現在網絡已經大部分覆蓋了我們生活和工作的區域,“網絡已連接”成為了我們日常不可或缺的一部分,但是我們在乘坐高鐵、地鐵時,仍會出現“網絡信號不佳”甚至是“網絡已斷開”的情況。
在地面,我們通信是通過基站4G、5G組網信號覆蓋,導航等也可以直接通過北斗定位,但在地下,由于建筑遮擋導致室內接收的信號波被削弱甚至被阻擋,導致了地下通信信號弱的現象普遍存在。同時,地鐵的高速移動讓地下信號回傳定位更是加大了難度。
3月20日,我國首個地鐵北斗定位系統在北京開工建設,此次“超大城市軌道交通系統高效運輸與安全服務關鍵技術”項目采用了室內北斗+5G融合的定位技術,來實現室內定位信號的播發,讓用戶可以接收到導航定位的信號,使地鐵站地下空間的定位精度提高到優于2米。該系統可用于車輛調度、客運組織、應急處置,同時還能讓乘客能夠在地下環境使用手機地圖,并通過三維立體導航實現地鐵站內的定位導航。
北斗+5G魅力何在
北斗衛星導航系統(簡稱:北斗系統)主要是為全球用戶提供全天候、全天時的定位、導航和授時服務。在2020年7月31日,北斗三號系統建成開通并提供全球服務,北斗系統進入全面推廣應用的新階段。
但北斗系統主要是解決室外的定位需求,在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、救災減災、公共安全等方面都得到了基礎的應用。其在室外的定位精度在10米左右,且測速精度為0.2米每秒,授時精度為20納秒左右。但由于衛星信號無法覆蓋室內且對環境免疫性較差,無法滿足室內定位以及室外遮擋等復雜區域定位的必要條件,其在室內的應用也被大大限制了。
5G組網是利用基站部署,具有密集組網、大帶寬和多天線等對定位有利的條件,且其空中接口時延低至1ms,移動性支持500km/h的高速移動等,基于5G通信網絡的定位技術可在室內實現亞米級甚至分米級的定位精度。
像地鐵這類高速通行的地下環境,北斗+5G的深度融合可構建室內外覆蓋定位體系,結合5G大帶寬、低時延、廣連接的優勢和北斗系統的導航定位能力,大大提高復雜室內環境的定位精度。
地鐵北斗定位系統是首次應用在地鐵的北斗+5G解決方案,但其實這項融合定位技術早已在市場出現。2021年4月,中國移動開發5G+北斗精準導航系統,并在重慶解放碑地下環道進行試驗。
室內定位已是剛需
北斗系統是GNSS的一種,這都屬于室外定位的范疇。由于人們大部分處在室內工作和生活,室內高精度定位逐漸成為剛需。而目前常見的室內無線定位技術有RFID、WiFi、ZigBee、藍牙、UWB等,其各有優劣,但隨著精度需求越來越高,藍牙AOA和UWB在其中備受關注。
RFID(射頻識別)技術:利用射頻方式,固定天線形成電磁場,附著于物品的標簽經過磁場后感應電流生成把數據傳送出去,從而進行非接觸式雙向通信交換數據,實現移動設備識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內獲取厘米級的定位信息,且電磁場具有非視距的優點,RFID室內定位技術也具有傳輸范圍大、成本較低的特征。但其不具有通信能力,抗干擾能力較差,不便于整合到其他系統之中,且用戶的安全隱私保障和國際標準化都不夠完善,因而一般應用在物流、倉庫定位中。
WiFi技術:WiFi室內定位分為兩種,一種是利用移動設備和無線網絡接入點組成的無線局域網絡,通過差分算法,來比較精準地對人和車輛的進行定位追蹤。另一種是事先記錄巨量的確定位置點的信號強度,通過新增設備的信號強度與巨量數據庫對比,來完成定位跟蹤。WiFi定位最高精確度大約在1米至20米之間,但Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區域,而且很容易受到其他信號的干擾,定位器的能耗也比較高。
ZigBee技術:ZigBee是一種短距離、低速率的無線網絡技術。它主要是利用無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器,通過傳感器之間的相互協調通信進行設備的位置定位。因此ZigBee最顯著的特點就是低功耗和低成本,但局限就在于信號傳輸受多徑效應和移動的影響都很大,其衍射能力弱,穿墻能力弱。普遍用于大型的工廠和車間的人員在崗管理系統。
藍牙技術:作為一種短距離低功耗的無線傳輸技術,利用藍牙接入點與用戶連接,通過檢測信號強度就可以獲得用戶的位置信息。藍牙最大的優點是設備體積小、短距離、低功耗,容易集成在手機等移動設備中。但對于復雜的空間環境,藍牙定位系統的穩定性稍差,受噪聲信號干擾大。然而近些年大火的藍牙AOA以接納器和發射器為基礎,能夠在確認的區域內經過多天線丈量信標信號,以及三角形定位法,來核算出信標設備準確方位,精度可高達0.1里面,但藍牙AOA的部署環境大部分要求在1-3米的精度場景內。
UWB(超寬帶)技術:UWB是近些年興起的一種傳輸速率高,發射功率較低,穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線通信技術,它不需要使用傳統通信體制中的載波,而是通過發送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據,從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。UWB定位精度可達到亞米級,多應用于室內靜止或者移動的活體定位跟蹤,但依然存在功耗和成本需優化的問題。
融合定位是未來之勢
前文已提到了常見的六種室內定位技術,但物聯網的碎片化現象,使得單一技術無法很好地滿足場景需求應用,因此融合定位成為了行業需求的趨勢。
在去年中國衛星導航定位協會發布《2021中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》中指出,2020年全行業總產值同比增長16.9%,達到4033億元。其中高精度定位市場增速遠超全行業,2020年同比增長47.5%,總產值達到110.4億元。從2010年到2020年的11年之間,高精度定位產品年銷售收入增長了10倍,年均復合增長率高達26%。
單一的定位技術無法填補海量市場差異化的需求,因此類似于“北斗+”,“5G+”,“UWB+”等融合定位技術逐漸被推出,逐步完善產業鏈。像自動駕駛、智慧交通在技術快速演進階段,“北斗+5G”技術成為了新型的解決方案;在智慧礦井的人員定位系統中,“UWB+ZigBee”技術比單一運用UWB更靈活等等。融合定位可以在單一定位技術上進行缺陷互補,能在場景應用中將功耗、成本、定位精度進行最優化的把控,打造精細化定位方案。
未來,融合定位將會大放異彩。