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高精度无线定位未来如何发展?

2019-03-28  来源:人民邮电报社  作者:中国信息通信研究院技术与标准研究所 刘旭

随着定位技术的发展,新型定位技术将能提供定位精度更高、信号覆盖更广的位置服务,这将使位置服务拥有比现在更为广泛的应用场景。公共安全、物资防盗、智慧交通、无人设备、智慧物流和特殊人群关爱等多个领域的应用都需要高精度位置服务作为支撑。

目前高精度无线定位技术根据应用场景的不同,可以简单分为室外定位技术和室内定位技术,其中室内定位技术又分为广域室内定位技术和局域室内定位技术,而基于移动通信网的定位系统因为覆盖的优势,可以做到室内外连续无缝定位。

室外定位技术

室外定位技术有以下几种类别:

卫星定位技术。全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)是应用最广泛的室外定位系?#22330;?#31995;统可在全球范围内全天候、全天时为用户提供高精度/高可靠定位、导航、授时服务。除此以外,各系统建设各自的地基增强系统和星基增强系统以提供差分增强服务。目前,导航型多模单?#21040;邮?#26426;典型室外定位精度为?#20934;叮?#20266;距差分定位理想情况下可将定位精度提升至亚?#20934;丁?#39640;精度型?#37038;?#26426;借助RTK技术(实时动态)可达到厘?#20934;?#31934;度。

TBS定位技术。 3GPP使用Terrestrial Beacon System(TBS)作为对广播仅用于定位的无线信号的地面定位系统的统称。基于地面基站的定位系统有效地解决了城?#26143;?#22495;内定位信号覆盖的问题。这种系统使用地面定位基站构建定位网络。定位?#37038;?#26426;通过?#37038;鍘?#35299;算基站播发的定位信号实现定位。不同系统可能采用不同的定位信号。但多数系统通过定位信号的TDOA、TOA等观测量,使用三边定位算法对?#37038;?#26426;位置进行解算。3GPP现有PRS-based TBS(Positioning Reference Signal based TBS)和MBS(Metropolitan Beacon System)两种TBS标准。

4G通信网自身定位技术。4G无线通信定位技术和卫星定位技术类似,采用三角定位技术。目前常见的定位信号有3类:RSSI信号场强、TDOA、AOA。4G无线通信网定位系统的定位精度与定位参考基站的部署密度(站间距)和无线环境?#38382;?#31561;密切相关。目前大部分室外4G宏基站的站间部署密度为300~1500m,考虑不同的定位算法,宏基站网络的定位精度在50m以上,只能作为GNSS定位系统的补充。

对比其他定位技术,卫星定位技术在室外区域兼具精度高和成本低的优势。现有4G移动通信网络自身虽然具有信号覆盖能力强的优点,但是现有标准下的移动通信网络?#26143;?#26080;法提供高精度定位。TBS系统兼具定位精度高、单基站覆盖能力强和室内定位能力好的三点优势,是唯一可以实现广域室内外高精度定位的技术。但是,TBS技术基站成本高,独立建设定位网络花销巨大,因此需要与通信网结合,复用通信基站及网络,降低网络建设成本。

室内高精度定位技术

室内高精度定位技术主要分为广域室内高精度定位技术和局域室内定位技术。广域室内高精度定位技术主要有以下两类:

共频带定位技术。共频带定位技术是指在通信信号背景噪声中?#24230;?#23450;位信号,定位信号功?#23454;?#20110;噪声功率,在通信的同时实现连续地捕获跟踪与精确测量定位,其定位精度相比带内定位技术能够提高数十倍甚至上百倍,且不影响正常的通信效能,不需要独立的频?#39318;?#28304;。

带内高精度定位技术。带内高精度地面无线定位需要建立一个运营商级的定位网络,为国家位置服务提供一个重要的基础设施。首先,在同一带宽内通过分配时频资源实现高精度无线定位网和通信网两张网络。然后要设置专门的定位网元用来发射定位信号。通信网基站作为定位网元的时钟参考点,实现对定位网元的高精度同步,使得所有定位网元发射信号的时刻对齐。终端的定位功能和通信功能可以使用同一射?#30423;?#36335;,仅需在基带处理上增加高精度定位功能,避免在终端上增加新的射?#30423;?#36335;。定位网元设备可在室外布设,定位信号覆盖室外和室内(如一般大型社区只需布设4个),所有定位网元设备组成运营商级定位网。运营商级高精度地面定位网降低了网络建设重复性、盲目性,保证了位置业务质量。

共频带定位技术可以同时在定位精度和广域覆盖成本两个方面达到顶尖水平。而带内定位技术是可以兼容现有手机的定位技术。同时,针对未来的5G通信网络,共频带定位技术和带内定位技术充分地利用了通信网资源,结合5G通信技术大带宽、密集站组网和多天线等技术特点,在5G通信网下的两种定位技术将获得更高的定位精度。

对局域室内定位技术来说,目前各种室内定位技术各有优势,没有一种技术全方位强于其他技术。从定位精度的角度进行分析,UWB、可见光、声波和超声波定位技术都可实现厘?#20934;?#39640;精度定位,而WiFi和蓝牙定位技术仅可提供?#20934;?#33267;亚?#20934;?#23450;位精度。而在大规模推广上,UWB、可见光、声波和超声波四种定位技术各具无法弥补的?#37038;啤?/p>

从用户隐私安全角度分析,可见光定位技术、声波定位技术和超声波定位技术分别需要开启摄像?#27867;?#40614;克风,这将引起极?#29616;?#30340;用户隐私安全问题。

从系统建设成本角度分析,蓝牙、WiFi和可见光定位技术成本?#31995;汀?#32780;蓝牙定位技术成本相对WiFi更低,WiFi技术的定位信标AP设备单价为百元级别,基于蓝牙技术的定位信标iBeacon设备单价为几十元,因此蓝牙技术是一种高性价比解决方案。通过将蓝牙定位信标iBeacon与室分天线相结合,蓝牙定位信号在室内可以实现均匀覆盖,满足室内定位需求。UWB定位技术由于单基站覆盖范围有限和需要专用设备两个问题,应用成本高,现阶段UWB定位系统多用于工厂流水线等特殊场所,实?#32622;?#29992;市场推广更加困难。部分声波和超声波定位系统可使用手机麦克风对信号进行定位,无须特定?#37038;?#35774;备。但是,专用的定位信号源往往价格昂贵。

从特殊用户需求角度分析,自然光、声波和超声波定位技术的优势在于在强电磁干扰或者电磁屏蔽的环境下都能实现定位。在这种特殊环境下,自然光、声波和超声波定位技术是不可替代的。

从环境适应性角度分析,自然光对可见光信号的干扰很大,在自然光照充足的白天,可见光定位系统无法正常工作。而声波和超声波定位系统受到自然界噪声影响较为?#29616;兀?#38590;以实现大规模应用。这使得可见光定位技术以及声波和超声波定位技术的应用范围受到极大限制。

综上所述,多种局域室内定位技术互有优势及?#37038;疲导?#24212;用中应当综合考虑后进行选择。

关键词:定位技术 定位算法 定位精度 定位信号 高精度定位

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