鄧中亮++林文亮

室內(nèi)外高精度定位技術(shù)是指綜合使用衛(wèi)星導(dǎo)航、地面通信、空間顯示等技術(shù)手段，正確提供客觀世界時空位置與關(guān)聯(lián)信息的現(xiàn)代新興信息化技術(shù)。室內(nèi)外高精度位置服務(wù)是主要大國戰(zhàn)略優(yōu)勢與經(jīng)濟實力的重要組成，攸關(guān)國家安全、經(jīng)濟發(fā)展和社會民生，是繼互聯(lián)網(wǎng)、移動通信發(fā)展最快的新一代信息技術(shù)。

美、俄衛(wèi)星導(dǎo)航比我國早起步三十年，但目前仍無法實現(xiàn)對室內(nèi)的定位與導(dǎo)航，不能滿足人們80%時間在室內(nèi)的位置服務(wù)需求。美國高通、瑞典愛立信公司利用地面通信網(wǎng)的室內(nèi)定位精度僅能達到40米。但目前中國科學(xué)家已經(jīng)攻克這一國際難題，搶占國際尖端科技競爭制高點。

歷經(jīng)十多年潛心攻關(guān)，北京郵電大學(xué)空間導(dǎo)航與通信實驗室鄧中亮團隊研發(fā)了世界上首個“羲和”室內(nèi)高精度位置服務(wù)平臺，攻克了通信網(wǎng)建筑內(nèi)“反散射”傳播的三維“米級”定位國際難題，提出了共頻帶通信網(wǎng)增強、反散射聚合三維定位理論方法與架構(gòu)，填補了傳統(tǒng)視線傳輸定位在室內(nèi)的局限性，實現(xiàn)了廣域定位室內(nèi)外精度1～3米，垂直1米，比國外公開精度高5～10倍。創(chuàng)新了移動通信、廣播、無線網(wǎng)和衛(wèi)星導(dǎo)航等多資源融合高精度定位技術(shù)，為我國導(dǎo)航服務(wù)探索了一條投入少、見效快的建設(shè)之路。

“羲和”室內(nèi)高精度位置服務(wù)平臺的成功研發(fā)和廣泛推廣，率先解決了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的‘最后一公里瓶頸，為國家“一帶一路”、城鎮(zhèn)化、“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略，以及軍事斗爭準備提供現(xiàn)代室內(nèi)感知位置基礎(chǔ)。預(yù)計到2020年，“羲和”系統(tǒng)將打造上千億元的產(chǎn)業(yè)鏈，從而牽動上萬億的經(jīng)濟發(fā)展動力。

“互聯(lián)網(wǎng)+”與“一路一帶”經(jīng)濟的深入發(fā)展，推動室內(nèi)外高精度位置服務(wù)的爆發(fā)式增長需求

“互聯(lián)網(wǎng)+”與“一路一帶”經(jīng)濟的深入發(fā)展，推動通信與導(dǎo)航技術(shù)在相互融合中迅速發(fā)展，導(dǎo)航系統(tǒng)與通信系統(tǒng)緊密結(jié)合，使導(dǎo)航定位信息產(chǎn)生更直接的應(yīng)用價值，發(fā)揮出更廣泛的效能，實現(xiàn)單一定位導(dǎo)航向監(jiān)控、管理、交通、救助、娛樂等綜合位置服務(wù)的轉(zhuǎn)變。位置服務(wù)作為戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)已廣泛進入人們生活，正在成為國防安全、經(jīng)濟建設(shè)、社會生活中不可或缺的部分。

“智慧城市”、“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)、“工業(yè)4.0”等需要精確的室內(nèi)外位置信息做基礎(chǔ)支撐。城市的智慧化在于以位置信息為基礎(chǔ)的全面感知、泛在互聯(lián)和融合應(yīng)用；物聯(lián)網(wǎng)需要精準感知位置實現(xiàn)空間緊密耦合關(guān)聯(lián)；“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)更是以位置為中心實現(xiàn)線上線下精確交互。自2012年開始，LBS服務(wù)應(yīng)用增長速度已超越微博、微信等，成為移動互聯(lián)重要業(yè)務(wù)。

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，大型建筑日益增多，人們 80%以上的時間處于室內(nèi)環(huán)境（含地下、礦井、隧道等），人們對室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢。

公共安全、生產(chǎn)安全、應(yīng)急救援、公共衛(wèi)生、物聯(lián)網(wǎng)、特殊人群監(jiān)護、大型場館管理、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域都需要使用準確的室內(nèi)外導(dǎo)航定位信息：

（一）在消防救援方面，我國10萬余高層建筑，每年火災(zāi)10萬逾起，基于位置的消防救援問題突出，需要對消防員、被困群眾及消防設(shè)施進行精確的室內(nèi)外無縫定位和逃生路徑規(guī)劃。

（二）在老幼人群關(guān)愛方面，全國1.4億空巢老人、上億學(xué)齡兒童需要基于位置的關(guān)愛服務(wù)，在被監(jiān)護人出現(xiàn)緊急情況時（如發(fā)病、走失等），基于位置信息可展開快速救助。

（三）在公共安全方面，全國1000余火車站，160余民用機場，上千個地鐵在運營車站，以上地點單日人流量可達數(shù)十萬，安全管理問題突出，需要對安全管理人員進行定位，對人流量進行統(tǒng)計，對應(yīng)急疏散路徑進行引導(dǎo)，對危險人員進行監(jiān)控。

（四）在醫(yī)療服務(wù)方面，全國兩萬余縣級以上醫(yī)院，月均就診人數(shù)超過四億，基于位置的醫(yī)療服務(wù)需求迫切，掌握住院病人、急救病人、醫(yī)務(wù)人員及重要醫(yī)療器械位置信息，能夠提高醫(yī)療救護效率。

（五）在礦山管理與救援方面，全國上萬家煤礦，560萬礦工，每年礦難死亡上千人，需要掌握井下人員位置信息，提高礦難救援與日常生產(chǎn)安全管理效率。

（六）在大型場館人員、物資管理方面，全國6000余個展館、博物館，大量5萬平米以上的大型倉庫，其人員、物資管理需求迫切，掌握人員、物資的室內(nèi)外無縫位置信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對工作人員及重要物資的無縫監(jiān)管。

（七）在商場導(dǎo)購方面，我國數(shù)千個大型購物廣場，最大達121.5萬平米，日消費者超20萬人，通過位置服務(wù)，能夠向顧客提供便捷的精準導(dǎo)購服務(wù)。

（八）在車輛導(dǎo)航方面，我國大型室內(nèi)停車場車位已達數(shù)千個，公路隧道近萬個，全國近億民用車輛導(dǎo)航需求開始由室外導(dǎo)航向室內(nèi)外無縫導(dǎo)航轉(zhuǎn)變，室內(nèi)外無縫位置服務(wù)能夠為車輛進入地下停車場或隧道時，提供無縫的車輛導(dǎo)航服務(wù)。

（九）在個人服務(wù)方面，我國手機用戶達十億，位置服務(wù)用戶已超過2億，近三年年增長率超過100%。個人導(dǎo)航、地點交友（如微信搖一搖）、即時通訊、以地理位置為基礎(chǔ)的小型社區(qū)等服務(wù)。

傳統(tǒng)室內(nèi)外高精度定位技術(shù)存在定位精度與覆蓋范圍的突出矛盾，室內(nèi)外無縫高精度三維定位面臨嚴峻挑戰(zhàn)

（一）衛(wèi)星室內(nèi)定位“最后一公里”瓶頸

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS、北斗、伽利略、GLONASS）因建筑遮擋在室內(nèi)及建筑周邊無信號，故無定位能力。衛(wèi)星信號因穿透損耗，多徑干擾等，室內(nèi)GPS信號強度遠低于GPS ICD最小-160dBw的要求，因此室內(nèi)無定位信號覆蓋，即存在室內(nèi)最后一公里不能定位的問題，不能實現(xiàn)室內(nèi)外高精度位置服務(wù)。

（二）近距離通信定位技術(shù)的局限性

近距離通信定位技術(shù)包括無線局域網(wǎng)、射頻標(biāo)簽、紫蜂、藍牙、超寬帶無線電、地磁場強、紅外定位、光跟蹤定位、計算機視覺定位、超聲波定位等，局域視線定位系統(tǒng)單設(shè)備覆蓋能力受限，室內(nèi)外高精度位置服務(wù)需高密度布設(shè)，位置服務(wù)運維難。

基于Wi-Fi的室內(nèi)定位系統(tǒng)目前主要有兩類：第一類是Wi-Fi無線AP區(qū)間定位，通過收集Wi-Fi無線AP安裝位置，和定位臺接收到的AP地址，實現(xiàn)基于Wi-Fi無線 AP 區(qū)間定位，如美國Google Map?；贏P位置的定位技術(shù)成本低，但由于AP自身的位置并不精確，不能精確計算用戶距AP的距離，定位誤差通常達 10～20米；第二類則采用Wi-Fi無線信號RSSI指紋匹配定位技術(shù)，如我國自主研發(fā)的“尋鹿”定位系統(tǒng)、“翼周邊”系統(tǒng)，以及美國的WiFiSLAM、加拿大Wifarer等。利用該類技術(shù)需要建立相關(guān)指紋數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫的運行維護要求高，定位精度受信號強度影響大，常用于重點場所的局部定位服務(wù)。

Zigbee定位技術(shù)與WIFI定位技術(shù)相似，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準的局域網(wǎng)定位技術(shù)，精度可達 3米，但由于信號強度受環(huán)境影響較大，如人員走動、墻體/門的遮擋反射等均會導(dǎo)致定位精度下降。

基于RFID的定位系統(tǒng)根據(jù)RFID標(biāo)簽的信號強度及已知的RFID標(biāo)簽位置比較進行實時定位，實現(xiàn)米級定位精度需要布設(shè)大量參考標(biāo)簽，難以實現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用。

藍牙定位與WIFI定位相同，其優(yōu)點在于藍牙芯片成本低、功耗低，已在筆記本電腦以及手機中上大量普及。但藍牙節(jié)點遠不如Wi-Fi無線AP普及，因此其應(yīng)用普及程度不及Wi-Fi定位系統(tǒng)。

UWB 用于定位具有偽距測量精度高、抗多徑干擾能力強的優(yōu)勢，在視距環(huán)境下較Wi-Fi、Zigbee、RFID等定位系統(tǒng)精度大幅提高，但UWB系統(tǒng)目前遠不及其他系統(tǒng)普及，且作用距離僅為 10 米量級，現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)推廣難度較上述系統(tǒng)更加困難。

（三）廣域通信定位技術(shù)的測量不確定性

傳統(tǒng)移動通信與廣播網(wǎng)室內(nèi)外定位成本低、覆蓋廣。但城市建筑結(jié)構(gòu)對無線信號傳輸形成了多障、多重反射與散射、非視線傳播等，基站到終端距離測量困難。

移動通信基站由于地面網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋良好，因此可對室內(nèi)用戶進行定位。目前，GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 等在網(wǎng)運行的系統(tǒng)均具備定位功能，第四代通信系統(tǒng) LTE在其 Release 9 中引入了定位參考信號（PRS，Positioning Reference Signals），用于偽距測量及定位。已有的移動通信基站定位系統(tǒng)包括小區(qū)識別碼定位、環(huán)路往返時延定位、上行鏈路信號到達時間定位方法、上行鏈路信號到達時間差方法以及信號到達角度定位方法、高級前向鏈路三角定位、下行鏈路增強觀測時間差定位方法、下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法等。移動通信基站定位系統(tǒng)較局域室內(nèi)定位系統(tǒng)成本低、易于普及，現(xiàn)有手機均具有一定程度的定位能力。但目前移動通信基站定位技術(shù)由于受非視距及多徑干擾大、時間同步精度差等影響，定位精度普遍在百米量級（一般為 50～300 米），無法實現(xiàn)米級高精度室內(nèi)定位。

通信與導(dǎo)航深度融合的高精度室內(nèi)外三維定位技術(shù)，實現(xiàn)了“定位精度高，覆蓋范圍大，技術(shù)成本低”，成為國際領(lǐng)先的室內(nèi)導(dǎo)航位置服務(wù)技術(shù)

針對室內(nèi)外高精度無縫定位與服務(wù)中面臨的關(guān)鍵問題，在科技部“羲和”重大計劃支持下，北京郵電大學(xué)鄧中亮團隊牽頭，聯(lián)合多家單位，基于通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星，開展了“星地一體、內(nèi)外銜接、高精定位、無縫保障”的水平精度1～3米，垂直精度小于1米的室內(nèi)外導(dǎo)航與位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化研究，構(gòu)建了“羲和”室內(nèi)外高精度位置服務(wù)平臺。主要技術(shù)優(yōu)勢如下：

（一）共頻帶三維定位TC-OFDM

在理論研究方面，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航信號散射傳輸突變規(guī)律，建立建筑空間導(dǎo)航定位基礎(chǔ)理論與方法，提出共頻帶增強三維定位新思想，突破通信網(wǎng)傳統(tǒng)非視線線定位瓶頸，大幅增強了基于通信網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外無縫定位能力。

由此形成衛(wèi)星導(dǎo)航融于地面通信TC-OFDM（Time-Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)體制，是國際上一個新的導(dǎo)航通信復(fù)合技術(shù)體制，實現(xiàn)了移動通信蜂窩基站網(wǎng)的高精度定位測量功能、室外“衛(wèi)星盲區(qū)”覆蓋與室內(nèi)可測的位置服務(wù)。

（二）散射多徑聚合、導(dǎo)航路徑動態(tài)規(guī)劃

針對建筑多單元結(jié)構(gòu)對無線信號多重干擾問題，利用建筑空間幾何特性，提出了非視線鏡像傳播估計新方法，大幅降低了“基站-終端”距離測量計算誤差。

通過突破建筑內(nèi)多障非自由空間導(dǎo)航路徑動態(tài)規(guī)劃難題，基于建筑結(jié)構(gòu)多層多單元可連通性特點，構(gòu)建建筑空間特征庫、位置與時態(tài)關(guān)聯(lián)模型，提出建筑空間多尺度網(wǎng)格編碼與時空數(shù)據(jù)融合計算方法，提升了導(dǎo)航規(guī)劃效能。

（三）多源融合導(dǎo)航定位新體系

融合BD/GNSS、TC-OFDM、Wi-Fi、藍牙、慣性、視覺等多種手段，創(chuàng)建多元緊耦合定位模型，實現(xiàn)空天地一體化多源融合大型建筑群內(nèi)外對人與物體的“米級”無縫定位。

為實現(xiàn)廣域室內(nèi)外無縫定位，開展基站/Wi-Fi/衛(wèi)星等多源無線信息的融合，采用了基于信號完備性判決的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變權(quán)位置解算技術(shù)，實現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的軟切換，保障了定位結(jié)果的連續(xù)性。

（四）室內(nèi)導(dǎo)航與位置服務(wù)架構(gòu)與系統(tǒng)

結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)，在空間信息模型基礎(chǔ)上添加定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建起面向室內(nèi)定位導(dǎo)航的立體單元網(wǎng)格空間信息模型，地圖存儲空間減小到原先的1/5；完成廣域室內(nèi)外電子地圖的無縫融合，實現(xiàn)室內(nèi)外無縫路徑規(guī)劃；制定離、在線兩種地圖服務(wù)方式應(yīng)用接口標(biāo)準規(guī)范，解決了ArcGIS等現(xiàn)有標(biāo)準在室內(nèi)定位及位置服務(wù)中應(yīng)用接口不足的問題，滿足室內(nèi)地圖匹配及位置服務(wù)需求。

建議加大研發(fā)和推廣力度，盡快將技術(shù)和市場領(lǐng)先轉(zhuǎn)化為技術(shù)和市場主導(dǎo)，實現(xiàn)“定位中國，定位世界”的強國強軍夢想

未來室內(nèi)位置服務(wù)技術(shù)將國家戰(zhàn)略布局和國際科技競爭熱點，向深空、深地方向多元發(fā)展，引領(lǐng)現(xiàn)代服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。主要建議如下：

（一）空天地一體化的導(dǎo)航與通信體制

室內(nèi)位置服務(wù)將面向空天地一體化、通信與導(dǎo)航體制結(jié)合，實現(xiàn)衛(wèi)星、基站、無人機、雷達、慣導(dǎo)、近距離通信等全源導(dǎo)航定位融合，聚合地理信息、交通信息、商業(yè)信息等全息地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)虛擬化、彈性可恢復(fù)的、協(xié)同的、模塊化的服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，全天候、全地域地提供高精度、無縫隙的位置服務(wù)。

（二）融合移動互聯(lián)，創(chuàng)新業(yè)務(wù)，提升服務(wù)

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的四大細分市場將進入高速增長階段。首先是高端制造業(yè)，包括導(dǎo)航芯片與模塊、多種通信芯片與模塊、接收機組件、顯示器件與正集成；其次是軟件業(yè)，包括各種系統(tǒng)類軟件、導(dǎo)航定位收拾軟件、地圖引擎與嵌入式應(yīng)用；再次是導(dǎo)航相關(guān)的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)；最后是綜合數(shù)據(jù)業(yè)。

4G大大提高了移動終端的通信帶寬，帶來了更多應(yīng)用前景。其中包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率要求較高的多媒體業(yè)務(wù)，例如高清視頻監(jiān)控、3D視頻點播、實景地圖、3D地圖、導(dǎo)航與位置服務(wù)等。還包括單業(yè)務(wù)帶寬要求較小，但同時在線用戶較多的應(yīng)用，例如QQ、微信等即時通信系統(tǒng)。以及時延要求較高的實時性業(yè)務(wù)，例如視頻會議、視頻監(jiān)控和大型網(wǎng)絡(luò)游戲等。

（三）發(fā)展高精度定位服務(wù)搶占物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用制高點

位置服務(wù)將步入無縫化時代，以亞米級導(dǎo)航電子地圖為基礎(chǔ)，室內(nèi)導(dǎo)航、全息地圖與位置服務(wù)、城市智能交通、個人位置服務(wù)等將蓬勃發(fā)展起來。隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從單系統(tǒng)到互聯(lián)網(wǎng)、再到云服務(wù)時代的進步，位置服務(wù)資源將從集中到分散、再發(fā)展到集中，實現(xiàn)多資源、多功能、多途徑的綜合位置服務(wù)，構(gòu)建完整的國家和社會安全保障服務(wù)平臺。

（四）推動智慧城市建設(shè)

為此，需要加快導(dǎo)航位置服務(wù)的標(biāo)準化工作，在基礎(chǔ)設(shè)施層上要加快國家標(biāo)準制定；在共性技術(shù)層上要加強國際標(biāo)準制定；應(yīng)用與服務(wù)層上要加快大眾與行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準制定；在產(chǎn)業(yè)化上要加快從芯片到終端、從關(guān)鍵設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)、從運行到服務(wù)的標(biāo)準體系建設(shè)。