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北斗+5G融合定位技术研究及应用进展

   日期:2024-07-17     浏览:4563    评论:0    
核心提示:1 无线定位技术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 S
 1  无线定位技术
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。
 
 
标签: 北斗定位
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