文｜蔚保國 李雋 黃璐 李雅寧 張衡 賈浩男 祝瑞輝

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所

2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室

一、前言

導航與位置服務攸關國家安全、經濟發(fā)展和社會民生，在新一代信息系統(tǒng)這一戰(zhàn)略性新興產業(yè)中，具有舉足輕重和不可或缺的地位，在物聯網、智慧地球、節(jié)能減排、應急救援等領域發(fā)揮著重要的基礎性支撐作用[1-3]。習近平總書記在聯合國第十三屆ICG 大會賀信中指出：我國要在2035年前構建更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時空體系。在這一國家重大科技專項推進中，室內外無縫定位是其中極為重要的組成部分，能夠提高我國綜合PNT 在GNSS 信息傳輸阻遏、信號干擾欺騙等條件下的服務性能，使時空服務更強、覆蓋更廣、更安全、更可靠，為未來綜合PNT 智能化、無人化發(fā)展提供核心支持。

與室外開闊空間相比，室內信道環(huán)境和空間拓撲關系更為復雜，GNSS 空間信號服務由于建筑遮擋衰減，導致在室內環(huán)境無法大范圍地有效覆蓋，于是學術界和工業(yè)界探索衍生出多種多樣的室內PNT 理論方法和技術手段[4-6]。雖然室內定位導航信源種類繁多，但都有一定的局限性，不同定位信息的融合仍面臨環(huán)境變化帶來的性能提升挑戰(zhàn)。復雜多變的室內環(huán)境帶來的無線信號覆蓋問題、精準測量問題、環(huán)境感知問題、地圖更新問題等均是室內外無縫定位技術的難點所在，限制了相關技術在各類室內遮蔽空間、半遮蔽空間的大規(guī)模推廣應用?？偟膩碚f，室內外無縫定位面臨著用戶需求各異、應用場景多樣、技術手段繁雜、標準規(guī)范不統(tǒng)一、通用技術體制未突破、多體系難以協同等問題，目前仍缺乏通用普適的可大范圍推廣的北斗室內外精準連續(xù)定位系統(tǒng)。

針對上述問題，本文面向室內外無縫導航定位最大共性需求，從技術發(fā)展現狀出發(fā)，明確目前室內外無縫定位應用推廣面臨的問題與挑戰(zhàn)，設計并提出了通用普適的標準化體系架構，涵蓋了室內外絕大部分應用場景以及用戶需求，圍繞該體系架構梳理了相關通用技術體制所需突破的關鍵技術，制定了未來室內外定位技術發(fā)展的重點任務，同時介紹了北斗室內外高精度定位系統(tǒng)及其在北京2022冬奧會的實際應用情況，最后在文末展望了室內定位的發(fā)展愿景。

二、基本問題及技術路線

北斗室內外無縫定位技術指的是在室內外環(huán)境中實現連續(xù)、無中斷的位置信息獲取，以北斗為核心，采用移動網絡、室內無線信號、慣性測量、環(huán)境感知等多種技術集成形成室內外無縫導航定位體系，從而實現人員、物品等在室內外空間中的位置監(jiān)控[7-10]。

1.基本問題

室內外無縫定位導航領域面臨的基本問題可以從以下三個角度分析：

第一，體系角度。站在普適統(tǒng)一時空基準表達以及萬物互聯PNT 服務的角度，目前尚未建立起室內外無縫導航定位體系以及應對所有應用和服務的開放標準，限制了大規(guī)模的跨域推廣應用和安全可信高端應用。需要構建室內綜合定位授時子體系，并有機融入國家綜合PNT 體系。

第二，系統(tǒng)角度。雖然室內導航信源種類繁多，但各種信源都有一定的局限性，不同定位信息的融合仍面臨環(huán)境變化帶來的性能提升挑戰(zhàn)。因此可廣域覆蓋并支持用戶漫游的標準化室內定位國家基礎設施建設仍然是一大挑戰(zhàn)。

第三，應用角度。對不同的應用場合、對象來說，用戶需求各異，同時還要綜合考慮硬件設施成本、易用性、可靠性、實時性、技術成熟度等多重因素，使得系統(tǒng)落地應用時面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.技術路線

目前室外定位已經形成了相關標準，推動了全球衛(wèi)星導航產業(yè)化與位置服務的快速發(fā)展，然而室內定位仍缺乏標準化技術體系[11-13]。因此本文提出了室內外無縫導航定位體系架構包含以下五點要素：

（1）建設三網融合的室內外綜合PNT 體系

面向室內外定位多樣的應用領域及用戶需求，建立“公網+專網+機動網”的三網協同的室內外PNT 標準化體系架構，設計網絡側、云處理側、用戶端側三層次服務框架，實現“三網+三層”的室內外無縫定位總體解決方案。

（2）創(chuàng)新發(fā)展多手段融合室內PNT 系統(tǒng)

面向復雜室內外遮蔽環(huán)境下的定位導航授時需求，構建以北斗衛(wèi)星為主的，與通信網絡、慣性系統(tǒng)等多源信息深度融合的泛在PNT 系統(tǒng)，創(chuàng)新發(fā)展普適通用、可大范圍推廣的三網協同的室內外PNT技術體制和智能混合定位系統(tǒng)。

（3）加強室內PNT 與多體系協同能力

圍繞三網協同標準化室內外PNT 體系架構，研究室內外PNT 子體系與國家綜合PNT 體系、網絡信息體系的協同及融合、各體系時空基準統(tǒng)一等方法，建立高效的協同運行機制。

（4）推動室內外無縫定位體系驗證及應用

建設室內外無縫定位試驗驗證與監(jiān)測評估系統(tǒng)，包括平臺基礎設施、PNT 服務及應用模式、信息與網絡安全等多層級模擬試驗驗證環(huán)境。

（5）強化室內外綜合PNT 政策標準保障能力

構建室內外一體化應用服務生態(tài)環(huán)境，建設高效協同的室內外PNT 體系建設管理體制和協調體制，實現室內外信號頻率兼容互操作，構建集政策法規(guī)、知識產權、標準化、國際合作、學術交流等為一體的綜合支撐保障軟環(huán)境。

3.體系架構及關鍵技術

（1）北斗室內外導航定位體系架構

該體系架構包含網絡層、云處理層以及用戶層。其中網絡層包含面向大眾用戶的“公網”、面向專業(yè)用戶的“專網”以及面向特種用戶的“機動網”；云處理層包含網圖一體化管控平臺、多信息融合智能控制系統(tǒng)、室內外一體化GIS 信息及時空基準統(tǒng)一；用戶層包含大眾智能終端、專有化室內外一體定位芯片、位置服務應用軟件[14-17]，如圖1 所示。

圖1 北斗室內外無縫導航定位體系架構

（2）北斗室內外導航定位關鍵技術

面向不同用戶需求和應用場景的北斗室內外無縫導航定位通用技術體制，具體來講包含以下三點：

第一，面向大眾用戶的基于公網定位的關鍵技術。建設通用普適的室內外定位系統(tǒng)，構建北斗+低軌+北斗偽衛(wèi)星為核心，融合5G 通信、音頻、慣性傳感器多源定位信息融合的輕量化室內外PNT“公網”總體架構。

第二，面向專業(yè)用戶的基于專網定位的關鍵技術。構建北斗+北斗偽衛(wèi)星+超寬帶+激光+IMU的混合定位網絡，依托專有終端設備的高精度定位源獲取高質量定位數據，同時結合多層級濾波融合算法實現多約束條件下的室內外連續(xù)定位。

第三，面向特種用戶的基于機動網定位的關鍵技術?；谛滦蚒WB 自組網+微慣性測量單元+同步定位與測圖（SLAM）技術，突破感知定位一體化、網圖定位一體化等關鍵技術，實現不具備提前布站條件的陌生室內環(huán)境下快速自組網與通信定位能力。

三、北斗室內導航定位技術標準

近年來，國內外相關機構開始探討室內定位相關標準問題，以推進室內定位規(guī)范化發(fā)展。本文介紹基于“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目成果，衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室牽頭組織形成的相關行業(yè)標準及團體標準情況。

第一，室內定位系統(tǒng)性能測試驗證標準。本標準規(guī)定了室內定位系統(tǒng)的測試分類、測試方法、評估方法、測試評估場景、測試評估報告要求等相關技術要求。

第二，室內無線基站定位仿真通用要求和數據格式。本標準規(guī)定了室內混合智能定位數學仿真通用要求和數據交換格式，適用于室內無線基站布設、無線信號兼容性分析、無線定位觀測數據、室內多徑等方面仿真建模表達和數據交換。

第三，北斗室內偽衛(wèi)星組網技術要求與部署規(guī)范。本標準包括室內偽衛(wèi)星組網技術要求、部署規(guī)范以及偽衛(wèi)星信號要求，標準的重點是偽衛(wèi)星在室內環(huán)境中的組網準則，規(guī)定了北斗室內偽衛(wèi)星組網技術要求、偽衛(wèi)星部署規(guī)范及信號要求。

第四，室內電磁波指紋數據庫的建設與更新。本標準主要在室內電磁波指紋數據表結構、更新及增刪規(guī)則等方面進行規(guī)范定義，旨在對室內位置服務產品制定相關標準，實現室內電磁波數據庫的標準化產出。

第五，室內視覺地標數據庫技術規(guī)范。本標準規(guī)定了室內視覺地標數據庫的數據基本組成及數據庫的創(chuàng)建、維護及更新所遵循的要求，適用于室內視覺地標數據庫的設計、創(chuàng)建、維護與更新規(guī)則。

第六，室內偽衛(wèi)星定位接收數據檢測方法。本標準主要用于規(guī)范偽衛(wèi)星載波相位周跳、偽衛(wèi)星信號強度、觀測量可持續(xù)性等方面要求。

第七，兼容北斗偽衛(wèi)星信號的定位終端模塊通用規(guī)范。本標準規(guī)定了北斗偽衛(wèi)星室內定位終端模塊的一般要求、功能要求、性能要求及結構安裝要求。包括終端自檢、信號接收解析、衛(wèi)星定位模塊、北斗偽衛(wèi)星IP適配軟核、無線通信模塊和電氣性能、環(huán)境適應性、電磁兼容等。

第八，室內移動測圖數據獲取技術規(guī)范。本標準屬于室內移動測圖領域。該標準規(guī)定了室內移動測圖數據獲取階段的基本要求，包括技術準備、測圖計劃、測圖實施、數據處理、質量控制與評價、成果整理與上交等技術要求。

第九，室內三維場景眾包更新技術規(guī)范。本標準描述室內三維場景內外業(yè)更新制作流程，涵蓋各流程環(huán)節(jié)所需滿足的基本要求，適用于我國室內導航電子地圖產品的制作更新。

第十，室內導航與位置服務協議。本標準旨在對室內位置服務（如時空基準、推送服務、定位服務、地圖服務、監(jiān)控與救援應用等）制定相關標準，規(guī)范我國室內位置服務產品使用，實現室內位置服務產品標準化產出。

第十一，北斗偽衛(wèi)星信號接口規(guī)范。本標準適用于北斗室內高精度導航定位與位置服務應用，標準規(guī)范了北斗偽衛(wèi)星信號特性、測距碼特性、導航電文類型等內容，適用于北斗偽衛(wèi)星基站、用戶終端和芯片的研制。

標準是引領我國室內外導航定位技術與產業(yè)發(fā)展的必由之路，大力推動室內定位相關標準制定，將能夠規(guī)范高效地解決室內外無縫定位體系化、規(guī)?；瘧玫淖畲蠊残孕枨?。

四、試驗網絡建設

基于未來國家綜合PNT 體系發(fā)展目標和技術趨勢，本文提出構建“天地協同PNT 網絡”，意在通過體系化路徑解決室內外高精度無縫連續(xù)定位難題?！疤斓貐f同PNT 網絡”針對下一代北斗系統(tǒng)建設需求、人工智能以及時空大數據發(fā)展新需求，開展以北斗為核心，結合低軌星、偽衛(wèi)星、地面5G通信網絡等實現天地協同增效，突破天地協同PNT網絡云端多源數據處理技術，研制國內高精度廣域覆蓋的科研試驗網，形成室內外亞米級精準泛在高精度、可信定位服務能力，打通室內室外地上地下空間信號的泛在連續(xù)覆蓋，拓展和帶動時空信息應用服務產業(yè)發(fā)展。

1.總體架構設計

總體架構設計如圖2 所示，天地協同PNT 網絡基于北斗、低軌和偽衛(wèi)星為主體，采用統(tǒng)一參數域技術框架，解決高精度差分增強處理和完好性評估統(tǒng)一問題，實現室內外用戶的無縫高精度定位服務及可信度評估，滿足用戶高性能高可靠時空大數據應用服務需求。

圖2 北斗室內外無縫導航試驗網絡總體架構

2.服務能力

（1）全球瞬時高精度定位服務

廣域范圍亞米級定位服務

室外授時同步精度優(yōu)于20ns

中斷后收斂時間優(yōu)于1 分鐘

（2）室內外無縫定位服務

室內優(yōu)于1m

室外優(yōu)于30cm

室內外切換時間優(yōu)于1s

（3）大容量并發(fā)服務

支持并發(fā)訪問量100 萬

數據傳輸時延優(yōu)于10ms

（4）網絡化監(jiān)測評估服務

具備空間段+ 地面段+ 用戶段聯合監(jiān)測功能

提供完好性信息、星座狀態(tài)、導航信息、導航信號等產品信息

完好性告警時延優(yōu)于6s

（5）天地一體化應急救援服務

具備全球北斗+RDSS 報文+5G 服務模式

具備天空地協同的北斗實時動態(tài)定位與短報文位置報告能力

3.試驗驗證

在體系仿真方面，采用云網端架構，支持多終端多用戶協同仿真，支持北斗天基導航定位、低軌導航增強、城市泛在時空基準、區(qū)域多維網信場圖、室內外高精度定位導航等天空地各類時空服務的集成仿真。

在實際場景中選擇室內外多場景（開闊、半遮蔽、全遮蔽）區(qū)域開展試驗網絡驗證，試驗基礎設施包括北斗偽衛(wèi)星微基站、時空盒室內外一體化定位終端組成，其中由中國電科54 所導航國家重點實驗室自主研制的北斗偽衛(wèi)星微基站，支持播發(fā)兼容北斗/GPS雙系統(tǒng)導航增強信號，同時支持單通道、6 通道和12 通道定位與組網以應對多種不同的應用場景。通過嵌入室內定位IP 軟核結合商用ublox、和芯星通等多款GNSS 定位芯片可以實現室內狹長空間、小尺度空間以及大尺度空間環(huán)境下的導航定位能力。

時空盒是結合消費級、低成本和通導融合的終端，基于北斗偽衛(wèi)星、移動通信及其他傳感器微系統(tǒng)架構集成技術，支持B1/L1 頻段，能夠實現室內外無縫定位，具備抗低溫（-40℃—70℃）特性，同時集成了GNSS 高精度定位、UWB 定位、移動通信、MEMS-IMU、氣壓計、磁力計和溫度計等模塊，具有4G/5G 移動通信能力，通過嵌入的室內定位IP軟核（支持基于商品化GNSS 芯片實現北斗偽衛(wèi)星信號的接收處理和定位解算），實現在復雜環(huán)境下（室內外、地下）時空盒連續(xù)高精度定位、通信和授時，如圖3 所示。

圖3 一體化定位終端（時空盒）

測試環(huán)境為導航國家重點實驗室大型室內定位試驗環(huán)境，測試條件為基于時空盒的室外空間北斗定位和室內空間的北斗偽衛(wèi)星定位。測試結果如圖4 所示，測試軌跡含室內、室外及室內外過渡區(qū)域，定位結果亞米級且連續(xù)無間斷。

圖4 室內外多場景連續(xù)定位測試

五、室內外無縫定位冬奧會應用

北斗室內外混合定位冬奧應用系統(tǒng)，旨在為北京2022 冬奧會張家口賽區(qū)國家跳臺滑雪中心及其周邊區(qū)域提供室內外連續(xù)全覆蓋場館位置服務?；诒倍肺⒒臼覂韧鉄o縫定位系統(tǒng)，首次驗證了將北斗信號引入室內提供高精度定位服務，實現了室內外一體化的無縫高精度定位，為冬奧會現場指揮管理中心提供人員、車輛、鐵馬的閉環(huán)管理，室內外無縫的大眾位置服務，應急救援調度與精準防疫，無人化機器人巡檢等服務。室內外定位系統(tǒng)總體架構如圖5 所示。

圖5 北斗室內外混合定位冬奧應用系統(tǒng)架構

考慮國家跳臺滑雪中心及周邊區(qū)域室內外復雜建筑結構特點，構建了以北斗偽衛(wèi)星為核心，結合5G 通信網等多源信息的定位體系架構，兼具云端協同、多源融合、一體化、自適應、多層次特性，提供室內外亞米級可信定位服務。

北斗微基站室內混合定位冬奧應用系統(tǒng)包含信號網絡層、終端感知層以及云位置服務層，協同交互實現室內外混合高精度定位。其中網絡層包括北斗偽衛(wèi)星廣域室內定位網絡、室內UWB 局域定位網絡以及北斗室外差分增強網絡等；終端層集成了對應網絡層的定位數傳模塊、電源抗低溫優(yōu)化及智能管理系統(tǒng)、輕量化低成本設計工藝等；云端層利用高性能處理能力進行時空數據挖掘、人工智能場景決策，通過5G 通信網與終端交互提供場館特色位置服務（圖6）。

圖6 北斗室內外無縫定位系統(tǒng)組成

基于“十三五”國家重點研發(fā)計劃“室內混合智能定位與室內GIS 技術”項目成果在國家跳臺滑雪中心（雪如意場館）進行了前期的技術體制驗證試驗，包括室內狹長空間定位測試、開闊空間測試以及室內外連續(xù)定位測試。

北京冬奧會張家口賽區(qū)北斗微基站室內外高精度定位系統(tǒng)應用為交通運行團隊提供了古楊樹場館群車輛的位置態(tài)勢服務以及人/車閉環(huán)管理服務；為防疫和安保運行團隊提供了人員的態(tài)勢服務及密接快速流調服務；為安保部門提供了自主巡航與配送服務，為場館的智能運行提供重要支撐。

1.特定區(qū)域人/車閉環(huán)管理

基于北斗室內外無縫定位系統(tǒng)實現了冬奧會賽事期間的閉環(huán)管理，通過在人員、車輛、鐵馬上安裝時空盒定位終端，對冬奧會古楊樹場館群室內外閉環(huán)區(qū)域內工作人員、設施及相關車輛進行運行流線監(jiān)控，定位精度優(yōu)于1m，可以防止其破環(huán)破圈、進入未授權區(qū)域。管理中心可對目標位置實時監(jiān)控顯示，進入未經許可區(qū)域會及時告警。

2.室內外無縫導航與位置服務

采用分布式云架構模式，建立了高性能TCP/IP服務器和高性能HTTP 服務器，為冬奧會三十五個運營團隊約1200 名工作人員提供北斗室內外云位置服務，包括人員位置感知，云端賽事信息和天氣信息推送，提供精準位置共享、目標導航、歷史軌跡查詢等服務，如圖7 所示。

圖7 室內外無縫大眾位置服務

3.應急救援調度與精準防疫

基于北斗室內外無縫高精度應用大數據平臺進行實時態(tài)勢感知，協助管理者快速定位工作人員、設備狀態(tài)等，實現全局監(jiān)控。針對冬奧期間疫情防控人員多、密度大等問題，基于北斗室內外無縫定位系統(tǒng)可在30 分鐘內獲取密接初篩信息，為冬奧會閉環(huán)內工作人員，疫情科學管控與快速溯源追蹤提供手段。

本屆冬奧會采用閉環(huán)管理模式，閉環(huán)區(qū)域由“大閉環(huán)”和若干“小閉環(huán)”區(qū)域組成。本系統(tǒng)對所有進入場館內攜帶時空盒的人員進行實時位置監(jiān)控，結合劃分的高精度電子圍欄，基于亞米級的實時定位實現對人員區(qū)域預警、非法破環(huán)破圈監(jiān)測，如發(fā)現破圈情況，會第一時間短信提醒用戶并在后臺進行事件提醒，如圖8 所示。

圖8 精準防疫

4.無人化自主巡檢

針對冬奧期間固定及定點區(qū)域環(huán)境安全實時監(jiān)測需求，基于北斗室內外無縫高精度定位導航能力，為安保部門提供了24 小時無人車自主巡檢服務，具備實時監(jiān)控重點區(qū)域視頻和傳感精準巡檢能力，有效輔助安全事件處理，為場館智能化自動化運行提供重要支撐，如圖9所示。

圖9 北斗室內外高精度無人化巡檢服務

5.無人化自主配送

基于北斗微基站室內高精度定位網絡，可為室內無人車輛提供準確的絕對位置信息，實時修正無人車輛累計誤差，并通過室內高精地圖實現無人配送能力。具體流程為：用戶發(fā)出請求物品和地址，無人車通過云平臺引導和控制，按照用戶需求精準投送物品至室內設定地點；用戶取走物品后，調度無人車自動導航返回原地；云端展示無人車實時位置和行進軌跡，如圖10 所示。

圖10 無人自助配送服務

6.用戶終端智能位置服務App

為滿足用戶任務調度和位置共享需求，系統(tǒng)為用戶提供了室內外定位服務App 軟件，同組人員可在軟件上實時查看組內人員精確位置，上報現場事件（支持拍照取景、問題描述等），同時具備自動接收語音調度能力，如圖11 所示。

圖11 用戶智能服務App

六、總結與展望

科技冬奧是北京2022 冬奧會提出的愿景，意在為世界探尋更好的未來城市解決方案，實現對人友好、對環(huán)境友好、對產業(yè)友好、對社群友好的人類城市生活目標。北斗室內外無縫定位系統(tǒng)在國際上首次實現了冬奧體育場館大規(guī)模室內外亞米級連續(xù)定位，使中國北斗率先進入室內提供位置服務，是“科技奧運”承諾的重要系統(tǒng)支撐，助力冬奧賽事及未來城市美好生活。北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式提供服務，推進北斗室內外無縫導航定位融入各行各業(yè)應用將是國家重要使命，“打通地上地下、室內室外”實現高精度定位導航與授時，將成為北斗領域實施創(chuàng)新應用的重大基礎設施與新質能力。

展望未來，以北斗為基石，發(fā)展多源PNT 融合技術，拓展北斗+低軌+偽衛(wèi)星+UWB+5G 網絡協同，是北斗高精度室內外無縫導航定位核心業(yè)務與發(fā)展趨勢。從室內外連續(xù)定位一體化角度，加固時空基礎設施、強化時空基準網絡、提升時空服務效能，形成天地協同、多源融合、無縫智能的室內外連續(xù)綜合時空信息服務體系，將有力拓展與提升北斗泛在精準時空信息服務，助推我國全社會數字化轉型與新一代信息產業(yè)快速發(fā)展。