基于基合导航系统和NB-IoT的北斗高精度导航定位服务云平台

谭华，张光华

（1.中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630；2.深圳思凯微电子有限公司，广东 深圳 518055）

1 引言

卫星导航系统由于精度技术指标低、系统成本高等原因，不能满足民用行业的低成本高精度的定位业务需求。卫星导航增强系统是卫星导航系统的“能力倍增器”，其通过差分数据（RTK）来计算修正定位偏差，是解决高精度定位通用可行的方案。

围绕高精度、低成本的民用定位需求，本文创新性地提出利用北斗地基增强技术的基合导航系统（BDS-CDRadio），广播发送北斗卫星导航地基增强信号来提供差分数据，结合NB-IoT物联通信模块，实现高精度定位、行业传感数据等信息上传云平台，可为众多行业提供低成本高精度的定位服务。

2 高精度定位需求的分析

北斗系统可通过地基与星基增强系统为用户提供实时的亚米级、厘米级的定位导航服务，因为在政府公共管理部门、交通物流、农林渔业等行业中存在大量的低成本、高精度的实时定位服务场景需求。

高精度卫星导航应用的下游用户众多，有从事测绘工作的测绘院、规划院、建筑单位等地理位置的高精度定位需求；有社区公共管理、电网、燃气等日常生产管理的高精度定位需求；有国土、民政等政府部门为地质灾害防治需要的高精度位移监测需求；有农场、农业公司的农机自动驾驶配套的高精度定位需求；有交通物流行业的车道级导航需求；有无人机、无人驾驶汽车的高精度定位导航需求等。

定位服务方式也出现了云平台化与共享化的趋势。以前的卫星导航应用系统，通常是行业客户自行研发建设与运营，随着云技术的普及与专业分工的加深，客户将专注于本身核心业务的发展，逐步将通用的能力系统运营外包，调用由专业的第三方提供的定位运营与服务能力。当前，基于共享的定位服务平台运营的需求越来越明确，平台型定位运营服务的发展将逐渐成熟，成为定位产业链中重要的一环。

3 高精度定位技术分析

3.1 星基增强系统

星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）是一种在航空领域广泛使用的导航增强系统，该系统通过地球静止轨道卫星搭载导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息。

近年来星基增强系统也在向低轨方向发展，可提供更高的定位精度和更强的地面信号强度。该系统在航空航海等开阔区域具备应用优势，但在城市环境中，由于信号弱，楼宇遮挡严重，其应用场景有一定的局限性。

3.2 通用的地基增强系统

相比星基增强系统，地基增强系统不仅能够提高定位的精确度，还能提高接收终端的灵敏度。早期使用的广域地基增强系统是A-GPS，它基于移动通信网络，采用云平台计算高精度定位数据。A-GPS通过导航辅助技术可有效减少导航接收机首次定位所需的时间，提高接收机灵敏度，但存在定位精度不够稳定等问题。

国内地基增强系统主要有千寻位置服务系统，该系统是将分布在全国的基准站实时接收到的北斗、GPS、GLONASS卫星信号，通过专网传送至集中的数据中心，经解算后再通过移动通信网络实时播发差分数据，用户可根据需要获取实时亚米级、厘米级、后处理毫米级精度的位置服务。千寻位置服务系统基本解决了地基增强数据覆盖的问题，但其采用移动通信网络传输差分数据，存在传输时延大、流量费用高的问题。

3.3 基合导航的地基增强系统

相较于前面两种系统，基合导航的地基增强系统是北斗创新的地基增强系统，其使用处于较低频段的调频广播播发北斗差分修正数据，具有传播距离远、绕射和穿透性强的特点。

这种共生调频数据广播技术通过使用非规则频谱分配、调频发射机干扰预消除、LDPC纠错编码、时间分片等关键技术，利用现存模拟频段间的频谱间隙，提高了接收灵敏度，改善了干扰环境，使数字信号可以“寄生”在一个模拟调频电台的频段内。共生调频数据广播技术在300 kHz的频宽内与原有模拟调频信号同播，共生调频数据广播系统数据速率约24 kb/s，除用于播发北斗卫星差分数据的开销之外，剩余带宽可开展文本、图片传送等增值服务。基合导航的地基增强系统，让高精度、低成本定位服务的实现成为可能。

4 关键技术分析

基合导航系统和NB-IoT技术相结合的定位解决方案，能提供北斗高精度定位服务云，将解决高精度、低成本的定位需求。解决方案主要有三个功能部分：NB-IoT物联终端部分、北斗地基增强部分和公共运营管理平台部分。其中物联终端部分包括通信模块、MCU处理部分、传感采集部分、接口部分、电源管理等。北斗地基增强部分包括共生调频数据广播信号传输北斗差分数据、共生调频广播激励器和用户信号接收模块等，公共运营管理部分主要包括终端设备管理云平台和公共服务能力开放平台。

4.1 NB-IoT物联终端方案

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）可支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称为低功耗广域网。我国三大电信运营商正在推广NB-IoT网络，通过网络层采用PSM和eDRX功能可减少功耗，终端设备待机时间长、网络连接高效。相较于2G/3G/4G移动网络，NB-IoT具有广覆盖、海量连接、更低功耗、更低硬件成本等优势，其中单个NB-IoT通信模块的价格已降到30元左右，并在持续走低。

NB-IoT物联硬件终端与基合导航定位系统对接，可实现高精度定位数据的传输交互。NB-IoT终端为数据传输提供了无线传输协议封装和数据处理功能，定位采集传感数据并上传平台，也可对接多参数数据采集，终端同时带有MCU，具有网管监控能力和边缘计算能力。在高精度定位实现方案中，NB-IoT终端将实现以下功能：

（1）实现高精度定位数据的传输，实时将高精度位置和运行轨迹数据上传平台；

（2）自动化监控及管理，可设定与相关业务相结合的报警等组合条件；

（3）可根据行业用户需求进行二次开发，提供与第三方系统的数据交互。

NB-IoT终端硬件方案示意图如图1所示。

4.2 北斗地基增强技术方案

基合导航的北斗地基增强技术借助广播系统进行北斗地基增强领域的差分修正数据播发，基合导航系统短时延下传差分数据，可实现静态乃至高动态下的实时厘米级定位，具有泛在、实时、精准的特点，同时没有移动通信流量费用的开支，不存在移动用户数量受限等问题，是对现有卫星导航地基增强信息传输机制的一种创新，其主要创新之处在于：

（1）解决了300 kHz带内调频和数据广播的“数模同播”技术问题

调频广播数字化主要的技术方案有DAB和HD Radio。DAB是欧洲数字音频广播，需重新划分广播频道资源，性价比不高。美国的数模同播技术HD Radio，在模拟调频信号旁的上下边带嵌入数字调频信号，实际上是在展宽后的频道里（400 kHz）的“数模同播”，与第一邻频道存在相互干扰，难以适应我国现有调频广播的总体规划。我国的调频广播频率范围规定为87 MHz—108 MHz，国内调频音频广播由国标GBT 4311进行规范，除了单声道及立体声广播外，还规范了多路声广播和调频数据广播这两类。

目前国内的实际调频频点间隔为300 kHz，因此数模同播技术需要在300 kHz频宽内实现。在300 kHz频宽内实现调频和数据广播的数模同播。数据广播功率小于调频信号，对已有调频不产生可感知的干扰。反过来看，模拟调频信号会对数据广播产生高强度的干扰信号，这对数据广播来讲是非常大的技术挑战。基合导航系统架构图如图2所示。

图1 NB-IoT智能终端示意图

（2）共生调频数据广播关键技术

基合导航系统提出了一种新的模数时域混迭带内同频的共生调频数据广播技术，是基于芯片SK9042研制的工程终端样机，其主要技术指标实现为“修正量更新周期为1 s；数据广播速率≥24 kb/s；动态运动条件下水平定位精度优于10 cm”，其关键技术包括：

1）“1+1”的OFDM机制。通过将循环前缀与OFDM符号的FFT设计成相同的长度，可以使用适当的OFDM和FM的分离算法，频域上使得OFDM信号可以更加靠近模拟调频载波信号，从而实现在300 kHz频带内进行数模同播。

2）QC-LDPC信道编码。提出基于欧氏几何和模Golomb尺子的准循环LDPC码的构造方法，并充分结合北斗导航地基增强技术的特点，设计出适用于共生调频数据广播系统的准循环LDPC码，提高了系统的整体传输效率。

3）数模同频分离。在接收端通过信道估值、信号重建抵消来实现信号分离，提出两层的信道估计和矢量计算分离技术，消除模拟调频和数字广播的相互干扰，实现二者的分离。

（3）基合导航系统的设备、产品的研制及产业化进程

共生调频数据广播发射端系统设备的产业化，主要是激励器，一方面要满足国家规定的调频激励器技术标准，另一方面要满足带外衰耗、峰均功率比、输出频谱、载波抑制、载波相位噪声、载波准确度等射频信号频谱和载波信号的性能要求。

4.3 定位终端管理与数据汇聚云平台方案

定位终端设备管理云平台主要有终端设备管理和数据汇聚的功能，平台消息分发能力可支撑十万台定位终端并发消息，平台采用分布式布署，可通过平滑扩容来支撑海量数据的处理。

（1）对高精度定位数据和行业应用数据进行实时采集与监控，满足业务的交互需求。要对高精度定位数据进行实时上传，也需考虑终端对接的各种传感器采集信息的实时上传。同时，终端具有状态监测功能，能根据预定的各种状态参数对业务进行处理，对故障进行报警，下一步将向带边缘计算能力的网关方向发展。

图2 基合导航系统架构图

（2）终端设备管理平台对设备进行管理和监控，实现终端运行状态、定位数据、采集数据等的统计管理，完成系统的监控拓扑图、用户分权分域管理、业务UI呈现等平台功能。图3为设备管理与数据汇聚云平台方案：

图3 设备管理与数据汇聚云平台方案

4.4 高精度定位开放能力服务

采用物联网络和云计算能力，为交通物流、位移监测、农机自动化、交通物流、给排水、电力等行业合作伙伴提供低成本、高精度的定位服务。其主要有两个功能：

（1）定位能力开放。通过SDK接口对接行业系统，提供手机APP和微信等方式进行用户的UI交互，实现高精度定位与人机交互操作。

（2）数据分析能力。通过对高精度海量定位数据进行处理分析，可智能评估和预测被监测的业务系统运营情况；通过对采集到的海量信息进行综合数据挖掘与分析，可形成大数据业务智能决策系统。

5 结束语

通过自主创新的共生调频数据广播技术发送北斗卫星导航地基增强差分信号，融合NB-IoT终端的低成本、低功耗等特点，提供从终端到网络平台的低成本、高精度定位导航解决方案，使得北斗覆盖区域内的导航精度达到1 m以内。定位服务获取成本的降低，将有效推进我国北斗导航系统的广泛民用，有利于构建能力开放服务体系，能够促进北斗系统与物联业务融合产业的不断繁荣。