可(ke)上九天攬月，可(ke)下五洋捉鱉，談笑(xiao)凱歌(ge)還。世(shi)上無難事，只(zhi)要(yao)肯登攀(pan)。
——《水調歌頭·重上井岡(gang)山(shan)》
當年詩句(ju)中的豪(hao)邁篇章已經由神舟號飛船和(he)蛟龍號科考船逐漸實現。且不說“下五洋(yang)捉(zhuo)鱉”，生(sheng)活當中，有時(shi)候到了地(di)下車庫或地(di)鐵就會(hui)因為沒有網絡和(he)導航而抓瞎，給大(da)家的生(sheng)活帶來了一(yi)些困擾。
不過，“地下城”世界(jie)全面覆蓋精(jing)準定位和導航(hang)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 ”地下(xia)(xia)空間高精(jing)(jing)度定位(wei)(wei)導(dao)航(hang)系統——該技(ji)術(shu)(shu)讓雄安“地下(xia)(xia)城”擁有精(jing)(jing)確導(dao)航(hang)，實現(xian)了(le)定位(wei)(wei)精(jing)(jing)度2米，建設(she)成本僅(jin)為傳統地下(xia)(xia)導(dao)航(hang)技(ji)術(shu)(shu)一半的目標(biao)，攻破了(le)地下(xia)(xia)精(jing)(jing)準導(dao)航(hang)的難題，在世界(jie)范圍也屬首(shou)創。
目(mu)前，該技術在(zai)雄安(an)地(di)下示范應用超過50萬(wan)平米，預計在(zai)2025年，“5G+北(bei)斗”導航(hang)將覆蓋雄安(an)新區所(suo)有已建成(cheng)地(di)下停車場(chang)，實現(xian)了(le)為雄安(an)地(di)下城(cheng)導航(hang)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。甚至(zhi)“地(di)下(xia)”的建設優先級(ji)要(yao)更加靠前——先地(di)下(xia)、后地(di)上，合理開發利用(yong)地(di)下(xia)空間，是(shi)雄安新區(qu)規劃(hua)建設的重要(yao)理念。
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在城市(shi)(shi)地下建造一個隧道空間，讓(rang)電力、通(tong)信、燃(ran)氣(qi)、供熱、給排水等各種工程管線住進(jin)“集體宿(su)舍”，同時設有專門的檢(jian)修口、吊裝口和監測系統(tong)，實施統(tong)一規劃、統(tong)一設計、統(tong)一建設和管理，是保障城市(shi)(shi)運行(xing)的重要基礎設施。
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，城市(shi)中地(di)下(xia)停車場的(de)面積也非常大。例如，在(zai)雄(xiong)安(an)新(xin)區(qu)(qu)首個集中建成(cheng)區(qu)(qu)——容東片區(qu)(qu)，眾多(duo)小(xiao)區(qu)(qu)、樓(lou)宇的(de)地(di)下(xia)停車場全部(bu)連通。在(zai)大規模的(de)地(di)下(xia)空間中，會有大量的(de)人、車、物流動，初(chu)入(ru)其中很容易迷路，如何(he)實現精準定位導航成(cheng)為雄(xiong)安(an)新(xin)區(qu)(qu)“地(di)下(xia)一座城”建設過程中面臨(lin)的(de)問題。
“地下之城”的(de)精準管理，離不開高精度的(de)定位與導航，而(er)且要求技術新、成本低，能給其他城(cheng)市建設提供可復制的(de)樣本。
為實現(xian)地下空間的精準(zhun)定位(wei)(wei)導航(hang)，2022年，國家重點研(yan)發計劃設立(li)“交通(tong)基礎設施”專項(xiang)，在5G通(tong)信(xin)與信(xin)號定位(wei)(wei)領域有長期(qi)積累的北京郵電大(da)學信(xin)息與通(tong)信(xin)工程學院，成為“雄安新區(qu)交通(tong)設施數字(zi)化建設示范應用”項(xiang)目的牽頭單位(wei)(wei)，展開“5G+北斗地下空間組合(he)式定位(wei)(wei)導航(hang)”的課題(ti)研(yan)究，中國鐵(tie)塔、雄安新區(qu)智能(neng)城市創新聯(lian)合(he)會聯(lian)合(he)參(can)與到項(xiang)目研(yan)究和落地當中。
導航技術、北斗導航與地下導航技術
導航技術簡介
導航是利用(yong)電(dian)(dian)學(xue)(xue)、磁學(xue)(xue)、聲學(xue)(xue)、光學(xue)(xue)、力學(xue)(xue)等方法(fa)，通過測量與(yu)運(yun)載(zai)體(ti)位置有關的(de)參數來實現對運(yun)載(zai)體(ti)的(de)定(ding)位，并從出(chu)發點沿預(yu)定(ding)的(de)路線，安全、準確、經(jing)濟地(di)引導(dao)(dao)運(yun)載(zai)體(ti)到(dao)達目的(de)地(di)的(de)一門技術(shu)(shu)。根據導(dao)(dao)航(hang)(hang)的(de)信息獲取原理（如航(hang)(hang)標(biao)方法(fa)、航(hang)(hang)位推(tui)算、慣性(xing)原理、無線電(dian)(dian)傳播特(te)性(xing)、天(tian)體(ti)運(yun)動(dong)規律、人造地(di)球衛星技術(shu)(shu)、地(di)球表(biao)面(mian)地(di)形、地(di)貌特(te)征等），可分為觀測導(dao)(dao)航(hang)(hang)、推(tui)算導(dao)(dao)航(hang)(hang)、慣性(xing)導(dao)(dao)航(hang)(hang)、無線電(dian)(dian)導(dao)(dao)航(hang)(hang)、衛星導(dao)(dao)航(hang)(hang)、天(tian)文導(dao)(dao)航(hang)(hang)、地(di)形輔助導(dao)(dao)航(hang)(hang)等。
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)(wei)(wei)星(xing)導(dao)航(hang)(hang)是利用衛(wei)(wei)(wei)星(xing)播發的(de)無(wu)線電信號進行(xing)導(dao)航(hang)(hang)定位(wei)的(de)技術。衛(wei)(wei)(wei)星(xing)導(dao)航(hang)(hang)以衛(wei)(wei)(wei)星(xing)為空間基準(zhun)點，向用戶(hu)終端播發無(wu)線電信號，從而確定用戶(hu)的(de)位(wei)置、速度和(he)時(shi)間。它不受氣象條件(jian)、航(hang)(hang)行(xing)距(ju)離的(de)限制(zhi)，且導(dao)航(hang)(hang)精度高。
目前，全球有四大衛星(xing)導航(hang)系(xi)統：
全球定位系統GPS，是目前應用最廣泛(fan)的衛星導航(hang)系統(tong)，是由美國在上世紀70年代(dai)研(yan)制(zhi)，1994年建成，定位精(jing)度可達到(dao)厘米量(liang)級(ji)；
俄羅斯GLONASS衛星導航系統，定(ding)位(wei)精度在10米左(zuo)右，蘇(su)聯在上世紀70年(nian)代啟動建(jian)設；
北斗衛星導航系統BDS，定位(wei)精度在米(mi)量級(ji)，11月16日(ri)正式加入國際民航(hang)組(zu)織（ICAO）標準，成為全球民航(hang)通用的衛星導航(hang)系統；
歐洲伽利略（Galileo）衛星導航定位系統，精度也(ye)在20厘米左右(you)，由歐洲(zhou)航天局在2016年創建上線。
而(er)對于導航(hang)技術的衡(heng)量標準有如下六項：
精度。這是(shi)我們最容易理解(jie)的(de)(de)(de)，精度指的(de)(de)(de)是(shi)導(dao)航系(xi)統為運載體(ti)所(suo)提供的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)與(yu)運載體(ti)當時的(de)(de)(de)真實位(wei)置(zhi)之間的(de)(de)(de)重(zhong)合度，誤(wu)差越小，滿(man)開始越高；
覆蓋范圍。指在(zai)空(kong)間(jian)當中導航系(xi)統能以規定(ding)精度確(que)定(ding)運載體的(de)位置，該(gai)參數受(shou)(shou)發射信號(hao)功(gong)率、接受(shou)(shou)機靈敏度、傳播環境(jing)，幾何關系(xi)等影響；
連續性。指(zhi)運載體在(zai)某特定(ding)運行階段(duan)，導航(hang)系統能提(ti)供(gong)規(gui)定(ding)的定(ding)位引導功能而不發生中斷的能力，該指(zhi)標表明了導航(hang)系統可連續提(ti)供(gong)導航(hang)服務的能力；
可用性、可靠性。可(ke)用性(xing)指導航(hang)(hang)系(xi)統為運載體(ti)提(ti)供可(ke)用的(de)(de)導航(hang)(hang)服務(wu)的(de)(de)時間(jian)百(bai)分比，可(ke)靠(kao)性(xing)是(shi)指導航(hang)(hang)系(xi)統在(zai)給(gei)定的(de)(de)使(shi)用條件下在(zai)規定的(de)(de)時間(jian)內以規定的(de)(de)性(xing)能完成(cheng)其(qi)功能的(de)(de)概率，它表(biao)明(ming)系(xi)統發生故(gu)障的(de)(de)頻度。
信息更新率。指導航(hang)系統在(zai)單(dan)位時間(jian)內提供定位或其(qi)他導航(hang)數據(ju)的次(ci)數，單(dan)位是Hz；
系統容量。指導航系統(tong)(tong)可以同時供多少運載體(ti)使用的能力，分(fen)為無限(xian)系統(tong)(tong)容量(liang)和(he)有限(xian)系統(tong)(tong)容量(liang)兩種。
無(wu)疑，我(wo)國(guo)自主研發的(de)北(bei)斗導航系統在技術水平和項(xiang)目(mu)指標(biao)以及(ji)自研程度(du)上都(dou)成(cheng)為了項(xiang)目(mu)的(de)首選。
北斗(dou)導(dao)航介(jie)紹與(yu)“地(di)下城”導(dao)航實(shi)踐
北斗導航系統經歷了三步走發展戰略：2000年(nian)(nian)年(nian)(nian)底(di)，建成北(bei)斗一號系(xi)統，向中國提供(gong)服務(wu)(wu)；2012年(nian)(nian)年(nian)(nian)底(di)，建成北(bei)斗二號系(xi)統，向亞(ya)太地區提供(gong)服務(wu)(wu)；2020年(nian)(nian)，建成北(bei)斗三號系(xi)統，向全球提供(gong)服務(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(bei)斗(dou)系(xi)統(tong)空(kong)間段(duan)采用三種軌(gui)道衛(wei)星組(zu)成的混合星座，與其他衛(wei)星導航(hang)系(xi)統(tong)相比高(gao)軌(gui)衛(wei)星更(geng)多(duo)(duo)，抗遮擋能(neng)(neng)力(li)強(qiang)，尤其低緯度地區性(xing)能(neng)(neng)特點更(geng)為明顯。2. 北(bei)斗(dou)系(xi)統(tong)提供多(duo)(duo)個頻點的導航(hang)信號(hao)，能(neng)(neng)夠通(tong)過多(duo)(duo)頻信號(hao)組(zu)合使用等方式提高(gao)服(fu)務(wu)精(jing)度。3. 北(bei)斗(dou)系(xi)統(tong)創新融合了導航(hang)與通(tong)信能(neng)(neng)力(li)，具有(you)實時(shi)導航(hang)、快速定(ding)位、精(jing)確授時(shi)、精(jing)準(zhun)位置報告和短報文通(tong)信服(fu)務(wu)五(wu)大功(gong)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，北斗三號建成后，北(bei)斗導航系統已經支持(chi)傳輸1000個漢字，還(huan)可傳輸語音和圖片。
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發的(de)管理平臺，能為地下管線的(de)“運行體(ti)征”進行24小時智慧“診脈”。“對于管理人員來(lai)說，就(jiu)如(ru)同腳下的(de)玻璃一(yi)般透明(ming)。”
根(gen)據(ju)(ju)《2023中(zhong)國衛(wei)星(xing)導航(hang)與位置服務產業發展白皮書》介紹：2022年(nian)國內(nei)衛(wei)星(xing)導航(hang)與位置服務市場(chang)整(zheng)體(ti)穩定(ding)，根(gen)據(ju)(ju)中(zhong)國衛(wei)星(xing)導航(hang)定(ding)位協會研究分析(xi)，2022年(nian)國內(nei)衛(wei)星(xing)導航(hang)定(ding)位終端(duan)產品總(zong)銷量約3.76億(yi)臺/套(tao)，其中(zhong)具有(you)衛(wei)星(xing)導航(hang)定(ding)位功(gong)能的(de)(de)智能手機(ji)出(chu)貨量達到(dao)2.64億(yi)部，車(che)載(zai)導航(hang)儀市場(chang)終端(duan)銷量超過1200萬臺，包括物聯網、穿戴式、車(che)載(zai)、高精度(du)等在內(nei)的(de)(de)各(ge)類定(ding)位終端(duan)設備銷量超過1億(yi)臺/套(tao)。
回到這個項目上來，在“5G+北斗”導(dao)(dao)航技術項目研發之初(chu)，路(lu)兆銘團隊幾(ji)乎考慮了所有成熟技術手段的可能性，包括藍牙、Wi-Fi、室內北斗導(dao)(dao)航基(ji)站等等，由于建設(she)和配置成本較高，推廣示范(fan)作用不大而被篩(shai)掉(diao)。
后來，他們發現可以利用(yong)現有的(de)(de)4G/5G的(de)(de)室內分布系(xi)統(tong)，在5G基礎設(she)施(shi)上(shang)混搭北斗衛(wei)星導航(hang)信(xin)號(hao)，無需重建(jian)基礎設(she)施(shi)，只用(yong)一(yi)個簡單的(de)(de)“加法(fa)”，就讓北斗信(xin)號(hao)“混”入5G信(xin)號(hao)，構建(jian)出了(le)一(yi)個精準的(de)(de)地下定位導航(hang)系(xi)統(tong)。
他們(men)(men)分析兩路(lu)信(xin)號的互調干擾模型(xing)，將蜂窩網絡(luo)與北(bei)斗信(xin)號這兩個看(kan)似(si)不可調和的信(xin)號融合，成功將北(bei)斗信(xin)號引入地下；面對精度問題的挑戰，他們(men)(men)同樣創建了數據模型(xing)，以位(wei)置觀測(ce)源(yuan)帶來的多方數據提升(sheng)整體(ti)的測(ce)量(liang)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(shi)空信息融合，使室內分(fen)布系統支持(chi)地下1米精度的定位與(yu)導航。
該(gai)項目主要(yao)實現了(le)以下技術突破(po)：
一是，地下空間衛星信號受到遮擋，傳統(tong)的(de)衛星定位手段在地(di)下(xia)(xia)不能發(fa)揮作用，北(bei)(bei)郵方案利用北(bei)(bei)斗室分單(dan)元(yuan)，將北(bei)(bei)斗信號匯入5G室分系統(tong)，成功將北(bei)(bei)斗信號引入地(di)下(xia)(xia)，解決了地(di)下(xia)(xia)空間沒有(you)北(bei)(bei)斗信號覆蓋(gai)的(de)問題；
二是，手機終端本身性能受限，利用(yong)手機終端(duan)在地面上(shang)只能達到(dao)10幾米的(de)精(jing)度(du)，如(ru)何能把定位精(jing)度(du)做(zuo)到(dao)車(che)位級，是面臨另外一個難題，北(bei)郵方案基于(yu)團隊(dui)提出的(de)協(xie)作式信號SLAM框架，將北(bei)斗觀測(ce)、5G觀測(ce)、手機慣導觀測(ce)等綜合(he)考慮，通過時空(kong)域上(shang)的(de)融合(he)，實現車(che)位級別的(de)定位精(jing)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(dou)衛星導航信(xin)(xin)號、5G信(xin)(xin)號、加(jia)速度(du)計等多(duo)源位(wei)(wei)置(zhi)觀測信(xin)(xin)息(xi)融合在一起(qi)，精(jing)確(que)解算出車(che)輛的當前位(wei)(wei)置(zhi)。如今(jin)，利用“5G+北(bei)斗(dou)”定位(wei)(wei)導航技(ji)術(shu)，在雄(xiong)安新(xin)區可實(shi)現停(ting)車(che)場人員和車(che)輛準確(que)位(wei)(wei)置(zhi)導航。路兆銘(ming)介紹，這套技(ji)術(shu)還(huan)可以(yi)被集成到百度(du)地圖、高(gao)德地圖、雄(xiong)安行等應用程序中(zhong)。
地下導航技術一覽
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，地下空(kong)間屬于衛(wei)星(xing)導航(hang)完全遮蔽空(kong)間，盡管無(wu)法接收衛(wei)星(xing)導航(hang)信(xin)號(hao)和地面無(wu)線(xian)電(dian)信(xin)號(hao)，但是可以(yi)在空(kong)間內容假(jia)設無(wu)線(xian)電(dian)網(wang)絡實(shi)現定位導航(hang)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，是通過(guo)遮蔽環境中部(bu)署固(gu)定(ding)(ding)或機動式無線電(dian)定(ding)(ding)位節點，通過(guo)無線電(dian)測(ce)距、測(ce)角(jiao)、測(ce)姿等方式實現(xian)不依靠衛星(xing)導航(hang)的(de)定(ding)(ding)位能力。典型技術(shu)手段有UWB、4G/5G室內定(ding)(ding)位導航(hang)技術(shu)、室內偽衛星(xing)定(ding)(ding)位技術(shu)，以及Zigbee、藍(lan)牙(ya)、Wi-Fi等多種通信網絡(luo)。
自主傳感導航，是依靠慣性(xing)測量單元 (inertial measurement unit，IMU)、激光雷達、視(shi)覺傳(chuan)感器(qi)等手(shou)段實現在陌生(sheng)環(huan)境條件(jian)下不(bu)依賴衛星導航的(de)定(ding)位導航能力。其技(ji)術手(shou)段主要來自(zi)視(shi)覺傳(chuan)感器(qi)、激光雷達等傳(chuan)感設(she)備，通過即時(shi)定(ding)位與地(di)圖構(gou)建（SLAM）技(ji)術獲得(de)定(ding)位能力，類似的(de)還有聲(sheng)學(xue)定(ding)位和可見(jian)光定(ding)位。
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(shi)，綜(zong)合上述技術手(shou)段的優勢(shi)所在(zai)，實現高精度、更多(duo)覆蓋(gai)以及更高的集(ji)成(cheng)程(cheng)度。
各種技術手段的適用場景和優(you)缺(que)點如下：
圖片來源：遮(zhe)蔽空間定位導航技術特征分析與(yu)發展(zhan)綜(zong)述，鮑(bao)亞川，楊夢煥等，2023
此外， 基于宇宙射線的μ子導航和量子導航技術也是定位和導航技術的新的方(fang)向，具有(you)極大的發(fa)展潛力。
基于宇宙射線的 μ 子(zi)導(dao)航，能(neng)(neng)夠實(shi)現在室內、地下(xia)、水下(xia)環(huan)境的高(gao)精度導(dao)航，降低環(huan)境對于導(dao)航工作的影響。東(dong)京大學(xue)開發的一種基于宇宙射線產生的高(gao)能(neng)(neng)粒子(zi)導(dao)航系統首(shou)次在地下(xia)成功測試。未(wei)來，這項(xiang)技術有望可用來引導(dao)地下(xia)或水下(xia)機器人，甚至幫助倒塌礦(kuang)井或建筑(zhu)物的搜索救援工作。
量(liang)子導(dao)(dao)航(hang)(hang)技(ji)(ji)(ji)術(shu)也是近(jin)年來備受關注(zhu)的一(yi)項技(ji)(ji)(ji)術(shu)手段，它具有精度高、抗干擾、安全性(xing)強(qiang)等特(te)點(dian)，是最有希望(wang)彌補(bu)衛星導(dao)(dao)航(hang)(hang)技(ji)(ji)(ji)術(shu)缺陷的技(ji)(ji)(ji)術(shu)之一(yi)。量(liang)子導(dao)(dao)航(hang)(hang)可分為(wei)基于測(ce)(ce)距體制(zhi)的星基量(liang)子導(dao)(dao)航(hang)(hang)系統(tong)、基于角運(yun)動(dong)/線運(yun)動(dong)測(ce)(ce)量(liang)的量(liang)子慣性(xing)導(dao)(dao)航(hang)(hang)、基于量(liang)子重力測(ce)(ce)量(liang)的匹配導(dao)(dao)航(hang)(hang)等技(ji)(ji)(ji)術(shu)。量(liang)子測(ce)(ce)距定位技(ji)(ji)(ji)術(shu)理論上可突破傳(chuan)統(tong)測(ce)(ce)量(liang)精度極限，實(shi)現優于 1cm 的定位精度，不(bu)過(guo)，目(mu)前該技(ji)(ji)(ji)術(shu)還需要相關量(liang)子框架體系以(yi)及經典衛星導(dao)(dao)航(hang)(hang)的支持。
寫在最后
如今，許(xu)多從前的“不(bu)(bu)可(ke)能”都變(bian)成(cheng)了可(ke)能，也許(xu)在不(bu)(bu)久的將(jiang)來，隨(sui)著通信技(ji)術的加速迭代(dai)發展，網絡、導(dao)航技(ji)術都將(jiang)會像空氣一樣(yang)，裝滿世界的每個角落。
參考內容：
1.巧借5G設施(shi)，將北斗導航(hang)延伸至(zhi)地下(xia)，科技日報，2022
2.為“地下之城”精準導(dao)航，科技日報，2023
3.“三個雄安(an)”打造未來之城 //www.xiongan.gov.cn/2023-05/03/c_1212173489.htm
4.《北(bei)斗(dou)衛星導航原(yuan)理與系統》范(fan)錄宏
5.北斗技術官(guan)網，系統介(jie)紹(shao)：//www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
6.Liu Y, Wang L, Lu Z, et al. A Stateless Design of Satellite-Terrestrial Integrated Core Network and its Deployment Strategy[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2023.
7.《2023中國衛(wei)星(xing)導航(hang)與位置(zhi)服務產業(ye)發(fa)展白皮書》，中國衛(wei)星(xing)導航(hang)定位協會
8.《遮(zhe)蔽空間(jian)定位導(dao)航技術特征分析與發展(zhan)綜述》
9.Tanaka H K M, Gallo G, Gluyas J, et al. First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments[J]. iScience, 2023.
