北斗室内外无缝导航定位体系与冬奥应用示范

文｜蔚保国 李隽 黄璐 李雅宁 张衡 贾浩男 祝瑞辉

1.中国电子科技集团公司第五十四研究所

2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室

一、前言

导航与位置服务攸关国家安全、经济发展和社会民生，在新一代信息系统这一战略性新兴产业中，具有举足轻重和不可或缺的地位，在物联网、智慧地球、节能减排、应急救援等领域发挥着重要的基础性支撑作用[1-3]。习近平总书记在联合国第十三届ICG 大会贺信中指出：我国要在2035年前构建更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合时空体系。在这一国家重大科技专项推进中，室内外无缝定位是其中极为重要的组成部分，能够提高我国综合PNT 在GNSS 信息传输阻遏、信号干扰欺骗等条件下的服务性能，使时空服务更强、覆盖更广、更安全、更可靠，为未来综合PNT 智能化、无人化发展提供核心支持。

与室外开阔空间相比，室内信道环境和空间拓扑关系更为复杂，GNSS 空间信号服务由于建筑遮挡衰减，导致在室内环境无法大范围地有效覆盖，于是学术界和工业界探索衍生出多种多样的室内PNT 理论方法和技术手段[4-6]。虽然室内定位导航信源种类繁多，但都有一定的局限性，不同定位信息的融合仍面临环境变化带来的性能提升挑战。复杂多变的室内环境带来的无线信号覆盖问题、精准测量问题、环境感知问题、地图更新问题等均是室内外无缝定位技术的难点所在，限制了相关技术在各类室内遮蔽空间、半遮蔽空间的大规模推广应用。总的来说，室内外无缝定位面临着用户需求各异、应用场景多样、技术手段繁杂、标准规范不统一、通用技术体制未突破、多体系难以协同等问题，目前仍缺乏通用普适的可大范围推广的北斗室内外精准连续定位系统。

针对上述问题，本文面向室内外无缝导航定位最大共性需求，从技术发展现状出发，明确目前室内外无缝定位应用推广面临的问题与挑战，设计并提出了通用普适的标准化体系架构，涵盖了室内外绝大部分应用场景以及用户需求，围绕该体系架构梳理了相关通用技术体制所需突破的关键技术，制定了未来室内外定位技术发展的重点任务，同时介绍了北斗室内外高精度定位系统及其在北京2022冬奥会的实际应用情况，最后在文末展望了室内定位的发展愿景。

二、基本问题及技术路线

北斗室内外无缝定位技术指的是在室内外环境中实现连续、无中断的位置信息获取，以北斗为核心，采用移动网络、室内无线信号、惯性测量、环境感知等多种技术集成形成室内外无缝导航定位体系，从而实现人员、物品等在室内外空间中的位置监控[7-10]。

1.基本问题

室内外无缝定位导航领域面临的基本问题可以从以下三个角度分析：

第一，体系角度。站在普适统一时空基准表达以及万物互联PNT 服务的角度，目前尚未建立起室内外无缝导航定位体系以及应对所有应用和服务的开放标准，限制了大规模的跨域推广应用和安全可信高端应用。需要构建室内综合定位授时子体系，并有机融入国家综合PNT 体系。

第二，系统角度。虽然室内导航信源种类繁多，但各种信源都有一定的局限性，不同定位信息的融合仍面临环境变化带来的性能提升挑战。因此可广域覆盖并支持用户漫游的标准化室内定位国家基础设施建设仍然是一大挑战。

第三，应用角度。对不同的应用场合、对象来说，用户需求各异，同时还要综合考虑硬件设施成本、易用性、可靠性、实时性、技术成熟度等多重因素，使得系统落地应用时面临巨大挑战。

2.技术路线

目前室外定位已经形成了相关标准，推动了全球卫星导航产业化与位置服务的快速发展，然而室内定位仍缺乏标准化技术体系[11-13]。因此本文提出了室内外无缝导航定位体系架构包含以下五点要素：

（1）建设三网融合的室内外综合PNT 体系

面向室内外定位多样的应用领域及用户需求，建立“公网+专网+机动网”的三网协同的室内外PNT 标准化体系架构，设计网络侧、云处理侧、用户端侧三层次服务框架，实现“三网+三层”的室内外无缝定位总体解决方案。

（2）创新发展多手段融合室内PNT 系统

面向复杂室内外遮蔽环境下的定位导航授时需求，构建以北斗卫星为主的，与通信网络、惯性系统等多源信息深度融合的泛在PNT 系统，创新发展普适通用、可大范围推广的三网协同的室内外PNT技术体制和智能混合定位系统。

（3）加强室内PNT 与多体系协同能力

围绕三网协同标准化室内外PNT 体系架构，研究室内外PNT 子体系与国家综合PNT 体系、网络信息体系的协同及融合、各体系时空基准统一等方法，建立高效的协同运行机制。

（4）推动室内外无缝定位体系验证及应用

建设室内外无缝定位试验验证与监测评估系统，包括平台基础设施、PNT 服务及应用模式、信息与网络安全等多层级模拟试验验证环境。

（5）强化室内外综合PNT 政策标准保障能力

构建室内外一体化应用服务生态环境，建设高效协同的室内外PNT 体系建设管理体制和协调体制，实现室内外信号频率兼容互操作，构建集政策法规、知识产权、标准化、国际合作、学术交流等为一体的综合支撑保障软环境。

3.体系架构及关键技术

（1）北斗室内外导航定位体系架构

该体系架构包含网络层、云处理层以及用户层。其中网络层包含面向大众用户的“公网”、面向专业用户的“专网”以及面向特种用户的“机动网”；云处理层包含网图一体化管控平台、多信息融合智能控制系统、室内外一体化GIS 信息及时空基准统一；用户层包含大众智能终端、专有化室内外一体定位芯片、位置服务应用软件[14-17]，如图1 所示。

图1 北斗室内外无缝导航定位体系架构

（2）北斗室内外导航定位关键技术

面向不同用户需求和应用场景的北斗室内外无缝导航定位通用技术体制，具体来讲包含以下三点：

第一，面向大众用户的基于公网定位的关键技术。建设通用普适的室内外定位系统，构建北斗+低轨+北斗伪卫星为核心，融合5G 通信、音频、惯性传感器多源定位信息融合的轻量化室内外PNT“公网”总体架构。

第二，面向专业用户的基于专网定位的关键技术。构建北斗+北斗伪卫星+超宽带+激光+IMU的混合定位网络，依托专有终端设备的高精度定位源获取高质量定位数据，同时结合多层级滤波融合算法实现多约束条件下的室内外连续定位。

第三，面向特种用户的基于机动网定位的关键技术。基于新型UWB 自组网+微惯性测量单元+同步定位与测图（SLAM）技术，突破感知定位一体化、网图定位一体化等关键技术，实现不具备提前布站条件的陌生室内环境下快速自组网与通信定位能力。

三、北斗室内导航定位技术标准

近年来，国内外相关机构开始探讨室内定位相关标准问题，以推进室内定位规范化发展。本文介绍基于“十三五”国家重点研发计划项目成果，卫星导航系统与装备技术国家重点实验室牵头组织形成的相关行业标准及团体标准情况。

第一，室内定位系统性能测试验证标准。本标准规定了室内定位系统的测试分类、测试方法、评估方法、测试评估场景、测试评估报告要求等相关技术要求。

第二，室内无线基站定位仿真通用要求和数据格式。本标准规定了室内混合智能定位数学仿真通用要求和数据交换格式，适用于室内无线基站布设、无线信号兼容性分析、无线定位观测数据、室内多径等方面仿真建模表达和数据交换。

第三，北斗室内伪卫星组网技术要求与部署规范。本标准包括室内伪卫星组网技术要求、部署规范以及伪卫星信号要求，标准的重点是伪卫星在室内环境中的组网准则，规定了北斗室内伪卫星组网技术要求、伪卫星部署规范及信号要求。

第四，室内电磁波指纹数据库的建设与更新。本标准主要在室内电磁波指纹数据表结构、更新及增删规则等方面进行规范定义，旨在对室内位置服务产品制定相关标准，实现室内电磁波数据库的标准化产出。

第五，室内视觉地标数据库技术规范。本标准规定了室内视觉地标数据库的数据基本组成及数据库的创建、维护及更新所遵循的要求，适用于室内视觉地标数据库的设计、创建、维护与更新规则。

第六，室内伪卫星定位接收数据检测方法。本标准主要用于规范伪卫星载波相位周跳、伪卫星信号强度、观测量可持续性等方面要求。

第七，兼容北斗伪卫星信号的定位终端模块通用规范。本标准规定了北斗伪卫星室内定位终端模块的一般要求、功能要求、性能要求及结构安装要求。包括终端自检、信号接收解析、卫星定位模块、北斗伪卫星IP适配软核、无线通信模块和电气性能、环境适应性、电磁兼容等。

第八，室内移动测图数据获取技术规范。本标准属于室内移动测图领域。该标准规定了室内移动测图数据获取阶段的基本要求，包括技术准备、测图计划、测图实施、数据处理、质量控制与评价、成果整理与上交等技术要求。

第九，室内三维场景众包更新技术规范。本标准描述室内三维场景内外业更新制作流程，涵盖各流程环节所需满足的基本要求，适用于我国室内导航电子地图产品的制作更新。

第十，室内导航与位置服务协议。本标准旨在对室内位置服务（如时空基准、推送服务、定位服务、地图服务、监控与救援应用等）制定相关标准，规范我国室内位置服务产品使用，实现室内位置服务产品标准化产出。

第十一，北斗伪卫星信号接口规范。本标准适用于北斗室内高精度导航定位与位置服务应用，标准规范了北斗伪卫星信号特性、测距码特性、导航电文类型等内容，适用于北斗伪卫星基站、用户终端和芯片的研制。

标准是引领我国室内外导航定位技术与产业发展的必由之路，大力推动室内定位相关标准制定，将能够规范高效地解决室内外无缝定位体系化、规模化应用的最大共性需求。

四、试验网络建设

基于未来国家综合PNT 体系发展目标和技术趋势，本文提出构建“天地协同PNT 网络”，意在通过体系化路径解决室内外高精度无缝连续定位难题。“天地协同PNT 网络”针对下一代北斗系统建设需求、人工智能以及时空大数据发展新需求，开展以北斗为核心，结合低轨星、伪卫星、地面5G通信网络等实现天地协同增效，突破天地协同PNT网络云端多源数据处理技术，研制国内高精度广域覆盖的科研试验网，形成室内外亚米级精准泛在高精度、可信定位服务能力，打通室内室外地上地下空间信号的泛在连续覆盖，拓展和带动时空信息应用服务产业发展。

1.总体架构设计

总体架构设计如图2 所示，天地协同PNT 网络基于北斗、低轨和伪卫星为主体，采用统一参数域技术框架，解决高精度差分增强处理和完好性评估统一问题，实现室内外用户的无缝高精度定位服务及可信度评估，满足用户高性能高可靠时空大数据应用服务需求。

图2 北斗室内外无缝导航试验网络总体架构

2.服务能力

（1）全球瞬时高精度定位服务

广域范围亚米级定位服务

室外授时同步精度优于20ns

中断后收敛时间优于1 分钟

（2）室内外无缝定位服务

室内优于1m

室外优于30cm

室内外切换时间优于1s

（3）大容量并发服务

支持并发访问量100 万

数据传输时延优于10ms

（4）网络化监测评估服务

具备空间段+ 地面段+ 用户段联合监测功能

提供完好性信息、星座状态、导航信息、导航信号等产品信息

完好性告警时延优于6s

（5）天地一体化应急救援服务

具备全球北斗+RDSS 报文+5G 服务模式

具备天空地协同的北斗实时动态定位与短报文位置报告能力

3.试验验证

在体系仿真方面，采用云网端架构，支持多终端多用户协同仿真，支持北斗天基导航定位、低轨导航增强、城市泛在时空基准、区域多维网信场图、室内外高精度定位导航等天空地各类时空服务的集成仿真。

在实际场景中选择室内外多场景（开阔、半遮蔽、全遮蔽）区域开展试验网络验证，试验基础设施包括北斗伪卫星微基站、时空盒室内外一体化定位终端组成，其中由中国电科54 所导航国家重点实验室自主研制的北斗伪卫星微基站，支持播发兼容北斗/GPS双系统导航增强信号，同时支持单通道、6 通道和12 通道定位与组网以应对多种不同的应用场景。通过嵌入室内定位IP 软核结合商用ublox、和芯星通等多款GNSS 定位芯片可以实现室内狭长空间、小尺度空间以及大尺度空间环境下的导航定位能力。

时空盒是结合消费级、低成本和通导融合的终端，基于北斗伪卫星、移动通信及其他传感器微系统架构集成技术，支持B1/L1 频段，能够实现室内外无缝定位，具备抗低温（-40℃—70℃）特性，同时集成了GNSS 高精度定位、UWB 定位、移动通信、MEMS-IMU、气压计、磁力计和温度计等模块，具有4G/5G 移动通信能力，通过嵌入的室内定位IP软核（支持基于商品化GNSS 芯片实现北斗伪卫星信号的接收处理和定位解算），实现在复杂环境下（室内外、地下）时空盒连续高精度定位、通信和授时，如图3 所示。

图3 一体化定位终端（时空盒）

测试环境为导航国家重点实验室大型室内定位试验环境，测试条件为基于时空盒的室外空间北斗定位和室内空间的北斗伪卫星定位。测试结果如图4 所示，测试轨迹含室内、室外及室内外过渡区域，定位结果亚米级且连续无间断。

图4 室内外多场景连续定位测试

五、室内外无缝定位冬奥会应用

北斗室内外混合定位冬奥应用系统，旨在为北京2022 冬奥会张家口赛区国家跳台滑雪中心及其周边区域提供室内外连续全覆盖场馆位置服务。基于北斗微基站室内外无缝定位系统，首次验证了将北斗信号引入室内提供高精度定位服务，实现了室内外一体化的无缝高精度定位，为冬奥会现场指挥管理中心提供人员、车辆、铁马的闭环管理，室内外无缝的大众位置服务，应急救援调度与精准防疫，无人化机器人巡检等服务。室内外定位系统总体架构如图5 所示。

图5 北斗室内外混合定位冬奥应用系统架构

考虑国家跳台滑雪中心及周边区域室内外复杂建筑结构特点，构建了以北斗伪卫星为核心，结合5G 通信网等多源信息的定位体系架构，兼具云端协同、多源融合、一体化、自适应、多层次特性，提供室内外亚米级可信定位服务。

北斗微基站室内混合定位冬奥应用系统包含信号网络层、终端感知层以及云位置服务层，协同交互实现室内外混合高精度定位。其中网络层包括北斗伪卫星广域室内定位网络、室内UWB 局域定位网络以及北斗室外差分增强网络等；终端层集成了对应网络层的定位数传模块、电源抗低温优化及智能管理系统、轻量化低成本设计工艺等；云端层利用高性能处理能力进行时空数据挖掘、人工智能场景决策，通过5G 通信网与终端交互提供场馆特色位置服务（图6）。

图6 北斗室内外无缝定位系统组成

基于“十三五”国家重点研发计划“室内混合智能定位与室内GIS 技术”项目成果在国家跳台滑雪中心（雪如意场馆）进行了前期的技术体制验证试验，包括室内狭长空间定位测试、开阔空间测试以及室内外连续定位测试。

北京冬奥会张家口赛区北斗微基站室内外高精度定位系统应用为交通运行团队提供了古杨树场馆群车辆的位置态势服务以及人/车闭环管理服务；为防疫和安保运行团队提供了人员的态势服务及密接快速流调服务；为安保部门提供了自主巡航与配送服务，为场馆的智能运行提供重要支撑。

1.特定区域人/车闭环管理

基于北斗室内外无缝定位系统实现了冬奥会赛事期间的闭环管理，通过在人员、车辆、铁马上安装时空盒定位终端，对冬奥会古杨树场馆群室内外闭环区域内工作人员、设施及相关车辆进行运行流线监控，定位精度优于1m，可以防止其破环破圈、进入未授权区域。管理中心可对目标位置实时监控显示，进入未经许可区域会及时告警。

2.室内外无缝导航与位置服务

采用分布式云架构模式，建立了高性能TCP/IP服务器和高性能HTTP 服务器，为冬奥会三十五个运营团队约1200 名工作人员提供北斗室内外云位置服务，包括人员位置感知，云端赛事信息和天气信息推送，提供精准位置共享、目标导航、历史轨迹查询等服务，如图7 所示。

图7 室内外无缝大众位置服务

3.应急救援调度与精准防疫

基于北斗室内外无缝高精度应用大数据平台进行实时态势感知，协助管理者快速定位工作人员、设备状态等，实现全局监控。针对冬奥期间疫情防控人员多、密度大等问题，基于北斗室内外无缝定位系统可在30 分钟内获取密接初筛信息，为冬奥会闭环内工作人员，疫情科学管控与快速溯源追踪提供手段。

本届冬奥会采用闭环管理模式，闭环区域由“大闭环”和若干“小闭环”区域组成。本系统对所有进入场馆内携带时空盒的人员进行实时位置监控，结合划分的高精度电子围栏，基于亚米级的实时定位实现对人员区域预警、非法破环破圈监测，如发现破圈情况，会第一时间短信提醒用户并在后台进行事件提醒，如图8 所示。

图8 精准防疫

4.无人化自主巡检

针对冬奥期间固定及定点区域环境安全实时监测需求，基于北斗室内外无缝高精度定位导航能力，为安保部门提供了24 小时无人车自主巡检服务，具备实时监控重点区域视频和传感精准巡检能力，有效辅助安全事件处理，为场馆智能化自动化运行提供重要支撑，如图9所示。

图9 北斗室内外高精度无人化巡检服务

5.无人化自主配送

基于北斗微基站室内高精度定位网络，可为室内无人车辆提供准确的绝对位置信息，实时修正无人车辆累计误差，并通过室内高精地图实现无人配送能力。具体流程为：用户发出请求物品和地址，无人车通过云平台引导和控制，按照用户需求精准投送物品至室内设定地点；用户取走物品后，调度无人车自动导航返回原地；云端展示无人车实时位置和行进轨迹，如图10 所示。

图10 无人自助配送服务

6.用户终端智能位置服务App

为满足用户任务调度和位置共享需求，系统为用户提供了室内外定位服务App 软件，同组人员可在软件上实时查看组内人员精确位置，上报现场事件（支持拍照取景、问题描述等），同时具备自动接收语音调度能力，如图11 所示。

图11 用户智能服务App

六、总结与展望

科技冬奥是北京2022 冬奥会提出的愿景，意在为世界探寻更好的未来城市解决方案，实现对人友好、对环境友好、对产业友好、对社群友好的人类城市生活目标。北斗室内外无缝定位系统在国际上首次实现了冬奥体育场馆大规模室内外亚米级连续定位，使中国北斗率先进入室内提供位置服务，是“科技奥运”承诺的重要系统支撑，助力冬奥赛事及未来城市美好生活。北斗三号全球卫星导航系统已正式提供服务，推进北斗室内外无缝导航定位融入各行各业应用将是国家重要使命，“打通地上地下、室内室外”实现高精度定位导航与授时，将成为北斗领域实施创新应用的重大基础设施与新质能力。

展望未来，以北斗为基石，发展多源PNT 融合技术，拓展北斗+低轨+伪卫星+UWB+5G 网络协同，是北斗高精度室内外无缝导航定位核心业务与发展趋势。从室内外连续定位一体化角度，加固时空基础设施、强化时空基准网络、提升时空服务效能，形成天地协同、多源融合、无缝智能的室内外连续综合时空信息服务体系，将有力拓展与提升北斗泛在精准时空信息服务，助推我国全社会数字化转型与新一代信息产业快速发展。