施闖, 辜聲峰, 景貴飛, 耿江輝, 樓益棟, 唐衛(wèi)明

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100083;2.衛(wèi)星導(dǎo)航與移動(dòng)通信融合技術(shù) 工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;3.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079;4.北京航空航天大學(xué) 前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100083)

0 引 言

2013年開始,隨著4G通信技術(shù)的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用,衛(wèi)星導(dǎo)航與移動(dòng)通信技術(shù)的第一次成功融合應(yīng)用,使基于位置信息服務(wù)的新業(yè)態(tài)和新模式出現(xiàn)爆發(fā)式增長,并迅速普及,改變了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活方式.2020年我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)將提供覆蓋全球的高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)服務(wù),與此同時(shí)5G通信技術(shù)也加快了商業(yè)應(yīng)用步伐,BDS與5G技術(shù)的融合,給位置服務(wù)性能和應(yīng)用范圍帶來巨大的提升和想象空間,同時(shí)也對(duì)高可靠、高可信、高精度的PNT服務(wù)提出了巨大挑戰(zhàn).

受限于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)本身的脆弱性,其在城市、室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下極易受到干擾,以致無法正常提供導(dǎo)航定位服務(wù).為此,國內(nèi)外學(xué)者圍繞慣性導(dǎo)航技術(shù)、視覺導(dǎo)航技術(shù)、無線導(dǎo)航技術(shù)(Wi-Fi、UWB、藍(lán)牙等)、激光、雷達(dá)、地圖/地磁/重力匹配等技術(shù)展開了深入的研究.慣性導(dǎo)航屬于航位推算技術(shù),其基本原理是通過測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的角速率和比力,按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理關(guān)系積分,獲得相對(duì)于初始狀態(tài)的導(dǎo)航信息[1-2].隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,以及圖像處理器計(jì)算性能的提升,視覺導(dǎo)航在近十年發(fā)展迅速.以CCD相機(jī)傳感器為代表,視覺導(dǎo)航通過序列影像特征點(diǎn)跟蹤,可實(shí)現(xiàn)載體相對(duì)位置與姿態(tài)變化估算; 另一方面,也可通過將相機(jī)獲取的影像與先驗(yàn)高精度地圖進(jìn)行匹配,獲取載體在地圖坐標(biāo)系下的絕對(duì)位置[3-4].除此以外,利用激光雷達(dá)、聲納等主動(dòng)探測(cè)方式進(jìn)行環(huán)境感知的導(dǎo)航技術(shù)也被稱為主動(dòng)視覺導(dǎo)航[5].其中激光雷達(dá)技術(shù)隨著智能駕駛的興起得到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,激光雷達(dá)能夠以厘米級(jí)精度測(cè)定其與周邊車輛或障礙物之間的距離,是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛環(huán)境感知的重要手段[6].

無論是GNSS,或是其他導(dǎo)航定位技術(shù)都有其局限性,任何單一技術(shù)都無法滿足不同場(chǎng)景、不同環(huán)境導(dǎo)航需求.因此考慮不同傳感器之間的互補(bǔ)性,基于多傳感器信息融合,實(shí)現(xiàn)多源協(xié)同室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[7-8].

GNSS+INS是目前研究最成熟、應(yīng)用最廣泛的組合導(dǎo)航技術(shù)之一,各國學(xué)者分別提出了基于位置/速度等信息的松組合,基于觀測(cè)值信息的緊組合以及INS輔助GNSS信號(hào)跟蹤的深組合[9-11].通過將單目相機(jī)和慣性傳感器結(jié)合,香港科技大學(xué)推出了即時(shí)定位與建圖SLAM解決方案VINS,VINS采用預(yù)積分等處理方式,解決了相機(jī)和慣導(dǎo)采樣頻率對(duì)齊問題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了影像信息和慣性信息的深度耦合[12].對(duì)于裝備有視覺、磁力計(jì)等具有環(huán)境感知能力的載體,可通過將其與帶有位置信息的地圖或數(shù)據(jù)庫匹配,輔助GNSS/INS實(shí)現(xiàn)可靠的、連續(xù)的導(dǎo)航定位[13].卡爾曼濾波是組合導(dǎo)航領(lǐng)域最經(jīng)典的數(shù)據(jù)處理算法之一,然而面對(duì)越來越復(fù)雜的導(dǎo)航環(huán)境,非高斯、非線性模型下,卡爾曼濾波難以保障導(dǎo)航解算的最優(yōu)性,因此粒子濾波、凸優(yōu)化等非線性算法逐漸成為導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向[14-15].

瞄準(zhǔn)多源導(dǎo)航傳感器集成的小型化、低功耗、低成本化的研究主要圍繞傳感器組合和算法的優(yōu)化展開,并取得了豐富的研究成果.然而,PNT是一個(gè)融合多類技術(shù)、包括多級(jí)系統(tǒng)的體系架構(gòu)[16].眾多導(dǎo)航定位技術(shù)還依賴于導(dǎo)航場(chǎng)景上下文信息,例如,GNSS終端模型算法的選擇除了依賴于接收機(jī)傳感器,還依賴于GNSS精密服務(wù)端產(chǎn)品的解算與播發(fā);視覺導(dǎo)航的模式與性能不僅依賴于視覺傳感器,還依賴于高精度地圖數(shù)據(jù)庫的獲取與更新.因此,高可靠、高可信、高精度時(shí)空信息服務(wù)也依賴于PNT服務(wù)體系的優(yōu)化.

考慮PNT體系架構(gòu),美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)等部門相繼提出全源導(dǎo)航與定位(All source positioning and navigation)、安全PNT(Assured PNT)、可選擇PNT(Alternative PNT)、彈性PNT(Resilient PNT)等新體系[17-20].我國提出“2035年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系”的戰(zhàn)略目標(biāo),為此,楊元喜院士深入研究了綜合PNT以及彈性PNT等,指出綜合PNT服務(wù)體系是未來PNT發(fā)展主要方向,彈性PNT強(qiáng)調(diào)PNT組件的彈性集成、多源PNT函數(shù)模型的彈性調(diào)整和隨機(jī)模型的彈性優(yōu)化[21-22].

不同的架構(gòu)與服務(wù)模式顯著影響PNT服務(wù)的性能,施闖等[23]提出將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)與PNT技術(shù)相結(jié)合,建立云定位服務(wù):通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理和調(diào)度包括對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、移動(dòng)基站、地圖數(shù)據(jù)庫等定位資源,建立“云定位服務(wù)器”,用戶“端”收集可用于定位的信息上傳到云,云經(jīng)過信息綜合處理實(shí)現(xiàn)對(duì)端的云定位服務(wù).云定位的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分利用各類定位資源,滿足不同場(chǎng)景下PNT服務(wù)需求,同時(shí)通過虛擬化技術(shù)提高服務(wù)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性.然而隨著萬物互聯(lián)時(shí)代的到來,一方面,越來越多的“物”需要獲取高時(shí)效的PNT服務(wù),這對(duì)“物”與云定位平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延以及云定位平臺(tái)數(shù)據(jù)處理效率等提出了極大的挑戰(zhàn);另一方面,萬物互聯(lián)時(shí)代中“物”都將具有一定的計(jì)算、感知能力,也具有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與服務(wù)功能[24],因此為PNT架構(gòu)優(yōu)化提供了新的契機(jī).

實(shí)際上,隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,為解決云計(jì)算在時(shí)延、隱私等方面的弊端,Bonomi等[25]首次提出了霧計(jì)算,通過在用戶端與傳統(tǒng)云平臺(tái)之間部署霧節(jié)點(diǎn),將一部分計(jì)算任務(wù)從云端遷移至更靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣,即霧節(jié)點(diǎn)處理.與云計(jì)算相比,霧計(jì)算更好的滿足了用戶應(yīng)用的移動(dòng)性、位置感知以及低延遲需求[26].顯然,導(dǎo)航定位應(yīng)用對(duì)移動(dòng)性、位置感知以及低延遲的需求更為迫切,為此本文在云定位基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了霧定位.首先給出了霧定位的定義、架構(gòu),并由此引出泛源導(dǎo)航定位的概念;其次,討論了霧定位/泛源導(dǎo)航定位與云定位、彈性PNT、泛在定位等的區(qū)別與聯(lián)系;再次,結(jié)合城市與室內(nèi)等復(fù)雜場(chǎng)景下定位,介紹了霧定位基本流程;最后是本文總結(jié).

1 霧定位與泛源導(dǎo)航定位

在云定位平臺(tái)中,典型的工作流程為用戶終端產(chǎn)生數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳輸至云端,云端結(jié)合平臺(tái)各類定位資源,為用戶提供高可靠、高可信、高精度位置服務(wù).云定位平臺(tái)通過計(jì)算資源虛擬化提高了其服務(wù)的可靠性、可擴(kuò)展性,通過定位資源的統(tǒng)一管理調(diào)度實(shí)現(xiàn)了用戶高精度連續(xù)無縫的PNT服務(wù)[23].

傳統(tǒng)云定位平臺(tái)雖然是基于多計(jì)算、多存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)同工作的分布式系統(tǒng),但這些設(shè)備在地理空間往往是集中式的.導(dǎo)航定位用戶在地理空間必然是移動(dòng)的、廣域分布的,這意味著用戶端鏈接通常為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),且需要多次通訊才能實(shí)現(xiàn)與云定位平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸,這對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬提出了極大的挑戰(zhàn).

1.1 霧定位(Fog Positioning)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G時(shí)代的到來,以及路由、Wi-Fi、通信基站等的智能化升級(jí),未來云定位平臺(tái)中的網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)將不僅僅是數(shù)據(jù)傳輸樞紐,還將具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、定位服務(wù)等功能,進(jìn)而分擔(dān)一部分云定位平臺(tái)數(shù)據(jù)處理任務(wù)、降低鏈路數(shù)據(jù)傳輸量及系統(tǒng)功耗.基于該思路,霧定位定義如下:

霧定位是一種PNT服務(wù)架構(gòu),該架構(gòu)以具備通信、計(jì)算、存儲(chǔ)、定位、感知等能力的異構(gòu)定位資源為基礎(chǔ)設(shè)施,通過智能管理與調(diào)度分布在不同地理位置的異構(gòu)定位資源實(shí)現(xiàn)用戶高可靠、高可信、高精度的PNT信息服務(wù).

該定義中服務(wù)架構(gòu)的含義也可由服務(wù)模式,或服務(wù)模型表達(dá).圖1為霧定位架構(gòu)示意圖,其中上述霧定位定義中定位資源即為霧定位節(jié)點(diǎn).一系列霧節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基礎(chǔ)設(shè)施,聯(lián)合運(yùn)行在該基礎(chǔ)設(shè)施上的標(biāo)準(zhǔn)、軟件、協(xié)議等共同構(gòu)成了霧定位平臺(tái),霧定位平臺(tái)是介于用戶定位終端與云定位平臺(tái)的中間層:一方面從云定位平臺(tái)獲取全局信息,如全球參考框架、霧定位節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等;另一方面響應(yīng)PNT終端請(qǐng)求,綜合調(diào)用終端上傳數(shù)據(jù)、云定位平臺(tái)與霧定位平臺(tái)資源為用戶提供服務(wù).云定位平臺(tái)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房中服務(wù)器集群構(gòu)成,因此在地理位置上屬于集中式,而霧定位平臺(tái)由一系列霧定位節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,在地理位置上廣域分布,因此離PNT終端用戶更近,有利于提高數(shù)據(jù)本地化程度,減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸.

和霧計(jì)算中霧節(jié)點(diǎn)一樣,霧定位節(jié)點(diǎn)至少具備網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算等模塊.網(wǎng)絡(luò)模塊用于終端-霧節(jié)點(diǎn)、霧節(jié)點(diǎn)-霧節(jié)點(diǎn)、霧節(jié)點(diǎn)-云平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)?存儲(chǔ)模塊用于PNT終端數(shù)據(jù)緩存、地圖/磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫記錄等;計(jì)算模塊可用于霧節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫更新、用戶PNT服務(wù)等.在此基礎(chǔ)上,霧定位節(jié)點(diǎn)還可配備攝像頭,使其具備環(huán)境感知與建圖能力;配備GNSS接收機(jī),使其具備RTK參考站服務(wù)、大氣延遲建模能力;配備通信基站/Wi-Fi/ZigBee,使其具備無線導(dǎo)航能力.

由上述討論可知,霧定位節(jié)點(diǎn)的模塊構(gòu)成并不唯一,在滿足網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算等基本功能后,可以根據(jù)需求靈活增減.這也意味著,云定位平臺(tái)、用戶終端設(shè)備都可以視為霧定位平臺(tái)節(jié)點(diǎn)之一.

1.2 泛源導(dǎo)航定位

上述霧定位定義從計(jì)算服務(wù)架構(gòu)角度給出,而從定位技術(shù)發(fā)展角度,基于本文提出霧定位架構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)泛源導(dǎo)航定位.

考慮任何單一導(dǎo)航定位技術(shù)都無法滿足不同場(chǎng)景、不同環(huán)境導(dǎo)航需求,由此國內(nèi)外學(xué)者提出多源導(dǎo)航定位,采用多種定位傳感器協(xié)同實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可靠的導(dǎo)航定位.DARPA進(jìn)一步提出全源導(dǎo)航定位,指出不僅可協(xié)同定位傳感器,還可協(xié)同傳統(tǒng)非定位傳感器,如通信信號(hào)等提升用戶定位性能.顯然,多源導(dǎo)航定位、全源導(dǎo)航定位都強(qiáng)調(diào)用戶終端多傳感器的集成,然而考慮基于如GNSS、視覺導(dǎo)航、通信信號(hào)等技術(shù)的導(dǎo)航都依賴于大氣延遲模型、高精度地圖、指紋庫等用戶場(chǎng)景上下文信息,單純終端多源導(dǎo)航也無法充分發(fā)揮各傳感器優(yōu)勢(shì).

相比云定位中定位資源的高高在上,霧定位中,凡是具備通訊、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能的定位資源都可作為霧節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了定位資源的泛在化,因此有望進(jìn)一步提高用戶PNT服務(wù)性能.由此,我們給出泛源導(dǎo)航定位定義:泛源導(dǎo)航定位是一種以用戶周邊具備導(dǎo)航場(chǎng)景上下文信息的平臺(tái)為泛在化的導(dǎo)航定位資源,通過定位資源同一管理調(diào)度,實(shí)現(xiàn)用戶基于場(chǎng)景上下文信息增強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù).該技術(shù)使終端用戶沉浸在定位資源中,為用戶提供隨時(shí)、隨地、按需獲取的導(dǎo)航定位上下文信息,進(jìn)而提高用戶PNT服務(wù)的可靠性、可信度以及精度.

可以認(rèn)為,霧定位和泛源導(dǎo)航定位兩者定義是相通的,例如霧定位中霧節(jié)點(diǎn)即為泛源導(dǎo)航定位中的定位資源.但兩者角度不同,霧定位的定義由分布式計(jì)算架構(gòu)演化而來,強(qiáng)調(diào)PNT服務(wù)的體系;而泛源導(dǎo)航定位的概念是從定位技術(shù)的發(fā)展演化而來,強(qiáng)調(diào)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)融合處理.

2 與現(xiàn)有PNT架構(gòu)關(guān)系

考慮霧定位和泛源導(dǎo)航定位是同一技術(shù)的不同方面,下面主要從霧定位出發(fā),討論其與云定位、彈性PNT以及泛在定位的區(qū)別與聯(lián)系.

2.1 云定位

考慮用戶終端數(shù)據(jù)信息與計(jì)算資源有限,終端獨(dú)立定位模式難以滿足高可靠、高可信、高精度需求,為此，施闖等[23]提出構(gòu)建云定位平臺(tái),通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各類定位資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度提高了用戶PNT服務(wù)質(zhì)量.

然而云定位中定位資源聚合度較高,用戶需要向云端開放其數(shù)據(jù)資源,不僅破壞了數(shù)據(jù)隱私性,同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸壓力也難以滿足PNT服務(wù)時(shí)效性需求.因此,終端定位與云定位各有優(yōu)缺點(diǎn),而霧定位是云定位模式與終端定位模式的中間形態(tài).與云定位一樣,霧定位同樣依賴于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬化技術(shù)、分布式處理技術(shù).同時(shí)考慮霧定位平臺(tái)由一系列分布在不同地理位置的霧節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,因此霧定位中資源聚合度相對(duì)較低.

圖2 終端定位、云定位、霧定位PNT服務(wù)質(zhì)量對(duì)比圖

進(jìn)一步從PNT信息質(zhì)量、請(qǐng)求響應(yīng)速度以及用戶隱私保護(hù)級(jí)別三個(gè)維度比較了終端定位、云定位、霧定位三種PNT服務(wù)模式.如圖2所示,霧定位可以認(rèn)為是云定位向用戶終端的延伸,由此實(shí)現(xiàn)了定位資源的泛在化.結(jié)合圖1和圖2,云定位和霧定位有一定的重疊,這是由于云定位平臺(tái)可以看作霧定位節(jié)點(diǎn)之一,而霧定位平臺(tái)是更接近于用戶、動(dòng)態(tài)彈性的云.同時(shí)由于用戶終端本身可以作為霧節(jié)點(diǎn),因此終端定位與霧定位也有一定的重疊.

2.2 彈性PNT

瞄準(zhǔn)“連續(xù)”、“穩(wěn)健”和“可靠”的PNT信息生成,楊元喜院士指出彈性PNT服務(wù)體系建設(shè)是未來研究熱點(diǎn),并定義“以綜合PNT信息為基礎(chǔ),以多源PNT傳感器優(yōu)化集成為平臺(tái),以函數(shù)模型彈性調(diào)整和隨機(jī)模型彈性優(yōu)化為手段,融合生成適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境的PNT信息,使其具備高可用性、高連續(xù)性和高可靠性,即為”彈性PNT”[22].

該定義重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了終端傳感器的集成、函數(shù)模型彈性調(diào)整和隨機(jī)模型彈性優(yōu)化.然而除了終端傳感器與數(shù)學(xué)模型外,PNT作為一種融合了導(dǎo)航定位、電子信息、高性能計(jì)算等學(xué)科的綜合性技術(shù),其服務(wù)性能也受限于體系架構(gòu).

結(jié)合霧定位定義,以及終端定位、云定位、霧定位三種模式比較分析,一方面,考慮單個(gè)霧定位節(jié)點(diǎn)的不確定性,霧定位平臺(tái)必然是動(dòng)態(tài)的,低耦合的;另一方面,霧定位建立了一種介于終端定位與云定位模式之間的服務(wù)架構(gòu),終端定位與云定位都可以認(rèn)為是霧定位的特例或延伸,因此霧定位具有較高的伸縮性.

因此,本文作者認(rèn)為霧定位是一種具備“彈性”的PNT架構(gòu).

2.3 泛在定位

實(shí)時(shí)化、智能化發(fā)展推動(dòng)了傳統(tǒng)測(cè)繪的創(chuàng)新升級(jí),在此背景下,劉經(jīng)南院士提出泛在測(cè)繪,并由此演生定義了泛在定位:“泛在測(cè)繪是指用戶在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間為認(rèn)知、環(huán)境與人的關(guān)系而創(chuàng)建和使用地圖的活動(dòng).泛在定位是指用戶在泛在測(cè)繪的過程中,利用多種感知技術(shù)來感知目標(biāo)位置、環(huán)境及其變化的活動(dòng)”[27].

泛在定位強(qiáng)調(diào)了服務(wù)效果具備大眾性、按需獲取能力,同時(shí)模糊了用戶與服務(wù)提供者的界限.云定位通過降低用戶終端軟硬件門檻,提高了服務(wù)的普適性,另一方面,作為云計(jì)算技術(shù)的實(shí)例,云定位本身即支持用戶通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)[23].霧定位是云定位向用戶端、即網(wǎng)絡(luò)邊緣的延伸,不僅繼承了云定位的上述優(yōu)勢(shì),還有望進(jìn)一步降低服務(wù)獲取的成本.同時(shí)考慮用戶終端也可作為霧節(jié)點(diǎn),為其他用戶提供服務(wù),因此與泛在定位一樣,霧定位中用戶也具備雙重身份.

實(shí)際上,霧定位將具備通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等基本功能的定位資源視為霧節(jié)點(diǎn),并通過對(duì)一系列分布在不同地理位置的異構(gòu)定位資源聚合管理,使用戶沉浸在定位資源中,可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了定位資源的泛在化,即泛源導(dǎo)航定位.

綜上,作者認(rèn)為泛在定位是PNT信息服務(wù)發(fā)展重要目標(biāo),霧定位給出了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的潛在手段:泛源導(dǎo)航定位.

3 霧定位應(yīng)用研究

下面結(jié)合案例進(jìn)一步說明霧定位/泛源導(dǎo)航定位運(yùn)行模式.圖3是包括城市、室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下,霧定位場(chǎng)景示意圖.圖中高樓大廈、交通信號(hào)燈、通信基站、無人機(jī)等都為霧節(jié)點(diǎn).各霧節(jié)點(diǎn)都可配備攝像頭,實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境感知和建圖;高樓大廈霧節(jié)點(diǎn)還可維護(hù)自身三維模型;通信基站可并置GNSS基準(zhǔn)站.無人機(jī)也可作為移動(dòng)霧節(jié)點(diǎn),通過與車輛的伴飛,實(shí)現(xiàn)車輛-無人機(jī)聯(lián)動(dòng)定位.

圖3 霧定位場(chǎng)景示意圖

圖4示出了基于霧定位的協(xié)同精密定位流程.圖中符號(hào)及函數(shù)功能如表1所示.該場(chǎng)景下精密定位流程概括如下:

傳感器層包括GNSS芯片、相機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)、激光雷達(dá)等,通過底層統(tǒng)一接口輸入到上層處理層,上述傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)記為G/C/Gy/A/L,其數(shù)據(jù)傳輸/請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間毫秒級(jí).

載體計(jì)算機(jī)采集到最新的數(shù)據(jù)后,向霧節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù),包括GNSS數(shù)據(jù),原始的相機(jī)或/和雷達(dá)數(shù)據(jù),其中GNSS數(shù)據(jù)傳輸延遲為毫秒級(jí),相機(jī)或/和雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸延遲為亞秒級(jí).霧節(jié)點(diǎn)收到GNSS原始數(shù)據(jù)后,利用霧節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù),構(gòu)建高精度的GNSS大氣增強(qiáng)等數(shù)據(jù)信息反饋到載體終端,即圖中f1函數(shù),其數(shù)據(jù)傳輸/請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間秒級(jí);霧節(jié)點(diǎn)收到相機(jī)或/和雷達(dá)數(shù)據(jù),與霧節(jié)點(diǎn)高精度地圖信息匹配,反饋結(jié)合高精度地圖約束或/和點(diǎn)云信息,即圖中f2函數(shù),其數(shù)據(jù)傳輸/請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間為亞秒級(jí).

圖4 基于霧定位/泛源導(dǎo)航定位的協(xié)同PNT流程圖(符號(hào)及函數(shù)功能說明如表1所示)

表1 圖4中符號(hào)函數(shù)及功能

符號(hào)功能 G/C/Gy/A/L衛(wèi)星、相機(jī)、陀螺、加速度計(jì)、LiDAR觀測(cè)數(shù)據(jù) S霧節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息 f1結(jié)合用戶GNSS輸入,返回大氣增強(qiáng)信息、霧節(jié)點(diǎn)基站信息、虛擬參考站信息等 f2輸入終端Camera或/和Lidar數(shù)據(jù),結(jié)合霧節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的高精度地圖信息,匹配對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)高精度影像信息或/和點(diǎn)云信息的解算與處理 f3終端設(shè)備進(jìn)行霧節(jié)點(diǎn)切換時(shí)信息遷移 f4對(duì)原始GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括抽稀,預(yù)處理等 f5基于霧節(jié)點(diǎn)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),處理生成GNSS全局增強(qiáng)信息,包括軌道、鐘差、信號(hào)偏差等 f6基于相機(jī)數(shù)據(jù)或/和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)更新的高精度地圖增量信息 f7高精度地圖更新信息 f8全局霧節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔?f9全球參考框架信息

同時(shí),在終端設(shè)備運(yùn)動(dòng)到一定條件需要進(jìn)行霧節(jié)點(diǎn)切換時(shí),霧節(jié)點(diǎn)與霧節(jié)點(diǎn)之間需要實(shí)現(xiàn)載體終端的相關(guān)信息遷移,如雙差定位時(shí)的雙差模糊度基準(zhǔn)等,即圖中f7函數(shù)的作用,其數(shù)據(jù)傳輸/請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間一般為亞秒級(jí).

在某些終端設(shè)備觀測(cè)條件不好時(shí)(如城市峽谷中的車輛),通過協(xié)調(diào)相同或相鄰霧節(jié)點(diǎn)中其他觀測(cè)條件較好的設(shè)備(如高空中無人機(jī))進(jìn)行聯(lián)動(dòng)定位,具備高性能處理器的終端,可以充當(dāng)霧節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)相關(guān)增強(qiáng)信息的計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)相同/相鄰區(qū)域內(nèi)多終端的聯(lián)動(dòng)定位技術(shù).

需要特別指出的是,在該場(chǎng)景中僅列出了部分定位資源,實(shí)際上包括低軌衛(wèi)星、VLBI、SLR等都可作為霧節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)協(xié)同PNT服務(wù).

4 結(jié)束語

受限于GNSS技術(shù)本身的脆弱性,其在城市、室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下極易受到干擾,以致無法正常提供導(dǎo)航定位服務(wù).為此,國內(nèi)外學(xué)者提出了多源系統(tǒng)精密定位.考慮協(xié)同精密定位中,各類導(dǎo)航定位技術(shù)不僅依賴于終端傳感器數(shù)據(jù)本身,導(dǎo)航環(huán)境上下文信息的獲取與更新也至關(guān)重要,因此,高可靠、高可信、高精度時(shí)空信息服務(wù)也依賴于PNT服務(wù)體系的優(yōu)化.云定位通過各類定位資源的統(tǒng)一調(diào)度,提高了PNT服務(wù)的可靠性、可擴(kuò)展性.然而傳統(tǒng)云定位平臺(tái)在地理空間往往是集中式的,難以滿足導(dǎo)航定位用戶對(duì)服務(wù)移動(dòng)性、位置感知以及低延遲的需求.

為此,通過將一系列分布在不同地理位置的、具備通訊、計(jì)算、存儲(chǔ)、感知等能力的定位資源作為霧節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一管理,提出了霧定位,指出霧定位實(shí)現(xiàn)了云定位向網(wǎng)絡(luò)邊緣、即用戶端的延伸,以及導(dǎo)航定位資源的泛在化,并由此演生定義了泛源導(dǎo)航定位.作者認(rèn)為,霧定位和泛源導(dǎo)航定位定義是相通的,兩者是同一技術(shù)的不同方面.在此基礎(chǔ)上,本文比較了霧定位/泛源導(dǎo)航定位與云定位、彈性PNT、泛在定位的關(guān)系.最后給出了霧定位和泛源導(dǎo)航定位的應(yīng)用場(chǎng)景和基本服務(wù)模式.

需要指出的是,由于PNT服務(wù)體系本身的復(fù)雜性,霧定位/泛源導(dǎo)航定位雖然為實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、按需獲取的PNT服務(wù)提供了潛在途徑,但為實(shí)現(xiàn)霧定位/泛源導(dǎo)航定位本身存在著巨大挑戰(zhàn),如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)傳輸處理協(xié)議、編程模式等都是未來亟需解決的問題.