基金項(xiàng)目：

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于5G和北斗的城市路況交通路口安全車速引導(dǎo)系統(tǒng)”（編號(hào)：2021KY1124）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)智能平板車位鎖系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2022KY127）

作者簡(jiǎn)介：

鄭欣悅（1990—），碩士，講師，主要從事通信工程網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作。

摘要：文章針對(duì)北斗定位技術(shù)中，衛(wèi)星信號(hào)在城市高層建筑密集區(qū)容易被遮擋，導(dǎo)致可見衛(wèi)星數(shù)量下降，進(jìn)而使得在高層建筑密集區(qū)域道路定位精度下降、定位不穩(wěn)定、誤差波動(dòng)大的問題，結(jié)合3GPP R16中引入5G網(wǎng)絡(luò)的UTDOA定位方法，介紹了一種基于北斗和5G的聯(lián)合定位方法，并使用MATLAB編程，模擬分析了該聯(lián)合定位方法在一個(gè)高層建筑密集路段的定位過程。試驗(yàn)表明，該聯(lián)合定位方法相比利用北斗或5G進(jìn)行單獨(dú)的定位，具有定位精度波動(dòng)小、穩(wěn)定度好的特點(diǎn)，在高層建筑密集區(qū)有較高的魯棒性。

關(guān)鍵詞：道路工程；北斗；5G；UTDOA；聯(lián)合定位；高層建筑密集區(qū)

中圖分類號(hào)：U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 55 182 3

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球定位系統(tǒng)。北斗定位技術(shù)在交通領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)，北斗定位技術(shù)作為一種衛(wèi)星定位技術(shù)，具有受環(huán)境、天氣影響大，定位精度易波動(dòng)的缺點(diǎn)［1］。以城市高層建筑密集區(qū)為例，北斗衛(wèi)星信號(hào)易被高大的建筑物遮擋，導(dǎo)致可見衛(wèi)星數(shù)量下降，定位精度劣化。因此，單一的北斗定位技術(shù)在一些特殊場(chǎng)景無法滿足未來智能交通發(fā)展的需求。

5G通信技術(shù)具備大帶寬、低延遲、廣接入的特點(diǎn)，為5G終端實(shí)現(xiàn)精密定位提供了更多的可能性。3GPP R16協(xié)議版本在5G網(wǎng)絡(luò)首次引入定位能力。其中包括了UL-AoA（Uplink Angle of Arrival）、DL-AoD（Downlink Angle of Departure）、UTDOA（Uplink Time Difference of Arrival）等定位方法。5G通信技術(shù)作為蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，擁有天然的基站布網(wǎng)容易、覆蓋廣、易拓展的特點(diǎn)，為補(bǔ)足北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的不足提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

本文將介紹一種北斗和5G的聯(lián)合定位方法，在北斗衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的城市高層建筑密集區(qū)采用5G UTDOA定位技術(shù)進(jìn)行盲區(qū)補(bǔ)點(diǎn)，并最終使用數(shù)據(jù)融合的方法將北斗和5G單獨(dú)工作獲得的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于北斗或5G單獨(dú)定位的效果。本文還將通過仿真數(shù)據(jù)試驗(yàn)，驗(yàn)證該聯(lián)合定位方法可以獲得良好的定位效果。

1 定位與誤差分析

1.1 北斗定位

根據(jù)北斗定位原理，北斗定位終端至少需要接收4顆衛(wèi)星的信號(hào)，才可以解析位置信息。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，衛(wèi)星數(shù)量往往越多越好。同時(shí)定位精度也受到衛(wèi)星幾何分布的影響。所以在北斗衛(wèi)星的廣播消息中，除了位置等信息外，同時(shí)還附帶了位置精度因子。該位置精度因子由定位終端與當(dāng)前的衛(wèi)星幾何分布有關(guān)［2］。主要包括水平精度因子（horizontal dilution of precision，HDOP）、垂直精度因子（vertical dilution of precision，VDOP）等。本文主要研究經(jīng)緯度和水平精度因子HDOP。

NMEA（National Marine Electronics Association）是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的一套數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，定義了包括GPS、北斗等GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的接收設(shè)備輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息格式。其中的GGA消息除了包括了經(jīng)度、緯度、海拔等基本定位信息外，還包括了水平精度因子HDOP。通過讀取定位設(shè)備的NMEA報(bào)文中的GGA消息，即可獲取本文需要的經(jīng)緯度信息與水平精度因子HDOP。

在城市的高層建筑密集區(qū)，因?yàn)楦邩堑恼趽?，可見衛(wèi)星數(shù)量下降，進(jìn)而影響北斗終端定位時(shí)的衛(wèi)星幾何分布，導(dǎo)致HDOP增大，最終定位精度下降。

定位精度=CEP×HDOP

（1）

如式（1）所示，HDOP是一個(gè)倍增因子，對(duì)定位精度的誤差有放大作用。其中CEP為圓概率誤差半徑，在常見的民用北斗定位終端的參數(shù)標(biāo)稱中，通常取CEP 50。即理想情況下，北斗定位終端的定位坐標(biāo)以50%的概率落在以真實(shí)坐標(biāo)為圓心、半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)。常見的民用北斗定位終端CEP 50半徑約為2 m。

如圖1所示，某CEP 50為2 m的定位終端的理想定位應(yīng)以50%的概率落在CEP 50參考圓內(nèi)。但是在HDOP分別為2和10時(shí)，定位誤差被放大。當(dāng)HDOP從2增大到10時(shí)，定位偏差急劇惡化，最大偏差點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了約30 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想情況下的2 m。

1.2 5G UTDOA定位

在3GPP的5G R16版本中，引入了基于UTDOA（Uplink Time Difference of Arrival，上行到達(dá)時(shí)間差）的定位技術(shù)。這是基于5G終端的上行信號(hào)到達(dá)各個(gè)基站的信號(hào)傳播時(shí)間差異來解析確定移動(dòng)設(shè)備的一種通信定位技術(shù)。該方法使用基于多個(gè)位置已知的AAU或PRRU測(cè)量5G終端發(fā)送的上行信號(hào)中的SRS探測(cè)參考信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，通過計(jì)算多個(gè)SRS參考信號(hào)時(shí)間差（Reference signal time difference， RSTD）測(cè)量解算UE的位置坐標(biāo)，其基本原理如圖2示意。

相比于以北斗為代表的GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)，UTDOA技術(shù)充分利用了蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)中基站部署容易、部署密度大的優(yōu)點(diǎn)，使得其在廣范圍覆蓋和室外環(huán)境中具有較高的位置測(cè)量準(zhǔn)確性。其可以適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景，如緊急呼叫定位、移動(dòng)設(shè)備定位和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。UTDOA技術(shù)在增強(qiáng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能和提供更準(zhǔn)確的定位服務(wù)方面具有重要作用。根據(jù)3GPP的技術(shù)規(guī)范，UTDOA的定位精度在室內(nèi)80%概率能夠達(dá)到3 m，室外能夠達(dá)到10 m［3］。

本文主要研究在城市的高層建筑密集區(qū)道路使用5G UTDOA定位技術(shù)彌補(bǔ)北斗定位缺陷的方案，從而獲取較高質(zhì)量的5G定位效果提升定位導(dǎo)航準(zhǔn)確性和效率。本方案采用AAU設(shè)備做主要信號(hào)覆蓋，保證車載5G通信設(shè)備可同時(shí)向至少不同的4個(gè)AAU發(fā)送上行參考信號(hào)，且信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到-85 dBm以上。另外在一些不方便部署AAU等大型設(shè)備的區(qū)域，使用pRRU做插花式補(bǔ)點(diǎn)，增加參考信號(hào)數(shù)量，提升定位準(zhǔn)確度。設(shè)備部署與天線覆蓋方向才用交叉排布方式，如圖3所示。

1.3 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合指的是通過數(shù)學(xué)方法將多來源的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到更優(yōu)化的處理結(jié)果。本文研究的數(shù)據(jù)融合采用加權(quán)平均的方式，將北斗定位數(shù)據(jù)和5G定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而獲取總體上更優(yōu)化的定位結(jié)果。該數(shù)據(jù)融合方法的重點(diǎn)在于權(quán)值的選擇，當(dāng)北斗定位誤差變大時(shí)，其權(quán)值應(yīng)該下降。同時(shí)，5G定位的權(quán)值應(yīng)該上升。故本文采用兩種定位方式獨(dú)立定位時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差作為權(quán)值。

由于在常見的北斗定位和5G通信設(shè)備的性能參數(shù)指標(biāo)中，通常以CEP半徑形式給出。該指標(biāo)不能直接作為權(quán)值參與數(shù)據(jù)融合的計(jì)算。需要將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)差的形式。本文不考慮海拔的定位，僅考慮平面的定位，故可以將北斗或5G的定位結(jié)果視為一個(gè)二維隨機(jī)變標(biāo)量，定位數(shù)據(jù)符合二維隨機(jī)分布。根據(jù)大數(shù)定理和中心極限定理，其分布符合二維高斯分布的特征。為簡(jiǎn)化研究且不失一般性，本文假設(shè)經(jīng)度、緯度的誤差相對(duì)獨(dú)立。

CEP=∫R01δ2e-r22δ2rdr

（2）

式（2）是極坐標(biāo)形式的二維獨(dú)立高斯分布的累積分布函數(shù)的公式。其中CEP為定位落在以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，以R為半徑的圓內(nèi)的概率。使用Matlab編程對(duì)式（2）進(jìn)行求解，即可得出給定CEP概率和半徑對(duì)應(yīng)的高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ。

表1給出了幾個(gè)常見CEP、HDOP值與高斯標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

式（3）為利用加權(quán)平均方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的公式，其中l(wèi)oc_bds、loc_5G分別為北斗和5G單獨(dú)定位得到的坐標(biāo)，std_bds、std_5G為北斗和5G單獨(dú)定位時(shí)當(dāng)前的定位標(biāo)準(zhǔn)差。

loc_hybrid=loc_bds×std_5G+loc_5G×std_bdsstd_bds+std_5G

（3）

2 仿真測(cè)試

2.1 仿真環(huán)境

本文選取一段約250 m長(zhǎng)度的道路，以起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中50～200 m路段為高層建筑密集區(qū)；選取一輛小車以30 km/h的速度勻速前進(jìn)，并以此計(jì)算位移，作為真實(shí)坐標(biāo)。在大部分導(dǎo)航定位場(chǎng)景中，主要考慮的是前進(jìn)方向的定位誤差。故本文在不影響科學(xué)性的前提下，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)過程，僅考慮前進(jìn)方向的定位誤差。

試驗(yàn)通過Matlab編程，給定CEP、HDOP等參數(shù)求解出高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差。依據(jù)該參數(shù)生成符合高斯分布的隨機(jī)數(shù)，作為定位誤差，并且該標(biāo)準(zhǔn)差還可以作為后續(xù)數(shù)據(jù)融合的權(quán)值依據(jù)。表2為本次仿真試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定。

2.2 結(jié)果與分析

如圖4為聯(lián)合定位方法的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)過程中可見在高層建筑密集區(qū)路段，單一的北斗定位誤差波動(dòng)較大，定位精度不高，最大誤差到達(dá)了50 m左右；而結(jié)合了5G定位的聯(lián)合定位方法，可以有效平滑北斗定位的誤差波動(dòng)，將最大誤差控制在了10 m左右，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的定位結(jié)果。

表3為對(duì)單北斗定位、單5G定位、聯(lián)合定位方法的定位誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算結(jié)果。該結(jié)果也表明，單北斗定位因?yàn)槭艿礁邔咏ㄖ芗瘏^(qū)的衛(wèi)星信號(hào)遮擋影響，定位誤差波動(dòng)較大。而使用了聯(lián)合定位方法后，利用5G UTDOA進(jìn)行北斗定位的盲區(qū)補(bǔ)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)波動(dòng)更小的、穩(wěn)定度更高的定位，在高層建筑密集區(qū)路段魯棒性更高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用Matlab編程方法，基于城市高層建筑密集區(qū)的道路環(huán)境特性進(jìn)行了仿真測(cè)試，使用數(shù)據(jù)融合算法對(duì)帶有誤差的北斗定位、5G UTDOA定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合定位。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效提高定位的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性，在高層建筑密集區(qū)有較高的魯棒性。本文研究還有一些不足，沒有充分考慮定位過程中的多徑效應(yīng)、對(duì)流層延遲等影響，未來將加強(qiáng)這些方面的研究。

參考文獻(xiàn)

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