雄安新區“5G+北鬥”定位導航技術研發(fā)紀實

原标題：爲“地下之城”精準導航——雄安新區“5G+北鬥”定位導航技術研發(fā)紀實

啓動、提速、停泊……

在雄安新區地下12米的停車場裡(lǐ)，一輛試驗車正在進(jìn)行導航測試。坐在車裡(lǐ)的北京郵電大學(xué)副教授路兆銘，時刻緊盯著(zhe)手機上的位置光标。

這(zhè)輛試驗車采用的是“5G+北鬥”定位導航技術。目前，這(zhè)一技術在雄安地下示範應用已超過(guò)50萬平方米，定位精度2米，而建設成(chéng)本隻有傳統地下導航技術的一半。

迸發(fā)靈感，將(jiāng)天上信号導入地下

如今，日新月異的導航技術讓人們的生活越來越便利。但許多人也有這(zhè)樣(yàng)的體驗：一旦進(jìn)入地面(miàn)之下的建築物裡(lǐ)，鋼筋水泥就會將(jiāng)北鬥等導航信号屏蔽得“幹幹淨淨”。

雄安新區規劃之初就提出要建設“地下一座城”，其中包括地下綜合管廊約380公裡(lǐ)、地下停車場超2200萬平方米。“地下之城”的精準管理，離不開(kāi)高精度的定位與導航，而且要求技術新、成(chéng)本低，能(néng)給其他城市建設提供可複制的樣(yàng)本。

“我們對(duì)比了各類既有技術方案，投資成(chéng)本成(chéng)爲難以逾越的‘攔路虎’。”雄安新區智能(néng)城市創新聯合會（以下簡稱“創新聯合會”）秘書長(cháng)張強告訴科技日報記者。研發(fā)之初，作爲地下導航技術研發(fā)任務的牽頭組織單位，創新聯合會幾乎嘗試了所有成(chéng)熟的技術手段——

在地庫部署藍牙點位信标，建設成(chéng)本高，運維成(chéng)本也高；

在室内增設北鬥導航基站，高昂的設備費用承擔不起(qǐ)；

采用WiFi定位，不僅要部署WiFi接入點，還(hái)得投資新建一套網絡……

有沒(méi)有成(chéng)本低、效果好(hǎo)的技術路線？張強和項目組成(chéng)員圍坐在一起(qǐ)，不停地進(jìn)行“頭腦風暴”。提議、讨論、碰撞……一個多星期過(guò)去了，解決方案還(hái)是沒(méi)有著(zhe)落。

一天傍晚，讨論無果的3名項目組成(chéng)員怏怏不樂地站在馬路邊。突然，張強的腦子裡(lǐ)靈光一現：爲什麼(me)不能(néng)“就地取材”，借用已有通信設施——5G室内分布系統呢？

室内分布系統并不神秘，就是人們經(jīng)常在樓道(dào)或家門口看見的一種(zhǒng)形似“小蘑菇頭”的小天線。2020年，工業和信息化部明确，5G室内信号要實現共建共享。電信運營商們將(jiāng)各路信号統一“混”入關鍵設備——合路器中，标準5G室内信号再由合路器分散給各個“小蘑菇頭”。不過(guò)，這(zhè)些“小蘑菇頭”隻能(néng)提供通信保障，無法實現定位導航。

“對(duì)了，把北鬥信号接收下來，再借助‘小蘑菇頭’轉發(fā)出去！”

這(zhè)個想法讓大家豁然開(kāi)朗。受邀參與項目組的路兆銘回憶道(dào)，以前大家隻是圍繞通信做文章，誰也沒(méi)想到，北鬥信号和5G室内分布系統的結合，爲地下高精度定位導航打開(kāi)了一扇新門。

“那天晚上，我望著(zhe)夜空，影影綽綽的北鬥七星格外迷人。”張強說。

突破算法，實現地下精準定位

走進(jìn)北京郵電大學(xué)第三教學(xué)樓6層走廊，路兆銘指著(zhe)頭頂上的線路告訴記者：“‘5G+北鬥’的實驗論證就是在這(zhè)裡(lǐ)進(jìn)行的。”

將(jiāng)北鬥信号融合到5G室内分布系統，這(zhè)個想法聽起(qǐ)來簡單，實現的過(guò)程卻充滿挑戰。

第一個難題就是如何將(jiāng)北鬥信号引入地下。在5G室内分布系統中，傳輸著(zhe)3家電信運營商各自的3G/4G/5G等多路通信信号，如果再加上一路北鬥信号，原有通信信号可能(néng)會被(bèi)幹擾，導緻手機無法正常通話、上網。

“開(kāi)始時無計可施，隻能(néng)從分析兩(liǎng)路信号的互調幹擾模型入手，找尋信号的融合算法。”路兆銘說，通信與北鬥是兩(liǎng)類信号，但也不是互不兼容的“冤家對(duì)頭”。團隊成(chéng)員通過(guò)計算，得到北鬥信号彙入5G室内分布系統所需的濾波和功率參數，再通過(guò)寬頻多路信号的共享鏈路傳輸，成(chéng)功將(jiāng)北鬥信号引入地下。

解決了北鬥信号引入問題，又冒出導航定位精度問題。在室外利用北鬥信号進(jìn)行定位的精度約爲10米，但這(zhè)個精度在地下環境遠遠不夠。因爲地下停車場的兩(liǎng)個相鄰路口距離往往都(dōu)不足10米，如果精度不提高，定位導航必然有誤。

“這(zhè)個問題困擾了我們一年多，那段時間大家嘗試了超過(guò)100個不同類型的算法，但定位精度都(dōu)不理想。”路兆銘說，直到有一天，他在測試時偶然發(fā)現，北鬥信号在空間中的無線反射環境存在靜态特征，可以借此構建數據模型，提供更多的位置觀測源。

停車場内各個終端的單一信息雖然不精準，但是將(jiāng)多方信息收集到一起(qǐ)，通過(guò)數據模型不斷地協作校準，定位結果就會越來越精确。定位導航策略由“單兵作戰”提升爲“多終端協同作戰”，一套擁有自主知識産權的定位算法也由此誕生。

2022年6月，在雄安新區的地下停車場，當路兆銘第一次在手機屏上看到定位光标跟著(zhe)自己腳步一步一步挪動時，他興奮地跳了起(qǐ)來。

“這(zhè)證明我們的定位算法和方案，在實際場景中是行得通的！”路兆銘說。

首創設備，扭住自主創新“牛鼻子”

在雄安新區，記者乘車經(jīng)過(guò)一個下坡“入口”，一頭“紮”入容東片區杏秋苑地下停車場。手機上的導航地圖瞬時切換，箭頭指引車輛精準找到車位。

停車場内，既看不到錯綜複雜的布線，也沒(méi)有爬滿牆面(miàn)的通信設備，隻在通道(dào)拐角處建有一個不足10平方米的機房，大量裝備都(dōu)被(bèi)集約“隐藏”在這(zhè)裡(lǐ)。

“我們是‘地下工作者’。”項目組成(chéng)員、北京郵電大學(xué)博士後(hòu)初星河笑著(zhe)告訴記者，從實驗驗證到現在近兩(liǎng)年，研發(fā)團隊在地下調試、改進(jìn)裝備的時間超過(guò)一年。

“在這(zhè)裡(lǐ)，千萬不可‘以貌取物’。”初星河介紹說，雖然隻是在機房牆上放置幾個小盒子，但它們就像地下導航系統的“心髒”。合路器、5G室内分布單元、北鬥室内分布單元，正是依靠這(zhè)些核心裝置，才能(néng)成(chéng)功將(jiāng)北鬥信号導入、將(jiāng)定位信号發(fā)出。

這(zhè)些裝置中，北鬥室内分布單元是世界首創。北鬥衛星信号從超20000千米的高空來到地面(miàn)，信号強度極弱，再將(jiāng)其引入地下機房，信号強度會進(jìn)一步衰減。項目團隊創新研制出北鬥室内分布單元的接收模塊，可以放大北鬥信号，支持長(cháng)達1千米的饋線傳輸，將(jiāng)高質量的信号引入地下。

“單元内的核心器部件擁有完全自主知識産權。它能(néng)將(jiāng)接收到的複雜信号層層過(guò)濾，去除無用信号，增強有用信号，還(hái)能(néng)將(jiāng)惡意攻擊信号屏蔽在外，保障導航安全。”初星河說。

今年5月，習近平總書記在雄安新區考察時指出，要在建設立體化綜合交通網絡上下功夫，在充分利用地下空間上下功夫，著(zhe)力打造一個沒(méi)有“城市病”的未來之城，真正把高标準的城市規劃藍圖變爲高質量的城市發(fā)展現實畫卷。

“2025年，‘5G+北鬥’導航將(jiāng)覆蓋雄安新區所有已建成(chéng)地下停車場，真正實現導航‘地下一座城’。”展望未來，路兆銘滿懷期待，“我們希望該技術推廣至礦區、交通樞紐、航站樓等更多場景應用，爲充分利用地下空間發(fā)揮更大作用！”（記者 何亮）