无线定位技术按照服务范围可以划分为局域定位和广域定位,移动通信网定位和全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)属于广域定位,为用户提供普适的定位服务,WIFI、蓝牙和UWB等属于局域定位,主要用于室内场景。
1.1 北斗定位
北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System, BDS)简称北斗系统, 是中国自主研发的卫星导航系统。北斗系统2000年启动建设,在2020年完成了北斗三号全球组网,为全球用户提供全天候的定位、导航、授时及短报文通信服务。全球定位精度优于10 m,事后差分定位精度达到毫米级,授时精度优于20 ns。北斗定位原理为:终端接收机同步观测多颗已知位置的北斗卫星,终端通过测量卫星信号到达时间,来计算终端与每个卫星之间的距离,通过交会计算来确定终端接收机的位置。理论上利用3 颗卫星组成星站距离方程组就可解算出终端位置,由于卫星时钟与终端接收机时钟之间也存在偏差,钟差也作为未知量进行求解,因此,需要至少4颗观测卫星信息引入方程组来解算终端位置。
1.2 局域无线定位
局域无线定位主要包括WIFI、蓝牙和UWB等方式,其定位技术主要分为4种类型:基于信号强度(Received Signal Strength, RSS)的测距定位、基于信号特征的指纹定位、基于信号传输时间和角度测量的定位。
1.3 移动通信网定位
通信网设计初衷是提供通讯服务,并未考虑定位机制,随着定位服务需求日益增多,从1995年起,2G网络引入定位技术,早期的通信网络基于Cell ID和测量时间进行粗定位。随着移动互联网的发展,通信网定位技术不断迭代,定位精度也不断提升。
1.3.1 早期通信网络定位
早期的通信定位主要利用测量时间进行定位,依赖通信过程中所需的导频或控制信号。4G设计了专用的定位参考信号,由于信号带宽最大仅为20 MHz,且基站间距在百米级,因此定位精度仍旧较低。
1.3.2 5G定位
5G定位保留了E-CID方法,将UTDOA、OTDOA和RTT方法分别演进为UL-TDOA(Uplink TDOA)、DL-TDOA(Downlink TDOA)和Multi-RTT,并新增了基于角度测量的定位方法DL-AoD(Downlink AoD)和UL-AoA(Uplink AoA)。这些方法可以分为基于时间测量、角度测量及混合定位三种类型。
时间测量定位:测量终端和基站之间收发无线信号的时间关系进行定位,包括DL-TDOA、UL-TDOA和Multi-RTT,前两种方法需要基站间严格时间同步。
角度测量定位:5G采用大规模天线阵列,可以测量更高精度的角度,基于2个基站测量的角度即可实现定位,如图3所示。
混合定位:主要是指E-CID,即增强小区法,是一种混合定位方法,融合了基站邻近位置、时间测量及角度测量三种定位方法,仅靠单基站即可完成定位,不受基站间时间同步限制。E-CID方法包括Cell ID+RTT、Cell ID+RTT+AoA/AoD等。其原理是:首先根据Cell ID锁定终端所在基站的扇区,然后基站与终端互发参考信号测量时间差得到RTT,确定终端所在的圆,再结合DL-AoD或UL-AoA得到角度信息,方向角与圆的交点即为终端位置,如图4所示。
由于5G超密集网络增加了参考点的数量和多样性,大规模天线技术多波束可让AoA/AoD估计更精确,及更低的网络时延可提升基于时间测量的精度等因素,使得5G定位精度达到亚米级。3GPP在Release 17中对5G定位的目标精度要求为:针对一般的商业应用场景,水平定位精度优于1 m,垂直定位精度优于3 m;对于要求更高的的工业物联网应用场景,水平定位精度优于0.2 m,垂直定位精度优于1 m。
2 北斗+5G融合定位
移动通信网络已经覆盖了我国城市绝大部分地区,随着5G定位精度的不断提高和网络覆盖范围的增大,移动通信网的高精度定位可以作为一种普适的定位手段,弥补北斗定位的不足,北斗+5G融合定位构建室内外无缝定位服务。按照两种定位的融合程度,本文将北斗+5G融合定位分成了2个层级:一是定位增强,北斗和5G相互赋能,增强各自的定位能力;二是定位融合,北斗和5G定位深度融合,又可细分为5G辅助北斗定位(Assisted BDS, A-BDS)、北斗与5G加权融合定位及北斗与5G信号融合定位。