可上九天攬月(yue)，可下五(wu)洋捉鱉，談笑凱歌還。世(shi)上無難(nan)事，只要(yao)肯登攀。
——《水(shui)調歌頭·重上(shang)井岡山(shan)》
當年詩句中的(de)豪邁篇章已經由神舟號飛船和(he)蛟(jiao)龍號科考(kao)船逐漸實現。且不說“下(xia)五洋捉鱉(bie)”，生活當中，有時候到(dao)了(le)地下(xia)車庫或地鐵就會因為沒(mei)有網(wang)絡和(he)導航而抓瞎，給大家的(de)生活帶(dai)來了(le)一(yi)些困(kun)擾。
不過，“地(di)下城”世界(jie)全面覆蓋精(jing)準定位和導航指日可待。
就在11月20日，《科技日報》頭版頭條報道了由北京郵電大學研究團隊牽頭研發、中國鐵塔、雄安新區智能城市創新聯合會共同合作的“北斗+5G室分 ”地(di)(di)(di)下(xia)空間(jian)高精度(du)定(ding)位導航(hang)(hang)(hang)系統——該技術讓雄安(an)“地(di)(di)(di)下(xia)城(cheng)”擁(yong)有精確(que)導航(hang)(hang)(hang)，實現了(le)定(ding)位精度(du)2米，建設成本僅為傳統地(di)(di)(di)下(xia)導航(hang)(hang)(hang)技術一半的目標，攻(gong)破了(le)地(di)(di)(di)下(xia)精準(zhun)導航(hang)(hang)(hang)的難題，在世界范圍也屬(shu)首創。
目(mu)前，該技(ji)術在雄安地下示范應用超(chao)過50萬平(ping)米(mi)，預計在2025年，“5G+北斗”導(dao)航將(jiang)覆蓋雄安新區所有已建成地下停(ting)車(che)場，實現了(le)為(wei)雄安地下城導(dao)航的愿景。
雄安“三座城”，先建“地下城”
據介紹，雄安新區設立之初就提出地上一座城、地下一座城、“云”上一座城的理念(nian)。甚至“地下(xia)”的建設(she)優先級要更加靠前——先地下(xia)、后地上(shang)，合理開發利用地下(xia)空間，是雄安新(xin)區(qu)規劃建設(she)的重要理念(nian)。
雄安新區規劃之初就提出建設的“地下一座城 ”，包括地下綜合管廊約380公里、地下停車場超2200萬平方米。所謂地下綜合管廊就是(shi)在城市地下建造一個隧道空間，讓電(dian)力(li)、通信、燃氣、供(gong)熱、給排水等各種工程管線住(zhu)進“集體宿舍”，同(tong)時(shi)設(she)(she)有專門的檢修(xiu)口、吊裝口和監測系(xi)統，實施(shi)統一規劃、統一設(she)(she)計、統一建設(she)(she)和管理，是(shi)保障城市運行的重要基礎設(she)(she)施(shi)。
除去高標準建設的、埋藏在地下的城市“大動脈”——城市綜合管廊外，城(cheng)市中(zhong)(zhong)地下(xia)停車(che)(che)場的面積也非(fei)常大(da)。例(li)如，在(zai)雄(xiong)安新區(qu)首(shou)個集中(zhong)(zhong)建(jian)成(cheng)區(qu)——容東片區(qu)，眾多小區(qu)、樓宇的地下(xia)停車(che)(che)場全(quan)部連通。在(zai)大(da)規模(mo)的地下(xia)空間(jian)中(zhong)(zhong)，會有(you)大(da)量的人、車(che)(che)、物流動，初入其中(zhong)(zhong)很容易迷(mi)路，如何(he)實(shi)現精準定位導航成(cheng)為雄(xiong)安新區(qu)“地下(xia)一座城(cheng)”建(jian)設過程中(zhong)(zhong)面臨(lin)的問題(ti)。
“地下之城”的精準管(guan)理(li)，離不開高精度(du)的定位與導航，而且要求技術新、成本低，能給其他(ta)城市(shi)建設提供可復制的樣本。
為實(shi)現地下空(kong)間的精準定位(wei)導(dao)航，2022年，國家重(zhong)點研(yan)(yan)發(fa)計劃設(she)立“交(jiao)通基礎設(she)施(shi)”專(zhuan)項，在5G通信與(yu)信號定位(wei)領(ling)域有長期積累的北(bei)京郵電(dian)大學(xue)信息與(yu)通信工程(cheng)學(xue)院(yuan)，成為“雄(xiong)安新區交(jiao)通設(she)施(shi)數(shu)字(zi)化建設(she)示范應用”項目的牽頭單位(wei)，展開“5G+北(bei)斗地下空(kong)間組合式定位(wei)導(dao)航”的課題研(yan)(yan)究(jiu)，中國鐵塔、雄(xiong)安新區智能城市創新聯合會聯合參與(yu)到(dao)項目研(yan)(yan)究(jiu)和落地當中。
導航技術、北斗導航與地下導航技術
導航(hang)技術簡介
導航是利用電學、磁學、聲(sheng)學、光(guang)學、力學等(deng)(deng)方法(fa)，通(tong)過測量(liang)與運(yun)載(zai)(zai)體(ti)位(wei)置有關的(de)(de)參數(shu)來實現對運(yun)載(zai)(zai)體(ti)的(de)(de)定(ding)(ding)位(wei)，并從出(chu)發點沿(yan)預定(ding)(ding)的(de)(de)路線，安全、準確(que)、經濟地(di)(di)引導(dao)(dao)運(yun)載(zai)(zai)體(ti)到(dao)達目的(de)(de)地(di)(di)的(de)(de)一門(men)技術。根(gen)據(ju)導(dao)(dao)航的(de)(de)信息獲取原理(li)(li)（如航標方法(fa)、航位(wei)推算(suan)、慣性原理(li)(li)、無(wu)線電傳播(bo)特性、天體(ti)運(yun)動規律、人造地(di)(di)球(qiu)衛星技術、地(di)(di)球(qiu)表(biao)面(mian)地(di)(di)形、地(di)(di)貌特征等(deng)(deng)），可分為觀測導(dao)(dao)航、推算(suan)導(dao)(dao)航、慣性導(dao)(dao)航、無(wu)線電導(dao)(dao)航、衛星導(dao)(dao)航、天文導(dao)(dao)航、地(di)(di)形輔助(zhu)導(dao)(dao)航等(deng)(deng)。
因為此次地下導航技術主要用到北斗的技術，這里對衛星導航進行著重介紹：
衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航是利(li)用(yong)衛(wei)星(xing)(xing)播發(fa)的(de)無(wu)線(xian)電信(xin)(xin)號進行導(dao)航定位的(de)技術。衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航以衛(wei)星(xing)(xing)為空(kong)間基準點，向(xiang)用(yong)戶終端(duan)播發(fa)無(wu)線(xian)電信(xin)(xin)號，從而確定用(yong)戶的(de)位置(zhi)、速度和時間。它不受氣(qi)象條件、航行距離的(de)限(xian)制，且導(dao)航精度高。
目前，全球(qiu)有四大(da)衛星導航系統：
全球定位系統GPS，是(shi)目前(qian)應用(yong)最廣泛的衛(wei)星導航系統(tong)，是(shi)由美(mei)國在上世紀(ji)70年代研制，1994年建成，定(ding)位(wei)精(jing)度可達(da)到厘米量級；
俄羅斯GLONASS衛星導航系統，定(ding)位(wei)精(jing)度在(zai)10米左右，蘇聯在(zai)上世紀(ji)70年(nian)代啟動建設；
北斗衛星導航系統BDS，定位精度(du)在米量(liang)級(ji)，11月16日正式(shi)加(jia)入(ru)國際民(min)航組織（ICAO）標準，成為(wei)全球民(min)航通用的衛(wei)星導航系統；
歐洲伽利略（Galileo）衛星導航定位系統，精(jing)度(du)也在20厘米左右，由(you)歐(ou)洲航天局在2016年創(chuang)建上線。
而(er)對(dui)于導航技術(shu)的衡量標準有(you)如下(xia)六項：
精度。這(zhe)是(shi)我們(men)最容易理解的(de)，精度指的(de)是(shi)導航(hang)系統為運載體所提供的(de)位置(zhi)(zhi)與(yu)運載體當時的(de)真(zhen)實位置(zhi)(zhi)之間的(de)重合度，誤差(cha)越(yue)小(xiao)，滿(man)開始(shi)越(yue)高；
覆蓋范圍。指(zhi)在空間(jian)當(dang)中導航(hang)系統能(neng)以規(gui)定精度確定運載(zai)體的位置，該參數受發(fa)射(she)信號功率、接受機靈敏度、傳播環境(jing)，幾何(he)關(guan)系等影響；
連續性。指運載體在某特定(ding)(ding)運行階段(duan)，導(dao)(dao)航系統能提供規(gui)定(ding)(ding)的(de)(de)定(ding)(ding)位(wei)引導(dao)(dao)功能而不發生中斷的(de)(de)能力，該指標表明了導(dao)(dao)航系統可連續提供導(dao)(dao)航服務的(de)(de)能力；
可用性、可靠性。可用(yong)性(xing)指(zhi)導航(hang)系(xi)統為運載(zai)體提供可用(yong)的(de)導航(hang)服務的(de)時(shi)間(jian)百(bai)分比，可靠(kao)性(xing)是(shi)指(zhi)導航(hang)系(xi)統在給定的(de)使用(yong)條件(jian)下在規(gui)定的(de)時(shi)間(jian)內以規(gui)定的(de)性(xing)能(neng)完成其功能(neng)的(de)概(gai)率，它表明(ming)系(xi)統發生故(gu)障的(de)頻度(du)。
信息更新率。指導(dao)航系統(tong)在單(dan)位時間內提供定位或其(qi)他導(dao)航數據的次數，單(dan)位是Hz；
系統容量。指導(dao)航系統可(ke)以同時(shi)供多少運載體(ti)使用的能(neng)力(li)，分(fen)為無(wu)限系統容(rong)量和有限系統容(rong)量兩種。
無疑，我(wo)國自主研發的北斗導航系統在(zai)技術水平(ping)和(he)項目指(zhi)標以及自研程度上都成為了項目的首選。
北斗導(dao)航介(jie)紹與(yu)“地下城”導(dao)航實踐(jian)
北斗導航系統經歷了三步走發展戰略：2000年年底，建(jian)成北(bei)斗一號(hao)(hao)系統，向中(zhong)國(guo)提供服(fu)(fu)(fu)務(wu)(wu)(wu)；2012年年底，建(jian)成北(bei)斗二(er)號(hao)(hao)系統，向亞太地區提供服(fu)(fu)(fu)務(wu)(wu)(wu)；2020年，建(jian)成北(bei)斗三(san)號(hao)(hao)系統，向全球提供服(fu)(fu)(fu)務(wu)(wu)(wu)。
和其他衛星和星座不同的是，北斗衛星具有鮮明的特點：1.北斗系(xi)(xi)(xi)統(tong)空間段采用(yong)三種軌道衛星(xing)組成的(de)混(hun)合(he)(he)星(xing)座，與其他衛星(xing)導航系(xi)(xi)(xi)統(tong)相比(bi)高軌衛星(xing)更多(duo)，抗(kang)遮擋能(neng)(neng)力(li)強，尤其低緯(wei)度地(di)區性能(neng)(neng)特點(dian)更為明顯。2. 北斗系(xi)(xi)(xi)統(tong)提供多(duo)個頻(pin)點(dian)的(de)導航信(xin)號，能(neng)(neng)夠通過多(duo)頻(pin)信(xin)號組合(he)(he)使用(yong)等方(fang)式提高服(fu)務精度。3. 北斗系(xi)(xi)(xi)統(tong)創新融合(he)(he)了(le)導航與通信(xin)能(neng)(neng)力(li)，具有實時(shi)導航、快(kuai)速定位、精確授時(shi)、精準位置報(bao)(bao)告和短報(bao)(bao)文通信(xin)服(fu)務五大功能(neng)(neng)。
在汶川地震和四川雅安地震時，救災部隊正是憑借著北斗終端機中的短報文通訊技術打通了震區內外的聯絡通道。據悉，短報文技術類似于手機短信。最初北斗一號及北斗二號只支持傳輸120個漢字，北斗三號建成(cheng)后，北斗導航(hang)系統已(yi)經(jing)支持傳(chuan)輸1000個漢(han)字(zi)，還(huan)可(ke)傳(chuan)輸語音和(he)圖片。
北斗在地下導航領域不光在雄安落地，深埋北京地下的管線，借助北斗實現了精準管理。基于北斗的精準位置信息以及物聯網等技術研(yan)發的管理平臺，能為地下管線的“運行體(ti)征(zheng)”進行24小時智慧“診脈”。“對于(yu)管理人員(yuan)來說(shuo)，就(jiu)如(ru)同腳下的玻璃一般透(tou)明。”
根據(ju)《2023中國衛(wei)星導(dao)航(hang)與位(wei)(wei)置(zhi)服務產業發展白皮(pi)書》介(jie)紹：2022年國內衛(wei)星導(dao)航(hang)與位(wei)(wei)置(zhi)服務市場整體(ti)穩(wen)定(ding)，根據(ju)中國衛(wei)星導(dao)航(hang)定(ding)位(wei)(wei)協會研究分(fen)析，2022年國內衛(wei)星導(dao)航(hang)定(ding)位(wei)(wei)終端產品總(zong)銷量約3.76億(yi)臺(tai)/套，其(qi)中具有衛(wei)星導(dao)航(hang)定(ding)位(wei)(wei)功(gong)能的智能手機(ji)出貨量達到2.64億(yi)部(bu)，車載(zai)導(dao)航(hang)儀(yi)市場終端銷量超過1200萬臺(tai)，包(bao)括物聯網、穿戴式、車載(zai)、高精度等在內的各類定(ding)位(wei)(wei)終端設備銷量超過1億(yi)臺(tai)/套。
回到這個項目上來，在“5G+北斗”導航(hang)技術(shu)項目(mu)研(yan)發之初，路兆銘團(tuan)隊幾乎考慮了所有(you)成熟技術(shu)手段(duan)的(de)可能(neng)性(xing)，包括藍(lan)牙(ya)、Wi-Fi、室(shi)內(nei)北斗導航(hang)基站等(deng)等(deng)，由于建設和配置成本較高，推廣示范(fan)作(zuo)用不大(da)而被篩掉。
后來，他們發現可以利用(yong)現有的(de)4G/5G的(de)室內分布系(xi)統(tong)，在5G基礎(chu)設施(shi)上混搭(da)北(bei)斗衛星導(dao)航信號，無需重建基礎(chu)設施(shi)，只用(yong)一(yi)個簡單(dan)的(de)“加(jia)法(fa)”，就讓北(bei)斗信號“混”入5G信號，構建出了(le)一(yi)個精準的(de)地下定(ding)位導(dao)航系(xi)統(tong)。
他們分析兩路信號的(de)(de)互調(diao)干擾模(mo)型，將蜂窩網絡與北(bei)斗信號這兩個(ge)看似不可調(diao)和的(de)(de)信號融合，成功將北(bei)斗信號引入(ru)地下；面對精度問(wen)題的(de)(de)挑戰，他們同(tong)樣創建了數(shu)據(ju)模(mo)型，以位置觀測源(yuan)帶來的(de)(de)多方數(shu)據(ju)提(ti)升整體的(de)(de)測量精度。
此外，團隊創新性地提出由信號SLAM（即時定位與建圖）架構的“5G+北斗組合式定位算法”，實現時空信息融合，使(shi)室(shi)內分布系統支持地(di)下(xia)1米精度的定(ding)位(wei)與導航。
該項目主要實(shi)現(xian)了以(yi)下技術(shu)突破：
一是，地下空間衛星信號受到遮擋，傳(chuan)統的衛星定位手段在(zai)地下(xia)(xia)不(bu)能(neng)發揮作用(yong)，北(bei)(bei)(bei)郵方案利(li)用(yong)北(bei)(bei)(bei)斗室分單(dan)元，將北(bei)(bei)(bei)斗信(xin)(xin)號(hao)(hao)匯入5G室分系統，成功(gong)將北(bei)(bei)(bei)斗信(xin)(xin)號(hao)(hao)引入地下(xia)(xia)，解決了地下(xia)(xia)空間沒有北(bei)(bei)(bei)斗信(xin)(xin)號(hao)(hao)覆蓋的問題；
二是，手機終端本身性能受限，利用手機(ji)終端在地面上只能達到10幾米的(de)精度(du)，如何能把定位(wei)(wei)(wei)精度(du)做到車(che)位(wei)(wei)(wei)級，是面臨另外一個難題，北郵(you)方案基(ji)于團隊提出的(de)協作式信號SLAM框架(jia)，將北斗(dou)觀測(ce)、5G觀測(ce)、手機(ji)慣導觀測(ce)等綜(zong)合(he)考(kao)慮，通過(guo)時(shi)空域(yu)上的(de)融合(he)，實現車(che)位(wei)(wei)(wei)級別的(de)定位(wei)(wei)(wei)精度(du)。
總而言之，北斗信號和5G室內分布系統的結合，為地下高精度定位導航打開了一扇新門。
5G+北斗組合式定位算法將北(bei)斗衛星導(dao)(dao)航信號(hao)、5G信號(hao)、加速度計等多源位(wei)(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)觀(guan)測信息(xi)融合在(zai)一(yi)起，精確(que)解(jie)算出車輛(liang)的當前位(wei)(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)。如今，利用(yong)“5G+北(bei)斗”定(ding)位(wei)(wei)(wei)(wei)導(dao)(dao)航技術，在(zai)雄安新區(qu)可實現停車場人員(yuan)和車輛(liang)準確(que)位(wei)(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)導(dao)(dao)航。路兆(zhao)銘(ming)介紹，這套技術還可以被集成到百度地圖、高德地圖、雄安行等應用(yong)程序中。
地下導(dao)航技術一覽
熟悉表計類產品的朋友肯定了解，這些平時就埋在地下、犄角旮旯的設備，對于信號傳輸有較高的要求。地下導航也一樣，藍牙、Wi-Fi 、UWB （超寬帶，Ultra Wideband）等技術都要根據情況為設備招呼上，從衛星導航信號的角度來講，這類場景被稱為遮蔽空間，地(di)下(xia)空間屬于衛星導航完全遮蔽空間，盡(jin)管無(wu)(wu)法接收衛星導航信號(hao)和地(di)面無(wu)(wu)線(xian)電(dian)信號(hao)，但是可(ke)以在(zai)空間內容假設無(wu)(wu)線(xian)電(dian)網絡實現定位導航覆(fu)蓋。
衛星導航遮蔽環境下的定位導航技術主要包括無線電導航和自主傳感導航兩類：
無線電導航，是(shi)通過(guo)遮蔽環境(jing)中部署固定(ding)(ding)或機動式無線電定(ding)(ding)位(wei)節(jie)點，通過(guo)無線電測(ce)距、測(ce)角、測(ce)姿等方式實現(xian)不依靠衛(wei)星導航的定(ding)(ding)位(wei)能(neng)力(li)。典型技術手段有(you)UWB、4G/5G室(shi)內定(ding)(ding)位(wei)導航技術、室(shi)內偽衛(wei)星定(ding)(ding)位(wei)技術，以及(ji)Zigbee、藍牙(ya)、Wi-Fi等多種(zhong)通信網絡。
自主傳感導航，是依靠慣性測量單元 (inertial measurement unit，IMU)、激(ji)光雷達、視(shi)覺(jue)傳(chuan)感器等手段(duan)(duan)實(shi)現在陌生環境條件(jian)下不依賴衛星(xing)導航的定位(wei)導航能(neng)力(li)。其技術(shu)手段(duan)(duan)主要(yao)來自視(shi)覺(jue)傳(chuan)感器、激(ji)光雷達等傳(chuan)感設備，通過即時定位(wei)與地(di)圖(tu)構建（SLAM）技術(shu)獲得定位(wei)能(neng)力(li)，類(lei)似的還有聲學(xue)定位(wei)和(he)可見光定位(wei)。
看到這里，我們再對照雄安“地下之城”導航項目建設描述，就清楚該團隊是采用了無線電導航與自主傳感導航相結合的方式，綜合上述技術手段(duan)的優勢(shi)所在(zai)，實現(xian)高(gao)精度(du)、更多(duo)覆(fu)蓋以及更高(gao)的集成程度(du)。
各(ge)種(zhong)技術(shu)手段的適(shi)用場景(jing)和優缺點如下(xia)：
圖片(pian)來源：遮蔽空間定位導航技(ji)術(shu)特(te)征分析(xi)與發展綜(zong)述，鮑亞(ya)川，楊(yang)夢煥等，2023
此外， 基于宇宙射線的μ子導航和量子導航技術也是定(ding)位和導航(hang)技術的(de)新的(de)方向，具(ju)有極大的(de)發展潛力(li)。
基(ji)于(yu)宇(yu)(yu)宙射(she)線的 μ 子導(dao)航(hang)，能夠實現在室內(nei)、地(di)(di)(di)下、水下環(huan)境(jing)的高精度導(dao)航(hang)，降低環(huan)境(jing)對于(yu)導(dao)航(hang)工(gong)(gong)作的影響。東(dong)京大學開發的一種基(ji)于(yu)宇(yu)(yu)宙射(she)線產生的高能粒(li)子導(dao)航(hang)系統首次(ci)在地(di)(di)(di)下成功測(ce)試(shi)。未來(lai)(lai)，這項技術(shu)有望可用來(lai)(lai)引(yin)導(dao)地(di)(di)(di)下或(huo)水下機(ji)器人，甚至幫助倒塌礦井或(huo)建筑物的搜索救(jiu)援(yuan)工(gong)(gong)作。
量(liang)(liang)子(zi)導(dao)航技(ji)術(shu)(shu)也(ye)是(shi)(shi)近年來備受關(guan)注的(de)(de)(de)(de)(de)一項技(ji)術(shu)(shu)手段(duan)，它(ta)具有(you)精(jing)度高(gao)、抗干擾、安全性(xing)強等特點，是(shi)(shi)最有(you)希望(wang)彌補衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航技(ji)術(shu)(shu)缺陷的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)之一。量(liang)(liang)子(zi)導(dao)航可分為基(ji)于(yu)測(ce)距(ju)體制的(de)(de)(de)(de)(de)星(xing)(xing)基(ji)量(liang)(liang)子(zi)導(dao)航系統、基(ji)于(yu)角運動/線運動測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)慣(guan)性(xing)導(dao)航、基(ji)于(yu)量(liang)(liang)子(zi)重力測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)匹(pi)配導(dao)航等技(ji)術(shu)(shu)。量(liang)(liang)子(zi)測(ce)距(ju)定(ding)位(wei)技(ji)術(shu)(shu)理論上可突破傳統測(ce)量(liang)(liang)精(jing)度極限(xian)，實(shi)現優于(yu) 1cm 的(de)(de)(de)(de)(de)定(ding)位(wei)精(jing)度，不過，目前(qian)該技(ji)術(shu)(shu)還需要(yao)相(xiang)關(guan)量(liang)(liang)子(zi)框架體系以(yi)及(ji)經(jing)典衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航的(de)(de)(de)(de)(de)支持。
寫在最后
如(ru)今，許(xu)多(duo)從前的(de)“不可能(neng)”都變成了可能(neng)，也許(xu)在不久的(de)將來(lai)，隨(sui)著通信技術(shu)的(de)加速迭代發展，網絡、導(dao)航技術(shu)都將會(hui)像空氣一樣，裝(zhuang)滿(man)世界的(de)每(mei)個(ge)角落(luo)。
參考內容：
1.巧借5G設施，將北斗導航延(yan)伸至地(di)下，科技(ji)日(ri)報(bao)，2022
2.為“地(di)下之城”精準(zhun)導航(hang)，科(ke)技日報(bao)，2023
3.“三個(ge)雄安(an)”打造未來之城 //www.xiongan.gov.cn/2023-05/03/c_1212173489.htm
4.《北斗衛(wei)星導航(hang)原理(li)與系統(tong)》范錄宏
5.北斗技術官(guan)網，系(xi)統介紹：//www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
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