衛(wèi)星+5G，導(dǎo)航不再變磚

本文來(lái)源：第十一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)論文集

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)日新月異，進(jìn)入定位，導(dǎo)航，移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)的多源信息融合新時(shí)代。5G 通訊技術(shù)以其定位服務(wù)的小區(qū)域密集化和大規(guī)模陣列天線等技術(shù)為導(dǎo)航通訊一體化奠定了基礎(chǔ)。2019 年 5G 進(jìn)入商用元年，幾大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在北京、上海、廣州、杭州等地進(jìn)行了嘗試。

與 4G 相比 5G 具有更快的速度、更低的延時(shí)、更低的消耗。因此，將衛(wèi)星導(dǎo)航與移動(dòng)通訊技術(shù)集合在一起的集成技術(shù)正逐漸成為相關(guān)科研人員的研究方向。隨著 5G 移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航與 5G 移動(dòng)通訊技術(shù)的結(jié)合已是大勢(shì)所趨。隨之而來(lái)的是衛(wèi)星導(dǎo)航和 5G 移動(dòng)通訊技術(shù)如何結(jié)合，怎樣更有效的結(jié)合的問(wèn)題。

本文簡(jiǎn)要介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航與 5G 移動(dòng)通訊技術(shù)及其融合的方式。闡述了衛(wèi)星導(dǎo)航與 5G 通訊技術(shù)的融合在位置信息服務(wù)中的應(yīng)用。描述了衛(wèi)星導(dǎo)航與 5G 技術(shù)融合的應(yīng)用并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望。

01

引   言

衛(wèi)星導(dǎo)航是事關(guān)國(guó)家發(fā)展的重要技術(shù)體系之一[1]，覆蓋測(cè)繪、智能交通、位置信息服務(wù)與挖掘和災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等各種應(yīng)用領(lǐng)域。目前，隨著5G移動(dòng)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，其與衛(wèi)星導(dǎo)航相融合的技術(shù)也在不斷發(fā)展。衛(wèi)星導(dǎo)航和5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的集成可以使得導(dǎo)航和通信之間相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)，從而為用戶提供更加穩(wěn)定可靠的服務(wù)[2]。

衛(wèi)星導(dǎo)航和5G移動(dòng)通信融合技術(shù)一方面可以利用5G移動(dòng)通信技術(shù)極大地提高衛(wèi)星導(dǎo)航的速度和準(zhǔn)確性，另一方面可以利用導(dǎo)航技術(shù)提高移動(dòng)通信能力。而且在位置信息服務(wù)中衛(wèi)星導(dǎo)航與移動(dòng)通訊技術(shù)都扮演著極為重要的角色，兩者的結(jié)合勢(shì)必會(huì)為更準(zhǔn)確、高效的位置信息服務(wù)錦上添花。

02

衛(wèi)星導(dǎo)航、5G與位置服務(wù)概述

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶提供導(dǎo)航和定位服務(wù)的技術(shù)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）通常是指世界上正在運(yùn)行和規(guī)劃中的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前一共有四個(gè)，即美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格羅納什定位系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由三部分組成：空間星座部分、地面測(cè)控部分以及用戶部分[3]。

與傳統(tǒng)測(cè)繪手段相比，衛(wèi)星導(dǎo)航具有可全天候、全球性的導(dǎo)航定位；高精度、高速度精確導(dǎo)航定位；操作方便、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以其強(qiáng)大的現(xiàn)實(shí)功能，融入了社會(huì)生活的方方面面，成為多個(gè)領(lǐng)域的支撐性技術(shù)， 在未來(lái)，現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展必然也會(huì)成為推動(dòng)各領(lǐng)域變革的強(qiáng)大動(dòng)力[4]。

2.2 5G移動(dòng)通訊技術(shù)

第五代移動(dòng)通訊技術(shù)（5th generation mobile networks，簡(jiǎn)稱5G）是最新一代的移動(dòng)通訊技術(shù)，也是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)的拓展與延伸。5G通訊技術(shù)與4G通訊技術(shù)的最本質(zhì)的區(qū)別在于5G的網(wǎng)絡(luò)會(huì)讓用戶始終處于線上狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的使用已經(jīng)不單單局限在手機(jī)上，一切智能設(shè)備例如智能手表、健身用具、智能家庭設(shè)備等都可以連接5G網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)便利提供給更多方面的設(shè)備和儀器當(dāng)中[5]。

此外5G技術(shù)具有強(qiáng)大的包容性，可與多種現(xiàn)有或?qū)⒂械臒o(wú)線傳輸技術(shù)和功能網(wǎng)絡(luò)融合到一起，包括傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、基于濾波器組的多載波技術(shù)（FBMC,filter-bank based multicarrier）、無(wú)線局域網(wǎng)、和雙全工技術(shù)等[6]。

5G通信技術(shù)以其自身的核心技術(shù)和優(yōu)勢(shì)，在通信性能、即時(shí)傳輸、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等方面將會(huì)為用戶帶來(lái)更加良好的使用體驗(yàn)，尤其在依托先進(jìn)的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，5G移動(dòng)通信技術(shù)也將實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、智能化、全面化的發(fā)展，更好的提升網(wǎng)絡(luò)連接的高效性和穩(wěn)定性[7]。

2.3 位置服務(wù)

位置服務(wù)（LBS，Location Based Services）又稱定位服務(wù)，是基于位置的服務(wù)[8]，它通過(guò)電信移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線電通訊網(wǎng)絡(luò)（例如GSM網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)和LTE網(wǎng)）或外部定位方式（例如GNSS）獲取移動(dòng)端用戶的位置信息（地理坐標(biāo)，或者大地坐標(biāo)）。

在地理信息系統(tǒng)（Geographic InformationSystem,GIS）平臺(tái)的支持下，為用戶提供了一種與位置相關(guān)的服務(wù)。LBS的基本內(nèi)容是：你在哪（空間信息）；和誰(shuí)在一起（社會(huì)信息）；旁邊有什么（社會(huì)信息）。位置服務(wù)是由蜂窩移動(dòng)通信發(fā)展起來(lái)的，最初提出的定位功能基本是依靠移動(dòng)通訊基站的定位方法。

但是僅僅在市區(qū)基站分布比較密集的地方，才能夠保證百米級(jí)的精度，在郊外基站分布稀疏的情況下，無(wú)法保證其定位精度。后來(lái)接納GPS作為L(zhǎng)BS定位技術(shù)之一，將移動(dòng)通訊定位方法與GPS定位方法融合互補(bǔ)才將定位范圍逐漸提高，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，位置服務(wù)的定位精度也隨之逐漸提高。

2.4 研究背景及意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們?nèi)粘Ｉ钪?0%的信息與位置相關(guān)，因此位置信息已經(jīng)成為人們最需要的信息之一。而獲取位置信息的位置服務(wù)主要取決于移動(dòng)通訊技術(shù)和GNSS技術(shù)。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，已進(jìn)入定位、導(dǎo)航、移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)等多源信息集成的新時(shí)代。2019年5G進(jìn)入商用元年，幾大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在北京、上海、廣州、杭州等地進(jìn)行了嘗試。與4G相比5G具有更快的速度、更低的延時(shí)、更低的消耗。

因此，將衛(wèi)星導(dǎo)航與移動(dòng)通訊技術(shù)集成在一起的集成技術(shù)正逐漸成為相關(guān)科研人員的研究方向。導(dǎo)航與通訊技術(shù)互補(bǔ)從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外導(dǎo)航定位一體化正是位置服務(wù)未來(lái)的發(fā)展方向。衛(wèi)星導(dǎo)航精度高，適用于開(kāi)闊無(wú)遮擋地區(qū)，在市區(qū)建筑物密集地區(qū)作用有限。而移動(dòng)通訊技術(shù)在其覆蓋的地方均可實(shí)現(xiàn)定位，但是在戶外人煙稀少地區(qū)，由于基站稀少，其定位精度和能力都有所降低。另外，在移動(dòng)通訊技術(shù)的支持下，衛(wèi)星導(dǎo)航能夠提高室內(nèi)定位能力和一定的通訊能力。而對(duì)于移動(dòng)通訊，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)也能增強(qiáng)其通信能力。兩者相互融合可謂是如虎添翼，潛力無(wú)窮。

03

基于5G的A-GNSS技術(shù)

3.1  衛(wèi)星導(dǎo)航與5G移動(dòng)通訊技術(shù)的融合

在現(xiàn)階段衛(wèi)星導(dǎo)航與5G移動(dòng)通信融合框架的研究中，主要對(duì)其三個(gè)層面進(jìn)行分析[9]。首先是兩者之間的硬件統(tǒng)一問(wèn)題。深入分析兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上找到共同點(diǎn)。其次是兩者間的協(xié)議統(tǒng)一問(wèn)題，由于衛(wèi)星導(dǎo)航和移動(dòng)通訊屬于不同的操作系統(tǒng)，因此需要兩方相關(guān)人員制定合理的實(shí)施計(jì)劃。最后是兩者之間的物理層面集成架構(gòu)的問(wèn)題。

理論來(lái)講衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與5G移動(dòng)通訊技術(shù)融合主要從兩個(gè)方面看待：

① 可以通過(guò)地面通信系統(tǒng)與通信衛(wèi)星提升導(dǎo)航系統(tǒng)；

② 利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)增強(qiáng)通信能力，進(jìn)而提升用戶體驗(yàn)[10]。

3.2  基于5G的A-GNSS技術(shù)

由于衛(wèi)星信號(hào)只有在郊外無(wú)遮擋物的情況下定位精度才可以得到保證。而在市區(qū)高樓林立， 接收機(jī)接收到的信號(hào)會(huì)存在嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)，信號(hào)質(zhì)量無(wú)法保證。A-GNSS就是通過(guò)提供導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書(shū)、星歷、頻率范圍、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和近似位置等輔助信息，使GNSS接收機(jī)在接收之前就知道要接收的頻率范圍，然后輔助計(jì)算數(shù)據(jù)再提供用來(lái)解算GNSS用戶位置的衛(wèi)星所在位置?？傊梢詼p少初始定位時(shí)間、提高接收機(jī)靈敏度、減少接收機(jī)能量損耗、加快位置解算，提高定位精度、提高定位性能[11]。A-GNSS的基本原理圖如圖1所示。

圖 1.A-GNSS 基本原理

基于5G的 A-GNSS 由 C-RAN（Centralized，Cooperative，Cloud and clean RAN）網(wǎng)絡(luò)和 A-GNSS兩部分組成。C- RAN 的目標(biāo)是追求可持續(xù)的業(yè)務(wù)和利潤(rùn)增長(zhǎng)，以便運(yùn)營(yíng)商解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能耗，運(yùn)營(yíng)成本和資源整合的快速增長(zhǎng)帶來(lái)的多重挑戰(zhàn)。C-RAN 的基本結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。基于 5G 的 C-RAN 由遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元和天線組成的 RRU 部署、集中式亟待處理池（BBU 池）本地 C-RAN 以及后臺(tái)云服務(wù)器三部分組成[12]。

圖 2. A-GNSS 系統(tǒng)架構(gòu)

基于 5G 的 A-GNSS 的基本原理就是將 5G 移動(dòng)通訊技術(shù)與 A-GNSS 系統(tǒng)深度融合，讓兩者的定位和通訊功能互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而更加高效的獲取所需的位置信息。首先用戶的 A-GNSS 接收器終端向衛(wèi)星服務(wù)器發(fā)送定位請(qǐng)求，使用基于 5G 的 C-RAN 網(wǎng)絡(luò)快速查詢可供使用的衛(wèi)星信息，并將歷書(shū)、星歷、頻率范圍、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和近似位置等輔助信息通過(guò) 5G 網(wǎng)絡(luò)迅速地傳輸給接收機(jī)。接收機(jī)再根據(jù)輔助數(shù)據(jù)和捕獲的衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算定位結(jié)果。

3.3 在位置服務(wù)中的應(yīng)用

目前，位置服務(wù)除了基本的確定用戶的地理位置，還包括車(chē)載導(dǎo)航、緊急求助、物流管理和商業(yè)服務(wù)等方面[13]，這些服務(wù)也逐漸成熟，為人們的生活帶來(lái)便利。但位置服務(wù)技術(shù)在室內(nèi)定位、數(shù)據(jù)挖掘、信息的管理和調(diào)度能力等方面還略有欠缺。隨著基于5G的A-GNSS技術(shù)的發(fā)展，在定位手段上，將能夠綜合使用衛(wèi)星、5G大規(guī)模陣列基站和無(wú)線局域網(wǎng)等多種定位技術(shù)；在定位范圍上，將不再局限于戶外空曠環(huán)境，而是可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外全方位的一體化定位服務(wù)，確保何時(shí)何地都可以提供用戶所需的位置信息。

04

GNSS與5G融合的應(yīng)用

4.1  智慧城市

智慧城市（Smart City）是指綜合使用各種信息技術(shù)和創(chuàng)新概念，將城市看作一個(gè)整體，促進(jìn)城市向著更加科學(xué)更加智能的方向發(fā)展，以提高資源運(yùn)用率，優(yōu)化城市管理和服務(wù)，提升市民的生活質(zhì)量。在智慧城市的建設(shè)中會(huì)用到很多不同的技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)[14]，借助這些不同的技術(shù)加快人與人之間的信息交流。

智慧城市結(jié)構(gòu)如圖3所示，5G與GNSS在其中發(fā)揮著舉足輕重的作用。5G不僅能夠提供極致的網(wǎng)速，也開(kāi)啟了萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，滲透至各個(gè)行業(yè)，與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等跨產(chǎn)業(yè)融合創(chuàng)新[15]，將極大的增強(qiáng)智慧城市的通信網(wǎng)絡(luò)部分。

GNSS中的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在5G的背景下作為信息數(shù)據(jù)定位傳輸?shù)闹匾侄?，在智慧城市感知網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中發(fā)揮著諸如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、保障城市交通和電力監(jiān)測(cè)等重要作用。

圖 3. 智慧城市結(jié)構(gòu)

4.2  無(wú)人駕駛

隨著5G移動(dòng)通訊、車(chē)連網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，多學(xué)科多領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的融合技術(shù)層出不窮，無(wú)人駕駛技術(shù)的研究也逐漸步入正軌。無(wú)人駕駛是指用過(guò)車(chē)載傳感系統(tǒng)感知周?chē)牡缆非闆r，自行規(guī)劃出行路線控制車(chē)輛到達(dá)目的地的智能汽車(chē)[16]。可以極大程度上減輕諸如疲勞駕駛、酒后駕駛、闖紅燈等違法行為帶來(lái)的交通事故，為人們可以更好的生活服務(wù)。

而傳統(tǒng)依靠衛(wèi)星圖片的電子導(dǎo)航地圖精度只有5m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足無(wú)人駕駛汽車(chē)的需求。這就需要事先通過(guò)裝有視覺(jué)傳感器的數(shù)據(jù)采集車(chē)采集數(shù)據(jù)，線下將數(shù)據(jù)處理成精度可達(dá)厘米級(jí)的高清地圖，依靠5G技術(shù)的高網(wǎng)速低延時(shí)實(shí)時(shí)的傳輸給無(wú)人駕駛汽車(chē)使用。此外在諸如隧道等導(dǎo)航信號(hào)丟失或很弱的情況下，可以用5G的大面積陣列天線暫時(shí)填補(bǔ)導(dǎo)航的空缺，與慣性傳感器、視覺(jué)傳感器、電子指南針配合組成一個(gè)萬(wàn)無(wú)一失的組合[17]。

05

總    結(jié)

本文首先對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航、5G移動(dòng)通訊技術(shù)和位置定位進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。然后在結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航和5G移動(dòng)通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上介紹了基于5G的A-GNSS技術(shù)以及基于5G的A-GNSS技術(shù)在位置服務(wù)中的應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航和5G技術(shù)在現(xiàn)階段不僅對(duì)國(guó)家的發(fā)展不可或缺，而且對(duì)于國(guó)家是否能夠掌握國(guó)際話語(yǔ)權(quán)彌足輕重。將衛(wèi)星導(dǎo)航與5G移動(dòng)通訊技術(shù)相融合并運(yùn)用于位置定位服務(wù)是大勢(shì)所趨，能在很大程度上提高定位的精度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，為智慧城市的建設(shè)添磚加瓦。相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步會(huì)為國(guó)家的建設(shè)發(fā)展和人們的生活水平帶來(lái)重要影響。

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作者： 田晨冬、李克昭

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