“星地一体”室内外高精度定位技术引领导航科学创新

邓中亮++林文亮

室内外高精度定位技术是指综合使用卫星导航、地面通信、空间显示等技术手段，正确提供客观世界时空位置与关联信息的现代新兴信息化技术。室内外高精度位置服务是主要大国战略优势与经济实力的重要组成，攸关国家安全、经济发展和社会民生，是继互联网、移动通信发展最快的新一代信息技术。

美、俄卫星导航比我国早起步三十年，但目前仍无法实现对室内的定位与导航，不能满足人们80%时间在室内的位置服务需求。美国高通、瑞典爱立信公司利用地面通信网的室内定位精度仅能达到40米。但目前中国科学家已经攻克这一国际难题，抢占国际尖端科技竞争制高点。

历经十多年潜心攻关，北京邮电大学空间导航与通信实验室邓中亮团队研发了世界上首个“羲和”室内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，填补了传统视线传输定位在室内的局限性，实现了广域定位室内外精度1～3米，垂直1米，比国外公开精度高5～10倍。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，为我国导航服务探索了一条投入少、见效快的建设之路。

“羲和”室内高精度位置服务平台的成功研发和广泛推广，率先解决了北斗卫星导航系统的‘最后一公里瓶颈，为国家“一带一路”、城镇化、“互联网+”发展战略，以及军事斗争准备提供现代室内感知位置基础。预计到2020年，“羲和”系统将打造上千亿元的产业链，从而牵动上万亿的经济发展动力。

“互联网+”与“一路一带”经济的深入发展，推动室内外高精度位置服务的爆发式增长需求

“互联网+”与“一路一带”经济的深入发展，推动通信与导航技术在相互融合中迅速发展，导航系统与通信系统紧密结合，使导航定位信息产生更直接的应用价值，发挥出更广泛的效能，实现单一定位导航向监控、管理、交通、救助、娱乐等综合位置服务的转变。位置服务作为战略型新兴产业已广泛进入人们生活，正在成为国防安全、经济建设、社会生活中不可或缺的部分。

“智慧城市”、“互联网+”服务、“工业4.0”等需要精确的室内外位置信息做基础支撑。城市的智慧化在于以位置信息为基础的全面感知、泛在互联和融合应用；物联网需要精准感知位置实现空间紧密耦合关联；“互联网+”服务更是以位置为中心实现线上线下精确交互。自2012年开始，LBS服务应用增长速度已超越微博、微信等，成为移动互联重要业务。

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），人们对室内外高精度定位导航的需求呈现爆发式增长趋势。

公共安全、生产安全、应急救援、公共卫生、物联网、特殊人群监护、大型场馆管理、智慧城市建设等领域都需要使用准确的室内外导航定位信息：

（一）在消防救援方面，我国10万余高层建筑，每年火灾10万逾起，基于位置的消防救援问题突出，需要对消防员、被困群众及消防设施进行精确的室内外无缝定位和逃生路径规划。

（二）在老幼人群关爱方面，全国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。

（三）在公共安全方面，全国1000余火车站，160余民用机场，上千个地铁在运营车站，以上地点单日人流量可达数十万，安全管理问题突出，需要对安全管理人员进行定位，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。

（四）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。

（五）在矿山管理与救援方面，全国上万家煤矿，560万矿工，每年矿难死亡上千人，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。

（六）在大型场馆人员、物资管理方面，全国6000余个展馆、博物馆，大量5万平米以上的大型仓库，其人员、物资管理需求迫切，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。

（七）在商场导购方面，我国数千个大型购物广场，最大达121.5万平米，日消费者超20万人，通过位置服务，能够向顾客提供便捷的精准导购服务。

（八）在车辆导航方面，我国大型室内停车场车位已达数千个，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。

（九）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2亿，近三年年增长率超过100%。个人导航、地点交友（如微信摇一摇）、即时通讯、以地理位置为基础的小型社区等服务。

传统室内外高精度定位技术存在定位精度与覆盖范围的突出矛盾，室内外无缝高精度三维定位面临严峻挑战

（一）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。

（二）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、射频标签、紫蜂、蓝牙、超宽带无线电、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，位置服务运维难。

基于Wi-Fi的室内定位系统目前主要有两类：第一类是Wi-Fi无线AP区间定位，通过收集Wi-Fi无线AP安装位置，和定位台接收到的AP地址，实现基于Wi-Fi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 10～20米；第二类则采用Wi-Fi无线信号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 3米，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上大量普及。但蓝牙节点远不如Wi-Fi无线AP普及，因此其应用普及程度不及Wi-Fi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Wi-Fi、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 米量级，现阶段的产业推广难度较上述系统更加困难。

（三）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，Positioning Reference Signals），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定位、环路往返时延定位、上行链路信号到达时间定位方法、上行链路信号到达时间差方法以及信号到达角度定位方法、高级前向链路三角定位、下行链路增强观测时间差定位方法、下行链路空闲周期观测到达时间差方法等。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 50～300 米），无法实现米级高精度室内定位。

通信与导航深度融合的高精度室内外三维定位技术，实现了“定位精度高，覆盖范围大，技术成本低”，成为国际领先的室内导航位置服务技术

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，北京邮电大学邓中亮团队牵头，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1～3米，垂直精度小于1米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。主要技术优势如下：

（一）共频带三维定位TC-OFDM

在理论研究方面，发现室内定位导航信号散射传输突变规律，建立建筑空间导航定位基础理论与方法，提出共频带增强三维定位新思想，突破通信网传统非视线线定位瓶颈，大幅增强了基于通信网络的室内外无缝定位能力。

由此形成卫星导航融于地面通信TC-OFDM（Time-Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术体制，是国际上一个新的导航通信复合技术体制，实现了移动通信蜂窝基站网的高精度定位测量功能、室外“卫星盲区”覆盖与室内可测的位置服务。

（二）散射多径聚合、导航路径动态规划

针对建筑多单元结构对无线信号多重干扰问题，利用建筑空间几何特性，提出了非视线镜像传播估计新方法，大幅降低了“基站-终端”距离测量计算误差。

通过突破建筑内多障非自由空间导航路径动态规划难题，基于建筑结构多层多单元可连通性特点，构建建筑空间特征库、位置与时态关联模型，提出建筑空间多尺度网格编码与时空数据融合计算方法，提升了导航规划效能。

（三）多源融合导航定位新体系

融合BD/GNSS、TC-OFDM、Wi-Fi、蓝牙、惯性、视觉等多种手段，创建多元紧耦合定位模型，实现空天地一体化多源融合大型建筑群内外对人与物体的“米级”无缝定位。

为实现广域室内外无缝定位，开展基站/Wi-Fi/卫星等多源无线信息的融合，采用了基于信号完备性判决的异构网络变权位置解算技术，实现了异构网络定位系统的软切换，保障了定位结果的连续性。

（四）室内导航与位置服务架构与系统

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；完成广域室内外电子地图的无缝融合，实现室内外无缝路径规划；制定离、在线两种地图服务方式应用接口标准规范，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。

建议加大研发和推广力度，尽快将技术和市场领先转化为技术和市场主导，实现“定位中国，定位世界”的强国强军梦想

未来室内位置服务技术将国家战略布局和国际科技竞争热点，向深空、深地方向多元发展，引领现代服务产业发展。主要建议如下：

（一）空天地一体化的导航与通信体制

室内位置服务将面向空天地一体化、通信与导航体制结合，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。

（二）融合移动互联，创新业务，提升服务

随着车联网技术需求的发展，卫星导航产业的四大细分市场将进入高速增长阶段。首先是高端制造业，包括导航芯片与模块、多种通信芯片与模块、接收机组件、显示器件与正集成；其次是软件业，包括各种系统类软件、导航定位收拾软件、地图引擎与嵌入式应用；再次是导航相关的现代服务业；最后是综合数据业。

4G大大提高了移动终端的通信带宽，带来了更多应用前景。其中包括业务数据速率要求较高的多媒体业务，例如高清视频监控、3D视频点播、实景地图、3D地图、导航与位置服务等。还包括单业务带宽要求较小，但同时在线用户较多的应用，例如QQ、微信等即时通信系统。以及时延要求较高的实时性业务，例如视频会议、视频监控和大型网络游戏等。

（三）发展高精度定位服务抢占物联网应用制高点

位置服务将步入无缝化时代，以亚米级导航电子地图为基础，室内导航、全息地图与位置服务、城市智能交通、个人位置服务等将蓬勃发展起来。随着信息网络技术从单系统到互联网、再到云服务时代的进步，位置服务资源将从集中到分散、再发展到集中，实现多资源、多功能、多途径的综合位置服务，构建完整的国家和社会安全保障服务平台。

（四）推动智慧城市建设

为此，需要加快导航位置服务的标准化工作，在基础设施层上要加快国家标准制定；在共性技术层上要加强国际标准制定；应用与服务层上要加快大众与行业应用标准制定；在产业化上要加快从芯片到终端、从关键设备到网络、从运行到服务的标准体系建设。