巧借5G設(shè)施，將北斗導(dǎo)航延伸至地下

  ICC訊 在雄安新區(qū)容東片區(qū)的地下停車場，看不到紛繁復(fù)雜的線路，大量裝備都被“隱藏”在專門的機(jī)房里。機(jī)房的墻壁上放置著3個小盒子，既有合路器，又有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航室內(nèi)分布單元，還有運營商的5G基站。在這里，一條線路連接樓頂上方，以獲取北斗等衛(wèi)星的定位信號；一條室分線路連接多個“小蘑菇頭”，以實現(xiàn)地下停車場信號無縫覆蓋。

  在復(fù)雜如“迷宮”的地下停車場，找不到自己的車或者開著車找不到出口，是人們經(jīng)常遇到的尷尬又讓人頭疼的事情。

  如今，在“地上一座城、地下一座城、‘云’上一座城”的河北雄安新區(qū)（以下簡稱雄安新區(qū)），精準(zhǔn)室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)正在改變這一現(xiàn)狀。雄安新區(qū)利用“5G+北斗”技術(shù)，低成本快速實現(xiàn)了區(qū)域地下空間準(zhǔn)確定位與導(dǎo)航。即便是身處地下停車場，“智慧”定位導(dǎo)航系統(tǒng)也能夠隨時告知用戶的具體位置，以及下一步該往哪走，讓地下通行更加便捷、高效。

  瞄準(zhǔn)地下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航難題

  人們的切身體會是，在室內(nèi)尤其是地下開闊空間，定位導(dǎo)航服務(wù)遠(yuǎn)不如地上來得精準(zhǔn)且持續(xù)。在接受科技日報記者采訪時，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授路兆銘直言：“當(dāng)前的室內(nèi)定位技術(shù)解決了定位服務(wù)‘有與無’的問題，但尚未解決‘服務(wù)質(zhì)量有保障’的問題?！?

  當(dāng)前，雄安新區(qū)“地下一座城”已經(jīng)初具規(guī)模。除去高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的、埋藏在地下的城市“大動脈”——城市綜合管廊外，城市中地下停車場的面積也非常大。

  例如，在雄安新區(qū)首個集中建成區(qū)——容東片區(qū)，眾多小區(qū)、樓宇的地下停車場全部聯(lián)通。在大規(guī)模的地下空間中，會有大量的人、車、物流動，初入其中很容易迷路，如何實現(xiàn)精準(zhǔn)定位導(dǎo)航成為雄安新區(qū)“地下一座城”建設(shè)過程中面臨的問題。

  2022年，國家重點研發(fā)計劃設(shè)立“交通基礎(chǔ)設(shè)施”專項，在5G通信與信號定位領(lǐng)域有長期積累的北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成為“雄安新區(qū)交通設(shè)施數(shù)字化建設(shè)示范應(yīng)用”項目的牽頭單位，展開“5G+北斗地下空間組合式定位導(dǎo)航”的課題研究。

  作為上述課題負(fù)責(zé)人，路兆銘告訴記者，為了解決無法實現(xiàn)地下精準(zhǔn)定位的難題，“5G+北斗地下空間組合式定位導(dǎo)航”課題組在立項時便設(shè)定了三個層級的目標(biāo)：高精度車輛定位與導(dǎo)航、亞米級人員定位與導(dǎo)航、地上地下一體化無縫定位。

  “項目結(jié)項時，我們要在雄安新區(qū)超大規(guī)模地下停車場內(nèi)實現(xiàn)這三個目標(biāo)的示范應(yīng)用，這對我們來說是一個不小的挑戰(zhàn)。”路兆銘表示。

  北斗衛(wèi)星信號賦能地下精準(zhǔn)導(dǎo)航

  “手機(jī)在室內(nèi)有信號，不是靠室外的鐵塔基站來實現(xiàn)，而是靠室內(nèi)分布系統(tǒng)?！甭氛足懜嬖V記者，這個系統(tǒng)并不神秘，就是人們經(jīng)常在樓道或者家門口看見的那種“小蘑菇頭”（信號增強(qiáng)器）。

  在雄安新區(qū)容東片區(qū)的地下停車場，記者舉目四望，看不到紛繁復(fù)雜的線路，大量裝備都被“隱藏”在專門的機(jī)房里。機(jī)房的墻壁上放置著3個小盒子，既有合路器，又有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航室內(nèi)分布單元，還有運營商的5G基站。在這里，一條線路連接樓頂上方，以獲取北斗等衛(wèi)星的定位信號；一條室分線路連接多個“小蘑菇頭”，以實現(xiàn)地下停車場信號無縫覆蓋。

  現(xiàn)代樓宇建筑多由鋼筋混凝土建成，室外信號被墻體“屏蔽”，需要室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行信號的全覆蓋。特別是2018年，工業(yè)和信息化部要求5G室內(nèi)信號實現(xiàn)共建共享，運營商將各路信號“混”入統(tǒng)一由中國鐵塔股份有限公司提供的關(guān)鍵設(shè)備——合路器中。這樣，運營商的標(biāo)準(zhǔn)5G室內(nèi)信號便被合路器分散給各個“小蘑菇頭”，以實現(xiàn)信號擴(kuò)增。

  路兆銘科研團(tuán)隊成員“就地取材”，利用現(xiàn)有的4G/5G的室內(nèi)分布系統(tǒng)，在5G基礎(chǔ)設(shè)施上混搭北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，無需重建基礎(chǔ)設(shè)施，只用一個簡單的“加法”，就讓北斗信號“混”入5G信號，構(gòu)建出了一個精準(zhǔn)的地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

  看似簡單的操作，背后依靠的是融合定位算法的創(chuàng)新。“我們團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出由信號SLAM（即時定位與建圖）架構(gòu)的‘5G+北斗組合式定位算法’，實現(xiàn)時空信息融合，使室內(nèi)分布系統(tǒng)支持地下1米精度的定位與導(dǎo)航?！甭氛足懕硎?。

  從理論上來說，要給物體做空間定位，至少需要3個角度的觀測值，而且觀測值越多、定位越精準(zhǔn)?！昂帽日f，如果一輛車旁邊站著10個人，每個人眼中車的位置都是1個觀測值，那么當(dāng)把10個觀測值全部融合起來，車輛定位就會更精確。”路兆銘表示，“5G+北斗組合式定位算法”正是將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號、5G信號、加速度計等多源位置觀測信息融合在一起，精確解算出車輛的當(dāng)前位置。

  除了創(chuàng)新定位算法，路兆銘科研團(tuán)隊還在算法的實際場景應(yīng)用與優(yōu)化方面做了大量工作。當(dāng)技術(shù)成型后，2021年初，路兆銘科研團(tuán)隊先在北京郵電大學(xué)校園搭建環(huán)境進(jìn)行了算法和技術(shù)驗證，當(dāng)年6月到雄安新區(qū)容東片區(qū)杏秋苑地下停車場搭建了試點，開展了為期一年的駐場技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新。在這期間，路兆銘科研團(tuán)隊解決了三四十種問題，例如異形路段、從地上到地下的定位與導(dǎo)航銜接等，使地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)越來越適用于具體場景。

  把導(dǎo)航服務(wù)送到更多地下停車場

  隨著大規(guī)模推廣示范，目前地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)已覆蓋容東片區(qū)超過20萬平方米的地下停車場。

  利用“5G+北斗”定位導(dǎo)航技術(shù)，在雄安新區(qū)可實現(xiàn)停車場人員和車輛準(zhǔn)確位置導(dǎo)航。路兆銘告訴記者，這套技術(shù)還可以被集成到百度地圖、高德地圖、雄安行等應(yīng)用程序中，用戶通過手機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位導(dǎo)航。

  路兆銘科研團(tuán)隊在容東片區(qū)地下停車場的測試結(jié)果顯示，他們研發(fā)的地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其室內(nèi)導(dǎo)航定位精度在2米左右，可以實現(xiàn)找車位等功能。經(jīng)測算，與此前技術(shù)方案相比，這套擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)方案可以將整個建設(shè)成本節(jié)省50%以上。

  “現(xiàn)如今，不光是容東片區(qū)，容西片區(qū)、啟東區(qū)的地下空間也將推廣使用這套地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)?！甭氛足懕硎?，作為在雄安新區(qū)示范應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)，這套地下定位導(dǎo)航方案未來還有望被推廣至醫(yī)院、商業(yè)綜合體、地下礦區(qū)、航站樓等地上地下一體化的復(fù)雜場景中。

  “雄安新區(qū)為技術(shù)創(chuàng)新提供了現(xiàn)實需求，更為創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用提供了極好的驗證平臺?！甭氛足懕硎?，借助雄安新區(qū)先進(jìn)的設(shè)計理念和豐富齊全的場景需求，潛藏在論文里的新技術(shù)與方法得到了轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

  “未來，地下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航技術(shù)還將在河南、福建、廣東等地不斷推進(jìn)建設(shè)?！甭氛足懴Ｍ馨丫珳?zhǔn)定位與導(dǎo)航服務(wù)送到更多地下停車場中。