遮蔽空间定位导航技术特征分析与发展综述

鲍亚川，杨梦焕，李建佳，李隽

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄 050081；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,石家庄 050081)

0 引言

卫星导航系统在各国竟相发展，因其广覆盖、低成本、高精度的优势，在各行各业得到大量应用并发挥了巨大作用，导航定位服务也日渐成为社会经济运行不可获取的基础服务.导航定位逐步渗入到各行各业中后，人们逐渐发现大量的区域空间无法接收卫星导航信号，进而无法获取卫星导航定位服务，这类空间的定位导航需求无法被满足.

遮蔽空间，是指卫星导航信号被遮挡，无法依靠卫星导航系统实现定位的空间区域.近年来，以河北省雄安新区、江苏省南京市江北地下城等为代表的地下城市建设进入了快速发展新阶段，大型煤矿加快推进智能化采矿系统部署应用，地下空间的开发利用步入了一个以“大空间+智能应用”为特征的新的发展时期，对地下空间定位、导航和授时(positioning,navigation and timing，PNT)技术的需求迫切.我国北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)已于2020 年完成建设，我国也随之提出了要建设“更加泛在、更加融合、更加智能”的综合PNT 体系，建设上天入地、全场景覆盖的时空服务体系，成为新时期时空信息领域发展的目标和方向.在迫切的市场应用需求和国家战略的双重推动下，面向室内、地下的遮蔽空间PNT 技术迎来了新的发展契机.遮蔽空间PNT 技术也成为了国内外领域科研机构关注的重点方向，以超宽带(ultra wide band，UWB)、伪卫星、5G 等为代表的定位技术快速发展，并在一些场景得到了应用.本文将对遮蔽空间定位导航场景需求进行特征分析，对存在的技术挑战进行说明并对相关技术发展进行展望.

1 遮蔽空间场景及需求分析

1.1 遮蔽空间场景分析

根据卫星导航信号遮挡情况及信号传播特征，对遮蔽空间划分为两大类.

1)卫星导航半遮蔽空间

城市峡谷、山区、丛林等，在这些区域，卫星导航信号受到部分遮挡，导致定位导航信号不连续、定位精度降低甚至定位不可用.

2)卫星导航完全遮蔽空间

因为地形或建筑构造导致完全不能接收卫星导航信号实现定位的空间，这类空间又具体包括以下三类：

①地上室内空间，包括城市楼宇、火车站、候机厅等建筑物内部，空间内无法接收卫星导航信号，但可接收地面室外基站网络信号实现覆盖；

②地下空间，包括地铁、停车场、地下商场等，无法接收卫星导航信号以及地面无线电信号，但可在空间内部架设无线电网络实现定位导航覆盖；

③复杂电磁传播条件下的特殊遮蔽空间，如民用大型工矿、制造车间，以及大型船艇内部等，存在大量金属遮蔽结构，导致无线电信号传播效应复杂，无法在内部部署无线电网络进行定位导航空间.

根据应用条件，遮蔽环境又可以分为合作场景与非合作场景.

合作遮蔽场景，位于己方控制区域，包括己方城市峡谷、茂密丛林、室内地下、己方基地、地下空间、大型船艇内部等，这类场景一般通过建设定位基站网络，可实现不同精度定位导航保障；

非合作遮蔽场景，位于交战区域或敌占区，包括陌生山区、峡谷、丛林、洞穴、陌生城市室内地下空间、敌方指挥所、敌方地下基地等，这类场景不具备提前部署固定设施的条件，甚至缺乏有效的地理信息支撑，需要依靠自主传感手段、机动式网络实现定位导航保障.

1.2 应用需求分析

在合作场景，主要面向己方地上设施内部、地下设施等，为人员、装备、车辆等提供定位、位置报告、路径规划导航，以及无人驾驶控制等保障.

在非合作场景，根据应用对象以及任务的不同，需要能够提供不同精度能力的定位导航保障.典型保障需求列举如下：

1) 集群城市作战，需要能够为人员提供室内室外、地上地下多场景连续自适应的定位导航、态势管控保障；

2) 人员搜救，需要能够基于通导融合手段，实现遮蔽环境人员定位与位置报告；

3) 无人装备自主侦察作战，面向无人机、无人车等提供高精度、高自主、高完好、高智能的定位导航能力保障.

2 技术手段适用性分析

卫星导航遮蔽环境下的定位导航技术主要包括无线电导航、自主传感导航两大类.

2.1 遮蔽环境无线电导航

遮蔽环境无线电导航，是通过遮蔽环境中部署固定或机动式无线电定位节点，通过无线电测距、测角、测姿等方式实现不依靠卫星导航的定位能力.

UWB 定位导航技术，是依靠网络节点收发纳秒级窄脉冲信号，实现相互高精度测距、测角，进而实现定位.该技术由于信号体制的原因具有抗多径能力强、测距精度高、低功耗等优势，适用于室内地下环境，最高可实现厘米级定位精度.该技术已在民用矿井、工厂、监狱等领域大范围应用，苹果、三星等手机已全部内置了UWB 芯片[1-2].

4G、5G 的室内定位导航技术，是基于4G、5G 位置服务信号以及共频带测距信号进行基站与用户间测距实现定位导航的技术.该技术优点是可以通过大量建设的5G 基站网络，面向用户提供室内外定位导航服务.受限于信号体制，存在抗多径能力弱，室内复杂环境定位精度不高等问题[3-4].

室内伪卫星定位技术，是通过伪卫星基站播发北斗系统相同信号实现在一定范围内卫星导航补充和增强，空基/地基平台播发伪卫星信号可以实现在北斗受干扰区域提供卫星导航覆盖，将伪卫星基站部署到室内或城市空间，就可以面向卫星导航用户室内外连续的无缝导航定位能力，解决城市峡谷和室内定位问题.该项技术原理与卫星导航近似，会受到多径效应影响，适用于较为开阔、层高较高的室内地下空间，以确保较高信号仰角[5].

此外还有基于Zigbee、蓝牙、Wi-Fi 等多种通信网络的室内定位导航技术，基于通信信号测距实现定位，在民用领域的不同场景下得到应用.

2.2 遮蔽环境自主传感导航

自主传感导航，是依靠惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)、激光雷达、视觉传感器等手段实现在陌生环境条件下不依赖卫星导航的定位导航能力.

即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技术，通常部署于无人平台应用，依靠激光雷达或视觉传感器进行环境信息实时感知，同步完成地图测绘及平台定位能力，一般应用于陌生室内地下环境，具有完全自主的突出优势，在无人驾驶、地图测绘等领域已得到大范围应用，但也存在低光照环境使用受限、误差累计等问题[6].

人员穿戴惯导传感器，是依靠穿戴式定位模组中的单个或者多个关系传感器实现不依赖卫星导航的人员自主定位，具有体积小、功耗低、可穿戴、完全自主等优势，但目前也存在长距离精度下降、使用人员姿态受限等问题[7].

2.3 其他手段

除此之外还有声学定位与可见光定位等手段，可应用于特殊场景中.

声学定位是利用声波信号进行测距和定位，目前通常采用不能被人耳感知的近超声信号.在室内区域部署多个近超声基站，使用手机或专用终端与基站进行相互测距，即可定位.在舰艇、工矿企业等金属结构复杂区域，无线电定位手段精度会恶化甚至不可用，该技术依靠声信号传播测量，不受影响，因此仍可以提供亚米级高精度定位能力，同时也具有低成本、低功耗等优势，但该技术也存在动态定位性能不足、定位范围较小等问题[8].

可见光定位是以发光二极管为信号光源，可见光波为通信测量载波，自由空间为传输信道的通信测量技术，具有传输速率高、保密性强、抗电磁干扰强等特点，可以实现照明、通信与定位一体化，但存在定位范围较小的问题[9].

2.4 适用性分析

在上述各类技术实际使用中，也会结合应用需求，进行多源组合以实现更强的环境适应性及更高的稳定性.典型技术手段特征及适用场景分析汇总如表1 所示.

表1 典型技术手段特征及适用场景分析

3 面临的问题挑战

遮蔽空间定位导航，与卫星导航所适用的地表开阔空间相比，面临空间结构受限、信号传播受限等挑战，要实现高精度、高可靠的定位导航能力，还存在众多难题[10].目前，无线电定位技术在遮蔽空间定位导航领域研究最为活跃，应用最为广泛，其中又以UWB 技术效果最好，最具有代表性.因此，以UWB技术为例，对遮蔽空间定位导航面临的问题挑战进行说明.

3.1 复杂的环境几何结构带来影响

室内地下空间是遮蔽环境中最常见的场景几何，结构千变万化，类型多样.存在狭长廊道、多层空间、倾斜隧道、曲折通道等多种不同形式的空间形式，要基于基站网络实现高精度定位，定位网络构型如何设计要面临较大的问题挑战.

以地下矿井的狭长空间为例，矿井长度可达数十千米，矿井宽度通常小于5 m，以卫星导航为代表的多点定位体制在很多场景下难以适用.

图1 为模拟地下矿井场景进行仿真分析，场景为长度为100 m、宽度为5 m、高度为5 m 的隧道，以UWB 技术为例，设定测距误差在0.1 m，在该场景中，四个定位基站部署于空间四角的位置.仿真结果表明，在隧道中间区域定位误差可在0.5 m内，但在隧道边缘区域、以及接近基站的位置区域由于几何分布极端不理想，误差恶化为2 m 以上，狭长的空间环境给高精度定位带来了明显挑战.

图1 狭长空间四站三维定位精度

3.2 复杂传播环境对无线电定位带来挑战

遮蔽空间传播环境的复杂性还体现在环境材质的影响，不同材质的电导率等存在显著差异，不同的环境材质会对无线电信号传播产生不同的影响，进而对测距精度带来较大影响.

仿真构建了一个100 m×3 m×3 m 的狭长空间，位于空间顶部的UWB 基站与人员进行测距定位.图2针对空间墙壁材质为金属、混凝土、玻璃、砖的四种情况分别进行仿真试验.针对该场景，基于MATLAB平台构建射线追踪仿真模型，信号带宽为500 MHz的UWB 信号，信号频点为3.9 GHz，采用了金属、混凝土、玻璃、砖的标准介电系数，重点对UWB 信号在不同材质环境下的信道冲击响应进行仿真分析，并重点分析不同环境材质带来的多径信号强度及数量差异.

图2 狭长隧道场景

不同材质环境下的信道冲击响应如图3～6 所示.由图可知，不同环境材质带来的多径信号数量以及多径信号强度差异明显，混凝土、玻璃、砖三种材质环境下的多径数量以及直射径能量占比基本一致，但金属材质环境下的多径信号数量和强度显著增强.平整的金属表面发生了类似于镜面反射的效果，多径数目明显多于其他材质，这就导致无线电定位手段在金属环境下的定位效果较差，甚至完全不可用.如UWB定位手段，在多数室内地下遮蔽场景下都可以依靠其自身优异的抗多径能力，实现亚米级甚至厘米级定位精度，但在金属遮蔽环境下，定位精度严重恶化.

图3 混凝土场景信道冲击响应

图4 金属场景信道冲击响应

图5 玻璃场景信道冲击响应

图6 砖石场景信道冲击响应

3.3 受限环境下的高可靠定位

遮蔽环境的复杂性、多样性对高精度定位带来了巨大挑战，但同时要在空间狭小、光照受限等不利因素影响下，以室内地下为代表的遮蔽空间，往往存在空间狭小、光照受限等问题，由于环境的复杂性、多样性要实现高精度定位面临很大的技术挑战，但在这类环境下反而需要更为高精度的定位导航能力.国家应急管理部即将发布的《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》及其编制说明，对于井下人员精确定位要求精度优于0.3 m[11-12].面向“无人则安、少人则安”的发展目标，未来要力求依靠完全自动化、智能化装备，实现地下无人化作业，因此对于定位导航保障的可靠性提出了极高要求.

4 未来系统架构

智慧城市、自动化工厂、大型矿井等是当前遮蔽空间定位导航技术需求最为迫切，也是未来最为主要的典型场景应用.这些场景下的无人驾驶、智能制造、无人作业发展迅猛，但也需要定位导航技术实现跨越和突破，提供更为强有力的技术支撑.面向无人化、智能化发展需求，新一代遮蔽空间PNT 网络，未来发展应具有的技术能力包括：

1) 高精度：一维/二维定位演进为高精度三维定位；

2) 高并发：新型波形及协议实现大规模多址接入；

3) 低时延：接入控制由云端下放基站，边缘计算实现低延时定位；

4) 高动态：支持遮蔽空间高动态定位能力；

5) 全场景：多体制定位混合组网实现无缝定位；

6) 高可靠：高完好支持无人化车辆、装备导航.

要实现上述能力，就需要全新的系统架构、创新的管控机制、弹性伸缩的标准协议支撑，构建更为灵活、可靠、可伸缩的PNT 系统.适应于遮蔽空间的规模可伸缩智能化PNT 系统架构，如图7 所示.

图7 规模可伸缩智能化PNT 系统架构

规模可伸缩智能化PNT 系统采用网云端四层架构：

1) 云端智能管控：设计基于数字孪生地图的精细化管控机制，实现面向业务的系统智能化管控能力，支持网络资源的智能调配，支持网络多模基站、大量用户的接入/退出.

2) 通信网深度融合：设计与移动网络，工业环网等通信网融合的PNT 系统协议集.梳理现有通信网络接口，在系统服务模式设计驱动下进行时空服务网络协议集设计，支持PNT 基站、终端与云端信息交互.

3) PNT 混合组网：高并发高灵活性的基站子网架构与协议设计.子网架构设计与组网机制、UWB对云端以及用户终端的信号、信息协议设计、高并发低时延用户服务机制.

4) 多模一体用户终端：协同设计用户侧时空服务协议.协同设计面向用户的时空服务协议，对接基站接口、时空服务协议完成终端功能开发.

其中，要适应遮蔽空间的各类复杂环境，多模PNT 基站混合组网极端重要，因此需设计开放式多层规模可伸缩PNT 网络架构.如图8 所示，该网络架构包括PNT-CU(中心单元)、PNT-DU(分布单元)、PNT-PU(物理单元)三层单元；统一时空服务PNT-CU单元，协调管理区域多源异构PNT 网络基站；统一PNT-DU 单元，完成区域分簇网络的基站组网、时空统一、定位解算；差异化PNT-PU 单元，完成HNav-UWB(高性能定位导航型UWB)、伪卫星、近超声等多种异构导航源的信号处理与用户接入.

图8 开放式多层规模可伸缩PNT 网络架构

依托规模可伸缩智能化PNT 系统架构，构建开放式多层统一PNT 网络，将可以针对各类PNT 基站进行统一部署和协同管理，形成可以适应各类遮蔽空间场景，满足各类用户需求的可靠精准定位导航能力.

5 结束语

在室内、地下空间加速开发利用的大背景下，遮蔽空间PNT 技术需求迫切、应用前景广泛、实现途径多样，近年来已经逐步由理论概念走向了应用实践.各类遮蔽空间PNT 系统不断涌现，多体制融合的遮蔽空间PNT 将是实现室内、地下空间无人化智能化的基础支撑和关键手段，在智慧城市、无人物流等领域实现广泛和重要应用，也将会在国家综合PNT 体系发展建设中发挥不可获取、难以替代的关键核心作用.