shí)就埋在地下、犄角旮旯的設(shè)備,對(duì)于信號(hào)傳輸有較高的要求。地下導(dǎo)航也一樣,藍(lán)牙、Wi-Fi 、UWB (超寬帶,Ultra Wideband)等技術(shù)都要根據(jù)情況為設(shè)備招呼上,從衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的角度來(lái)講,這類(lèi)場(chǎng)景被稱(chēng)為遮蔽空間,地下空間屬于衛(wèi)星導(dǎo)航完全遮蔽空間,盡管無(wú)法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和地面無(wú)線電信號(hào),但是可以在空間內(nèi)容假設(shè)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航覆蓋。
衛(wèi)星導(dǎo)航遮蔽環(huán)境下的定位導(dǎo)航技術(shù)主要包括無(wú)線電導(dǎo)航和自主傳感導(dǎo)航兩類(lèi):
無(wú)線電導(dǎo)航,是通過(guò)遮蔽環(huán)境中部署固定或機(jī)動(dòng)式無(wú)線電定位節(jié)點(diǎn),通過(guò)無(wú)線電測(cè)距、測(cè)角、測(cè)姿等方式實(shí)現(xiàn)不依靠衛(wèi)星導(dǎo)航的定位能力。典型技術(shù)手段有UWB、4G/5G室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)、室內(nèi)偽衛(wèi)星定位技術(shù),以及Zigbee、藍(lán)牙、Wi-Fi等多種通信網(wǎng)絡(luò)。
自主傳感導(dǎo)航,是依靠慣性測(cè)量單元 (inertial measurement unit,IMU)、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等手段實(shí)現(xiàn)在陌生環(huán)境條件下不依賴(lài)衛(wèi)星導(dǎo)航的定位導(dǎo)航能力。其技術(shù)手段主要來(lái)自視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)等傳感設(shè)備,通過(guò)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)獲得定位能力,類(lèi)似的還有聲學(xué)定位和可見(jiàn)光定位。
看到這里,我們?cè)賹?duì)照雄安“地下之城”導(dǎo)航項(xiàng)目建設(shè)描述,就清楚該團(tuán)隊(duì)是采用了無(wú)線電導(dǎo)航與自主傳感導(dǎo)航相結(jié)合的方式,綜合上述技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)所在,實(shí)現(xiàn)高精度、更多覆蓋以及更高的集成程度。
各種技術(shù)手段的適用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)如下:
圖片來(lái)源:遮蔽空間定位導(dǎo)航技術(shù)特征分析與發(fā)展綜述,鮑亞川,楊夢(mèng)煥等,2023
此外, 基于宇宙射線的μ子導(dǎo)航和量子導(dǎo)航技術(shù)也是定位和導(dǎo)航技術(shù)的新的方向,具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
基于宇宙射線的 μ 子導(dǎo)航,能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)、地下、水下環(huán)境的高精度導(dǎo)航,降低環(huán)境對(duì)于導(dǎo)航工作的影響。東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種基于宇宙射線產(chǎn)生的高能粒子導(dǎo)航系統(tǒng)首次在地下成功測(cè)試。未來(lái),這項(xiàng)技術(shù)有望可用來(lái)引導(dǎo)地下或水下機(jī)器人,甚至幫助倒塌礦井或建筑物的搜索救援工作。
量子導(dǎo)航技術(shù)也是近年來(lái)備受關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)手段,它具有精度高、抗干擾、安全性強(qiáng)等特點(diǎn),是最有希望彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)缺陷的技術(shù)之一。量子導(dǎo)航可分為基于測(cè)距體制的星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)、基于角運(yùn)動(dòng)/線運(yùn)動(dòng)測(cè)量的量子慣性導(dǎo)航、基于量子重力測(cè)量的匹配導(dǎo)航等技術(shù)。量子測(cè)距定位技術(shù)理論上可突破傳統(tǒng)測(cè)量精度極限,實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 1cm 的定位精度,不過(guò),目前該技術(shù)還需要相關(guān)量子框架體系以及經(jīng)典衛(wèi)星導(dǎo)航的支持。
寫(xiě)在最后
如今,許多從前的“不可能”都變成了可能,也許在不久的將來(lái),隨著通信技術(shù)的加速迭代發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航技術(shù)都將會(huì)像空氣一樣,裝滿世界的每個(gè)角落。
參考內(nèi)容:
1.巧借5G設(shè)施,將北斗導(dǎo)航延伸至地下,科技日?qǐng)?bào),2022
2.為“地下之城”精準(zhǔn)導(dǎo)航,科技日?qǐng)?bào),2023
3.“三個(gè)雄安”打造未來(lái)之城?http://www.xiongan.gov.cn/2023-05/03/c_1212173489.htm
4.《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航原理與系統(tǒng)》范錄宏
5.北斗技術(shù)官網(wǎng),系統(tǒng)介紹:http://www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
6.Liu Y, Wang L, Lu Z, et al. A Stateless Design of Satellite-Terrestrial Integrated Core Network and its Deployment Strategy[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2023.
7.《2023中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》,中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)
8.《遮蔽空間定位導(dǎo)航技術(shù)特征分析與發(fā)展綜述》
9.Tanaka H K M, Gallo G, Gluyas J, et al. First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments[J]. iScience, 2023.