巧借5G設施，將北斗導航延伸至地下

  ICC訊 在雄安新區(qū)容東片區(qū)的地下停車場，看不到紛繁復雜的線路，大量裝備都被“隱藏”在專門的機房里。機房的墻壁上放置著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)），精準室內(nèi)導航技術正在改變這一現(xiàn)狀。雄安新區(qū)利用“5G+北斗”技術，低成本快速實現(xiàn)了區(qū)域地下空間準確定位與導航。即便是身處地下停車場，“智慧”定位導航系統(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。

  瞄準地下精準定位導航難題

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

  當前，雄安新區(qū)“地下一座城”已經(jīng)初具規(guī)模。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)精準定位導航成為雄安新區(qū)“地下一座城”建設過程中面臨的問題。

  2022年，國家重點研發(fā)計劃設立“交通基礎設施”專項，在5G通信與信號定位領域有長期積累的北京郵電大學信息與通信工程學院，成為“雄安新區(qū)交通設施數(shù)字化建設示范應用”項目的牽頭單位，展開“5G+北斗地下空間組合式定位導航”的課題研究。

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

  “項目結項時，我們要在雄安新區(qū)超大規(guī)模地下停車場內(nèi)實現(xiàn)這三個目標的示范應用，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導航

  “手機在室內(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)。”路兆銘告訴記者，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，看不到紛繁復雜的線路，大量裝備都被“隱藏”在專門的機房里。機房的墻壁上放置著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鍵設備——合路器中。這樣，運營商的標準5G室內(nèi)信號便被合路器分散給各個“小蘑菇頭”，以實現(xiàn)信號擴增。

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

  看似簡單的操作，背后依靠的是融合定位算法的創(chuàng)新。“我們團隊創(chuàng)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(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?！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，那么當把10個觀測值全部融合起來，車輛定位就會更精確?！甭氛足懕硎?，“5G+北斗組合式定位算法”正是將北斗衛(wèi)星導航信號、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前位置。

  除了創(chuàng)新定位算法，路兆銘科研團隊還在算法的實際場景應用與優(yōu)化方面做了大量工作。當技術成型后，2021年初，路兆銘科研團隊先在北京郵電大學校園搭建環(huán)境進行了算法和技術驗證，當年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研發(fā)和創(chuàng)新。在這期間，路兆銘科研團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航銜接等，使地下定位導航系統(tǒng)越來越適用于具體場景。

  把導航服務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”定位導航技術，在雄安新區(qū)可實現(xiàn)停車場人員和車輛準確位置導航。路兆銘告訴記者，這套技術還可以被集成到百度地圖、高德地圖、雄安行等應用程序中，用戶通過手機就能夠?qū)崿F(xiàn)精準定位導航。

  路兆銘科研團隊在容東片區(qū)地下停車場的測試結果顯示，他們研發(fā)的地下定位導航系統(tǒng)，其室內(nèi)導航定位精度在2米左右，可以實現(xiàn)找車位等功能。經(jīng)測算，與此前技術方案相比，這套擁有完全自主知識產(chǎn)權的技術方案可以將整個建設成本節(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航系統(tǒng)?！甭氛足懕硎?，作為在雄安新區(qū)示范應用的創(chuàng)新技術，這套地下定位導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雜場景中。

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

  “未來，地下精準定位導航技術還將在河南、福建、廣東等地不斷推進建設?！甭氛足懴Ｍ?，能把精準定位與導航服務送到更多地下停車場中。