地下空间精度小于2m,北斗+5G开启一体化定位新时代。
在地面上,我们的通信有基站4G、5G的网络信号覆盖,导航也可以直接用北斗定位。而在地下,室内接收到的信号波由于建筑物的遮挡而减弱甚至被阻挡,导致地下通信信号微弱的现象。与此同时,地铁的高速运行增加了定位地下信号的难度。
3月20日,中国首个地铁北斗定位系统在北京开工建设。“特大城市轨道交通系统高效交通与安全服务关键技术”项目采用室内北斗+5G融合定位技术,广播室内定位信号,使用户接收导航定位信号,将地铁站地下空间定位精度提高到2m以上。该系统可用于车辆调度、客运组织和应急处理,同时乘客可在地下环境中使用手机地图,通过三维导航实现地铁站内定位导航。
北斗+5G的魅力在哪里
北斗卫星导航系统(简称北斗系统)主要为全球用户提供全天候、全天时的定位、导航和授时服务。2020年7月31日,北斗三号系统建成开通提供全球服务,北斗系统进入全面推广应用新阶段。
而北斗系统主要解决室外定位需求,在交通运输、农林渔业、水文监测、气象预报、救灾减灾、公共安全等方面已有基本应用。其室外定位精度约为10米,测速精度为每秒0.2米,授时精度约为20纳秒。但由于卫星信号无法覆盖室内,对环境的免疫力差,无法满足室内定位和室外屏蔽等复杂区域的必要条件,在室内的应用受到很大限制。
5G组网采用基站部署,具有组网密集、带宽大、多天线等优势,空口时延低至1ms,移动性支持500 km/h的高速移动,基于5G通信网络的定位技术可在室内实现亚米级甚至分米级定位精度。
在地铁这样高速交通的地下环境中,北斗+5G的深度融合可以构建室内外覆盖定位系统。将5G大带宽、低时延、广连接的优势与北斗系统的导航定位能力相结合,大幅提升复杂室内环境的定位精度。
地铁北斗定位系统是北斗+5G方案首次应用于地铁,但实际上这种融合定位技术早已出现在市场上。2021年4月,中国移动研发5G+北斗精确导航系统,在重庆解放北地下环路进行测试。
室内定位是刚需。
RFID(射频识别)技术:利用射频,固定天线形成电磁场,贴在物体上的标签通过磁场感应电流产生并传输数据,以非接触的双向通信方式交换数据,实现移动设备识别定位的目的。可以在几毫秒内获得厘米级的定位信息,电磁场具有非视距的优势。RFID室内定位技术还具有传输范围大、成本低的特点。但它没有通信能力,抗干扰能力差,不容易集成到其他系统中,对用户的安全和隐私保护以及国际标准化都不完善,所以一般用于物流和仓库定位。
WiFi技术:WiFi的室内位置有两种。一种是利用移动设备和无线网络接入点组成的无线局域网,通过差分算法对人和车辆进行更精确的定位和跟踪。另一种是预先记录下数量庞大的确定位置点的信号强度,通过将新设备的信号强度与庞大的数据库进行比对,完成定位跟踪。WiFi定位的最高精度大概是1米到20米,但是Wi-Fi接入点通常只覆盖半径90米左右的区域,容易受到其他信号的干扰,定位器的能耗也比较高。
ZigBee技术:ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它主要是利用无线电波将数据从一个传感器传输到另一个传感器,通过传感器之间的协调通信来定位设备的位置。所以ZigBee最突出的特点是功耗低,成本低,但局限性在于信号传输受多径效应和运动影响大,衍射能力弱,穿墙能力弱。人事在职管理系统广泛应用于大型工厂和车间。
蓝牙技术:蓝牙接入点作为一种短距离、低功耗的无线传输技术,用于连接用户,通过检测信号强度可以获得用户的位置信息。蓝牙最大的优势是体积小,距离短,功耗低,易于集成在手机等移动设备中。但对于复杂的空间环境,蓝牙定位系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰较大。而近几年火起来的蓝牙AOA,基于接收机和发射机,可以在确认区域内通过多根天线测量信标信号,通过三角定位法计算出信标设备的精确方位,精度可高达0.1,但蓝牙AOA的部署环境大多要求在1-3米的精度场景内。
超宽带(UWB)技术:UWB是一种传输速率高、发射功率低、穿透能力强的无线通信技术,基于超窄脉冲。它不需要使用传统通信系统中的载波,而是通过发送和接收纳秒或微秒级的超窄脉冲来传输数据,从而具有3.1~10.6GHz的带宽,UWB的定位精度可以达到亚米级,多用于室内静止或移动的活体定位跟踪,但仍存在功耗和成本优化的问题。
融合定位是未来的趋势
以上提到了六种常见的室内定位技术,但是物联网的碎片化使得单一技术无法满足场景的应用需求,因此一体化定位成为行业需求的趋势。
中国卫星导航定位协会去年发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》中指出,2020年,全行业总产值同比增长16.9%,达到4033亿元。其中,高精度定位市场增速远超全行业,2020年同比增长47.5%,总产值1104亿元。从2010到2020年11,高精度定位产品年销售收入增长10倍,年均复合增长率26%。
单一的定位技术无法填补大众市场差异化的需求,于是逐渐推出类似北斗+、5G+、UWB+的一体化定位技术,产业链逐步完善。和自动驾驶、智能交通一样,在技术快速演进的阶段,“北斗+5G”技术成为新的解决方案;在智慧矿井的人员定位系统中,“UWB+ZigBee”技术比单独使用UWB更灵活。融合定位可以弥补单一定位技术上的缺陷,优化场景应用中的功耗、成本和定位精度,打造精细化的定位方案。
未来,整合定位将大放异彩。