室內外高精度定位導航白皮書(2013)

1、室內外高精度定位導航白皮書（2013年）導航與位置服務科技專項總體專家組地球觀測與導航技術領域導航主題專家組二O一三年九月冃IJs導航與位置服務攸關國家安全、經濟發(fā)展和社會民生，在新一代信息技術這一戰(zhàn)略性新興產業(yè)中，具有舉足輕重和不可或缺的地位，在物聯(lián)網、智慧地球、節(jié)能減排、救災減災等領域發(fā)揮著重要的基礎性支撐作用。近年來，隨著智能手機和移動互聯(lián)網的迅速普及，人們對室內外高精度定位導航的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢。2012年12月27日，我國宣布北斗導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域定位導航服務，定位精度為10米，成為第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。但是由于起步晚，北斗系統(tǒng)面臨市場占有率低、信號覆蓋有限等方面

2、的問題。在國家科技計劃的支持下，羲和系統(tǒng)所涉及的若干核心關鍵技術取得重大突破，通過提供室內導航信號和室外衛(wèi)星導航增強信號，具備室外廣域實時定位精度優(yōu)于1米、室內定位精度優(yōu)于3米的定位能力。羲和系統(tǒng)不僅大幅度提升了北斗系統(tǒng)的性能，還將北斗導航服務從室外拓展到室內環(huán)境，滿足人們對于全時空高精度定位導航服務的需求。在此背景下，我們推出室內外高精度定位導航白皮書，介紹國內外室內外定位導航發(fā)展現(xiàn)狀與問題，探討室內外定位導航發(fā)展趨勢，分析我國室內外高精度定位發(fā)展機遇，羲和系統(tǒng)建設對導航與位置服務產業(yè)的支撐作用，以期與業(yè)界共享，共同推動我國導航與位置服務產業(yè)發(fā)展。TOC o 1-5 h z HYPERLIN

3、K l bookmark41室內外定位導航發(fā)展現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark61.1導航與位置服務產業(yè)發(fā)展迅猛，對室內外高精度定位需求迫切1 HYPERLINK l bookmark101.2四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)格局基本形成，提供穩(wěn)定的室外定位導航服務3 HYPERLINK l bookmark141.3室內定位技術處于早期發(fā)展階段，尚未建立大規(guī)模應用服務系統(tǒng)6 HYPERLINK l bookmark162室內外定位導航發(fā)展趨勢12 HYPERLINK l bookmark182.1衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能提升進程加快12 HYPERLINK l bookmark202.1.1四大衛(wèi)星

4、導航系統(tǒng)加快升級與建設132.1.2空基地基融合的增強技術成為提升衛(wèi)星導航性能的有效手段132.2高精度室內外無縫定位導航成為發(fā)展方向142.2.1高精度室內外無縫定位技術趨向于多系統(tǒng)協(xié)同14 HYPERLINK l bookmark262.2.2定位導航與通信趨向于一體化15 HYPERLINK l bookmark283我國室內外高精度定位發(fā)展機遇16 HYPERLINK l bookmark303.1北斗系統(tǒng)形成區(qū)域服務能力16 HYPERLINK l bookmark323.2室內外高精度定位導航關鍵技術取得重大突破16 HYPERLINK l bookmark343.2.1突破廣域實

5、時精密定位技術并建立應用服務系統(tǒng)16 HYPERLINK l bookmark363.2.2突破城市室內外無縫定位技術并建立應用示范系統(tǒng)17 HYPERLINK l bookmark383.3初步形成了室內外高精度無縫定位技術標準體系18 HYPERLINK l bookmark444發(fā)展羲和系統(tǒng)支撐導航與位置服務產業(yè)發(fā)展20 HYPERLINK l bookmark464.1建立和完善我國室內外高精度定位導航技術體系標準214.2攻克北斗地面增強網絡建設技術障礙，加快推進室內外高精度無縫定位系統(tǒng)建設22 HYPERLINK l bookmark504.3發(fā)展羲和系統(tǒng)，提升北斗國際競爭力和影響

6、力23 HYPERLINK l bookmark524.4應用示范帶動產業(yè)發(fā)展24 HYPERLINK l bookmark54附件羲和系統(tǒng)技術規(guī)范25 1室內外定位導航發(fā)展現(xiàn)狀1.1導航與位置服務產業(yè)發(fā)展迅猛，對室內外高精度定位需求迫切2012年，歐洲衛(wèi)星導航局發(fā)布了全球GNSS市場報告。該報告指出，從2010年到2016年全球GNSS市場將以13%的復合增長率增長。502市場規(guī)模億歐兀)*3血圖12010-2020年全球GNSS市場規(guī)模及組成(GSA,GNSSMarketReportissue2,2012)報告指出GNSS應用在各個行業(yè)都表現(xiàn)出強勁的增長趨勢，如圖1所示。位置服務產業(yè)是帶動

7、GNSS產業(yè)發(fā)展的主要動力之一，其產值從2010年的380億歐元增長到2020年的1700億歐元，GNSS車輛導航的銷售量也期望增長超過5000萬套；航空和海洋業(yè)現(xiàn)在已經呈高速增長態(tài)勢，到2020年其銷售額將會翻一番；測量和農業(yè)應用也將會增長40%到60%o隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，大型建筑日益增多,人們80%以上的時間處于室內環(huán)境（含地下、礦井、隧道等）。全球有超50億手機用戶，超10億的空巢老人和學齡兒童，每年各類災害（地震、火災、礦難等）超百萬起，餐飲、購物、地鐵交通成為人們生活中十分重要的組成部分，這些變化引起人們對室內位置服務的需求正迅速增加。而公共安全、生產安全、應急

8、救援、公共衛(wèi)生、物聯(lián)網、特殊人群監(jiān)護、大型場館管理、智慧城市建設等領域都需要使用準確的室內定位信息，因此，導航與位置服務產業(yè)有上萬億的市場空間。圖22012年中國手機位置服務規(guī)模近年來，隨著智能手機、網絡電腦等多種多樣接入設備的迅速推廣，以及汽車保有量的快速增長，人們對導航與位置服務的需求飛速提高，2012年中國手機位置服務規(guī)模如圖2所示。2009年中國導航與位置服務用戶數(shù)量達到1650萬，同比增長70%,2010年用戶數(shù)量增長超過100%o預計2015年導航與位置服務用戶將超過5億，產值將超過2650億元，導航與位置服務將成為新的經濟增長點和戰(zhàn)略性新興產業(yè)，增加就業(yè)人口50多萬，同時，海外導

9、航與位置服務用戶需求也呈現(xiàn)快速增長趨勢，我國導航產品每年數(shù)千萬套地進入國際市場。1-2四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)格局基本形成，提供穩(wěn)定的室外定位導航服務U美國的GPS系統(tǒng)截至2013年8月，GPS星座擁有在軌衛(wèi)星32顆,包括9顆BolockIIA衛(wèi)星，12顆BlockIIR衛(wèi)星，7顆BlockIIR-M衛(wèi)星，4顆BlockIIF衛(wèi)星。其中，GPSIIR/IIR-M衛(wèi)星具有自主導航功能，設計指標要求是在180天時間內URE(用戶測距誤差)值小于6m,用戶導航定位精度不會有明顯下降。而且3顆BlockIIF衛(wèi)星協(xié)同工作后，一方面極大增強了GPS抗干擾性能和導航定位性能，另一方面也意味著運營方面能更加全面地測

10、試第3個為商業(yè)民航和搜救任務提供支持的民用L5信號。另外，GPSIII衛(wèi)星研制進展順利，已完成主要飛行軟件集成測試、GPSIIIB增量開發(fā)第二階段系統(tǒng)設計評審(SDR)以及GPSIII衛(wèi)星首次發(fā)射準備試驗等計劃項目。2、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)2011年，GLONASS成功發(fā)射6顆衛(wèi)星，15年來首次實現(xiàn)24顆衛(wèi)星的滿星座部署。尤其是播發(fā)CDMA信號的新一代K衛(wèi)星的發(fā)射,預示著GLONASS系統(tǒng)進入空間現(xiàn)代化的第三階段。目前,GLONASS星座有29顆衛(wèi)星，其中24顆在軌運行，1顆進行飛行測試，3顆處于備份狀態(tài)，1顆進行維護。針對星座老化問題，俄羅斯計劃在20122020年間，制造并發(fā)射13顆

11、GLONASS-M衛(wèi)星和22顆GLONASS-K衛(wèi)星，用以替代過期服役的衛(wèi)星，確保GLONASS系統(tǒng)擁有30顆在軌衛(wèi)星(含6顆備用衛(wèi)星)；計劃2020年前，利用GLONASS-K衛(wèi)星構建基本星座，提高系統(tǒng)的技術性能與指標；快速研發(fā)具有高性能和精度的GLONASS-KM衛(wèi)星。未來23年，在軌工作的衛(wèi)星數(shù)量將增加到30顆，2030年前增加到36顆。3、我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)2000年10月，我國成功發(fā)射了第1顆北斗導航衛(wèi)星，開始北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)建設工作。該系統(tǒng)采用主動式導航體制，為我國境內及周邊地區(qū)的中、低動態(tài)用戶或靜止用戶提供定位、授時和短報文服務，對我國國民經濟建設起著積極的推動

12、作用。2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式提供區(qū)域服務，我國將在未來幾年內不斷完善北斗衛(wèi)星星座，并進行星座組網和試驗，逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用單向時間測距的被動式導航體制，具有定位、測速、授時和短報文等功能，主要用于國家經濟建設，為交通運輸、氣象、石油、海洋、森林、通信、公安等部門以及其它特殊行業(yè)提供高效的導航定位服務。4、歐洲的GalUeo衛(wèi)星導航系統(tǒng) 2002年3月，歐盟啟動歐洲民用導航衛(wèi)星計劃Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)。Galileo衛(wèi)星星座計劃由30顆MEO衛(wèi)星組成，Galileo衛(wèi)星采用碼分多址(CDMA)擴頻通信體制，以及二進制補償載波(BOC,或

13、二進制偏置載波)和二相移鍵控(BPSK)信號調制方式，在E5(11641215MHz)、E6(12601300MHz)和E2-L1-E1(15591591MHz)頻段上調制10個導航信號，并在L6(15441545MHz)頻段內廣播搜救信號。Galileo系統(tǒng)提供5種基本的服務方式：開放服務(OS)、商業(yè)服務(CS)、生命安全服務(SoL)、公共管理服務(PRS)和搜救服務(SAR)。2005年12月28日和2008年4月27日分別發(fā)射了兩顆試驗衛(wèi)星GIOVE-A和GIOVE-B,對導航頻段、導航信號、星載原子時鐘、空間輻射環(huán)境、以及衛(wèi)星激光測距(SLR)等進行在軌測試驗證。2011年10月，

14、第一批2顆Galileo系統(tǒng)初始運行驗證衛(wèi)星(IOV)成功發(fā)射；2012年10月，第3、4顆IOV衛(wèi)星成功發(fā)射。這4顆衛(wèi)星構成了系統(tǒng)在軌驗證所需最小星座，已經可以提供導航服務。根據(jù)歐委會計劃，2014年年底，將完成18顆衛(wèi)星的發(fā)射和部署任務，提供初始開放服務、搜救服務和公共特許服務。2020年前建成包括27顆運行衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星在內的完整星座，系統(tǒng)將實現(xiàn)全面運行能力。5、日本和印度的區(qū)域衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)2006年，日本政府提出基于GPS增強的準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)(QZSS)。其星座由3顆地球同步傾斜軌道衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星在日本上空工作8小時，3顆衛(wèi)星輪換工作，從而保證總有1顆衛(wèi)星在日本的“天頂

15、”，實現(xiàn)對GPS系統(tǒng)的增強。首顆QZSS衛(wèi)星已于2010年9月發(fā)射，運行狀態(tài)正常。2011年9月，日本內閣批準將QZSS擴展為由7顆衛(wèi)星組成的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)?？傮w計劃是20132017年為發(fā)展階段，20172032年為運行階段。目前正在尋求資金支持。印度的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(IRNSS)于2006年啟動，星座將采用3GEO+4IGSO構形，衛(wèi)星將在L1和L5頻段上調制導航信號，并利用C頻段對衛(wèi)星測距，用S頻段進行衛(wèi)星測控。原計劃2009年發(fā)射1顆GEO衛(wèi)星，用于輔助GPS區(qū)域增強導航，并進行IRNSS系統(tǒng)技術初步試驗驗證。但近年來，其計劃在不斷調整，系統(tǒng)建設進展極為緩慢。截止目前，終于成功發(fā)射

16、了首顆衛(wèi)星(2013年7月1日)。1.3室內定位技術處于早期發(fā)展階段，尚未建立大規(guī)模應用服務系統(tǒng)目前，室內定位技術種類繁多，可以分為兩大類：局域室內定位,如無線局域網(WLAN)、射頻標簽(RFID)、紫蜂(Zigbee).藍牙(Bluetooth,BT)、超寬帶無線電(UltraWideBand,UWE)、地磁場強、紅外定位、光跟蹤定位、計算機視覺定位、超聲波定位等；廣域室內定位，如基于移動通信網絡的輔助GPS(A-GPS).偽衛(wèi)星(Pseiidolite)、地面數(shù)字通信及廣播網絡定位系統(tǒng)等。1、局域室內高精度定位技術發(fā)展現(xiàn)狀1)Wi-Fi定位基于Wi-Fi的室內定位系統(tǒng)目前主要有兩類：第一

17、類是Wi-Fi無線AP區(qū)間定位，通過收集Wi-Fi無線AP安裝位置，和定位臺接收到的AP地址，實現(xiàn)基于Wi-Fi無線AP區(qū)間定位,如美國GoogleMap?；贏P位置的定位技術成本低，但由于AP自身的位置并不精確，不能精確計算用戶距AP的距離，定位誤差通常達1020米；第二類則采用Wi-Fi無線信號RSSI指紋匹配定位技術，如我國自主研發(fā)的”尋鹿定位系統(tǒng)、“翼周邊”系統(tǒng)，以及美國的WiFiSLAM、加拿大Wifarei等。利用該類技術需要建立相關指紋數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫的運行維護要求高，定位精度受信號強度影響大，僅適合于重點場所的局部定位應用。Zigbee定位Zigbee定位技術與WIFI定位技

18、術相似。是基于IEEE802.15.4標準的局域網定位技術，精度可達3米，但由于信號強度受環(huán)境影響較大，如人員走動、墻體/門的遮擋反射等均會導致定位精度下降。德州儀器(TI)于2007年6月推出了業(yè)界首款帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案CC2431oRFID定位基于RFID的定位系統(tǒng)目前主要有兩類：第一類采用門禁方式進行區(qū)間定位；第二類則根據(jù)RFID標簽的信號強度及已知的RFID標簽位置比較進行實時定位。第二類典型系統(tǒng)如香港科技大學的LANDMARC(LocAtioNiDentificationbasedondynaMicActiveRfidCalibration)系統(tǒng)，定位最大誤差

19、為2米，平均誤差約為1米?；谠摷夹g實現(xiàn)米級定位精度需要布設大量參考標簽，難以實現(xiàn)大范圍推廣應用。BT定位藍牙定位與WIFI定位相同，其優(yōu)點在于藍牙芯片成本低、功耗低已在筆記本電腦以及手機中上大量普及。但藍牙節(jié)點遠不如Wi-Fi無線AP普及，因此其應用普及程度不及WiFi定位系統(tǒng)。UWB定位UWB是一種無載波通信技術，利用納秒至亞納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。2002年2月，美國FCC正式批準UWB商用。由于UWB的脈沖寬度極窄，時間分辨率極高，所以UWB用于定位具有偽距測量精度高、抗多徑干擾能力強的優(yōu)勢。目前典型的UWB定位系統(tǒng)有MultispectialSolution公司開發(fā)的Sapp

20、hire定位系統(tǒng)以及Ubisense公司開發(fā)的Unbise定位系統(tǒng)。UWB室內定位精度在視距環(huán)境下較Wi-FiZigbee、RFID等定位系統(tǒng)精度大幅提高，但UWB系統(tǒng)目前遠不及其他系統(tǒng)普及，且作用距離僅為10米量級，現(xiàn)階段的產業(yè)推廣難度較上述系統(tǒng)更加困難。6)慣性單元(IMU)的輔助定位技術隨著微機電系統(tǒng)(MicTOElectro-MechaiiicSystem,MEMS)技術的普及，各類MEMS傳感器開始得到廣泛應用。目前的手機大多已配置電子羅盤與加速度計傳感器，如果能充分利用手機中的電子羅盤與加速度計，組成慣性測量單元(IMU,IneilialMeasurementUnit),融合無線定

21、位系統(tǒng)，將有效提高室內定位精度以及魯棒性，而且可以降低用于提高室內定位系統(tǒng)信號覆蓋所需要的成本。另外，目前在行人定位導航中應用的慣性導航方法是行人航跡推算(PedestTianDeadReckoning,PDR),其基本思想：利用人員行走過程中加速度的周期性變化，基于加速度計進行人員步頻探測；利用行人步長估計模型,基于步行中的加速度特性進行步長估計；利用IMU計算航向角；結合人員的步頻、步長與航向角，進行航跡推算。基于慣性單元的輔助定位技術具有空間分辨率高的特點，可感知終端亞米級的移動。但該技術必須要有一個已知位置的起點，在此基礎上進行位置推算，且誤差會隨運動過程而逐漸累加。因此，除極少數(shù)特殊

22、應用場景外，該技術并不單獨使用，而是作為其它定位技術的輔助手段，用以提升系統(tǒng)定位精度，并可在小范圍的定位信號盲區(qū)實現(xiàn)定位無縫過渡。以上各種定位方法優(yōu)劣比較見表lo表1不同局域室內定位方式的組合比較信號載體典型定位方式定位精度成本其它不足Wi-Fi基于場強定位米級高ZigBee基于場強定位米級高RFID門禁方式區(qū)間定位，精度低高室內覆蓋能力藍牙基于場強定位米級高有限超寬帶基于時延或到達角解算視距環(huán)境可達亞米級極高慣性單元的輔助定位技術基于行人航跡推算終端亞米級低室內覆蓋能力有限，不能單獨使用2、廣域室內高精度定位技術發(fā)展現(xiàn)狀Locata系統(tǒng)Locata系統(tǒng)是偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由澳大利亞GPS生產商

23、Locata公司于2011年推出，利用多個LocataLite實現(xiàn)LocataNet網內納秒級精度時間同步，并實現(xiàn)定位信號的室內覆蓋，室外定位精度達到與GPS相當。但是，在復雜的城市環(huán)境中，其信號容易受到遮擋、反射等影響，室內定位精度降低。由于需建設地面?zhèn)涡l(wèi)星定位網，成本較高，推廣困難，目前未形成大規(guī)模商用。GPSOne定位平臺高通公司的GPSOne定位是一種基于地面移動通信網絡輔助GPS定位，又稱為輔助GPS(AssistantGPS)定位技術，室外定位精度可達5米，室內定位精度能達到40米，無法滿足高精度室內定位的要求。IMES系統(tǒng)日本的IMES(IndoorMessagingSystem

24、)系統(tǒng)通過改造室內信號發(fā)射器、移動設備中的內嵌固件及相應的信息服務器，組成了一個無縫的室內定位系統(tǒng)。具有IMES功能的定位設備，在室外信號強的地方正常使用GPS衛(wèi)星定位，在室內則利用安裝在建筑物內部的信號發(fā)射器進行定位，定位誤差大于10米。4）傳統(tǒng)移動基站定位系統(tǒng)移動通信基站由于地面網絡信號覆蓋良好，因此可對室內用戶進行定位。目前，GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等在網運行的系統(tǒng)均具備定位功能，第四代通信系統(tǒng)LTE（LongTennEvolution）也考慮了定位功能，在其Release9中引入了定位參考信號（PRS,PositioningReferenceSignals

25、）,用于偽距測量及定位。已有的移動通信基站定位系統(tǒng)包括小區(qū)識別碼（CellID）定位、壞路往返時延（RTD）定位、上行鏈路信號到達時間（TOA）定位方法、上行鏈路信號到達時間差（TDOA）方法以及信號到達角度（AOA）定位方法、高級前向鏈路三角定位（AFLT）、下行鏈路增強觀測時間差定位方法（EOTD）、下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法（OTDOA-IPDL）等。移動通信基站定位系統(tǒng)較局域室內定位系統(tǒng)成本低、易于普及，現(xiàn)有手機均具有一定程度的定位能力。但目前移動通信基站定位技術由于受非視距及多徑干擾大、時間同步精度差等影響，定位精度普遍在百米量級（一般為50300米），無法實現(xiàn)米級高精度室內

26、定位。5）TCOFDM系統(tǒng)北京郵電大學等機構在國家863計劃支持下研制成功的TC-OFDM系統(tǒng)，基于地面移動通信網，利用地面數(shù)量眾多、分布在全球區(qū)域、網絡信號覆蓋良好的通信基站，實現(xiàn)廣域室內外高精度無縫定位。在北京、天津等地開展了消防救援、平安校園的應用示范，示范系統(tǒng)應用測試表明，系統(tǒng)達到室內定位水平精度優(yōu)于3米，垂直精度優(yōu)于1米。以上各種定位方法優(yōu)劣比較見表2o表2不同廣域室內定位方式的組合比較信號載體典型定位方式定位精度成本其它不足偽衛(wèi)星(IMES,Locata)基于時延的兒何解算米級高無其它增值應用GPSBLOCKIII增強衛(wèi)星信號，進行定位米級低室內覆蓋能力弱移動通信網(GPSOne)

27、基于時延或到達角解算50300米低移動數(shù)據(jù)通信網基于TC-OFDM信號進行測距定位35米低目前，室內定位技術整體還處于開發(fā)試驗、示范應用驗證階段,還未建立一個大規(guī)模商用的室內定位服務應用系統(tǒng)。2室內外定位導航發(fā)展趨勢2.1衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能提升進程加快隨著衛(wèi)星導航應用的深度和廣度的逐步擴展，尤其是衛(wèi)星導航在生命安全、國民經濟基礎設施、收費與消費、執(zhí)法等領域廣泛應用，用戶對衛(wèi)星導航系統(tǒng)和各類增強系統(tǒng)的服務性能提出了更高要求，衛(wèi)星導航應用的“天花板”日趨明顯。2.1.1四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)加快升級與建設GPSIII系統(tǒng)由美國空軍航天司令部負責研制，研發(fā)升級費用高達55億美元，GPSIII將增強GPS信號

28、發(fā)射功率，增強信號抗干擾能力，同時提高GPS的定位精度。洛克希德馬丁公司預計新一代GPSIII系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星在2014年5月升空。俄羅斯GLONASS系統(tǒng)加大財力投入，研發(fā)了新型衛(wèi)星，增加了CDMA信號，采用了更為精確的PC90時空基準，并加大了空基和地基增強系統(tǒng)的建設力度。歐盟計劃在2019年完成Galileo系統(tǒng)的全部衛(wèi)星發(fā)射并實現(xiàn)全球覆蓋，為用戶提供更加高效和精確的導航定位服務。我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)根據(jù)“三步”的戰(zhàn)略，已經完成了區(qū)域性定位導航服務系統(tǒng)的建設，計劃在2020年左右，建成覆蓋全球的新一代的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2.1.2空基地基融合的增強技術成為提升衛(wèi)星導航性能的

29、有效手利用GEO/IGSO衛(wèi)星進行衛(wèi)星導航增強信號播發(fā)的天基增強系統(tǒng)，是提高導航定位性能的有效手段，如美國的廣域增強系統(tǒng)(WAAS)和歐洲地球靜止衛(wèi)星導航重疊服務(EGNOS)等。這些系統(tǒng)對衛(wèi)星星歷及鐘差參數(shù)，以及電離層延遲誤差進行快速精確預報，并通過衛(wèi)星播發(fā)至用戶，實現(xiàn)廣域實時精準定位和導航，大大提升了衛(wèi)星導航的性能。在一些高精度導航應用領域，如測繪、國土、精細農業(yè)等，采用連續(xù)運行基準站系統(tǒng)（CORS）,計算區(qū)域的精密定位修正量，通過移動通信網/數(shù)字廣播網等播發(fā)給用戶，可以使得實時定位精度達到厘米量級，并提高了系統(tǒng)的完好性、可用性和使用連續(xù)性。在未來10年，空基地基融合的增強技術將是未來GN

30、SS發(fā)展趨勢，滿足人們日益增長的高精度、連續(xù)、安全可靠導航應用需求。2.2高精度室內外無縫定位導航成為發(fā)展方向2.2.1高精度室內外無縫定位技術趨向于多系統(tǒng)協(xié)同目前，室內外定位技術各有特點，適用范圍和定位精度各不相同O衛(wèi)星定位技術實現(xiàn)了室外的廣域覆蓋，定位精度達到米級、分米級甚至更高精度，但無室內定位能力。在室內定位技術方面，Wi-Fi/WSN/RFID/UWB等能實現(xiàn)局部的米級室內定位，而且在多個公共場所已建立了Wi-Fi局域通信網絡，智能手機、掌上電腦等終端設備具有Wi-Fi或藍牙通信能力，為室內定位服務提供了支撐條件。現(xiàn)有2G/3G/4G移動通信網絡形成了地面最大覆蓋的通信網絡，擁有數(shù)十

31、億的用戶,利用TC-OFDM技術使2G/3G/4G移動通信網成為具有室內高精度定位能力的地面廣域覆蓋網絡，在覆蓋區(qū)域內實現(xiàn)室內外無縫定位。但所有地面通信網絡的覆蓋范圍是有限的，我國移動通信網絡覆蓋率不足國土面積的30%,70%的國土通過衛(wèi)星覆蓋實現(xiàn)定位導航。因此導航衛(wèi)星與地面網絡協(xié)同、多種地面定位技術的協(xié)同以及室內外協(xié)同的高精度無縫定位技術已成為未來的發(fā)展趨勢。2.2.2定位導航與通信趨向于一體化地面通信網絡有最大量基礎設施資源和最大的用戶消費群體，比如我國擁有超過100萬的移動基站，手機用戶超過11億，車輛用戶超過2億，今年計劃投入建設4G基站達20萬個；全球擁有移動通信基站達470萬余個，

32、全球手機用戶達50億。近年來，基于地面移動通信網的定位技術研究取得了很大的突破，由于地面網絡通信信號覆蓋良好，可對室內用戶進行定位，在覆蓋區(qū)域內基于地面通信網絡可以實現(xiàn)室內外米級無縫定位，促進了通信與導航的深度融合，可以大幅降低地面室內定位網絡建設成本。圖3描述了從1980年代以來及未來通信與定位服務發(fā)展狀況。位置服務%PS系統(tǒng)實現(xiàn)室外定位.導航技術開始商用,手機位置服務開始普及/局域室內高精度定位技術開始商用,廣域室內外高精度無縫定位技術研究取得、_定突破/面向大眾的廣域室內外高精度無縫位爲服務1980s-1990s2000s通信技術美國軍方解除了對擴頻通信技術的管制，允許其商業(yè)化3G移動通

33、信系統(tǒng)建成X/局域/短距無線通信系統(tǒng)普及J丿2010sI丫4G網絡建設開始推進丿I泛在無線環(huán)境I的成熟與普及IV圖3通信與定位服務發(fā)展趨勢最近幾年我國提出的TC-OFDM定位系統(tǒng)突破多項基于移動通信網絡的室內高精度定位關鍵技術，精度較傳統(tǒng)移動通信網定位系統(tǒng)大幅提咼，實現(xiàn)了廣域咼精度室內定位。并且隨著新1代通信網絡LTE開始在全球進行的推廣應用，搭載LTE網絡的室內定位技術也將會隨之得到廣泛應用。3我國室內外高精度定位發(fā)展機3.1北斗系統(tǒng)形成區(qū)域服務能力2012年底，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)開通運行，形成了覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域定位導航服務能力。開始向亞太地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航和授時等服務，且民

34、用服務與GPS一樣免費。系統(tǒng)定位精度達到水平10米、高程10米、測速0.2米/秒、單向授時50納秒，服務性能也與GPS相當。3.2室內外高精度定位導航關鍵技術取得重大突破3.2.1突破廣域實時精密定位技術并建立應用服務系統(tǒng)在國家863計劃支持下，武漢大學等研究機構先后突破了多系統(tǒng)融合精密定軌與時間同步、多系統(tǒng)全球電離層延遲與硬件延遲處理、廣域精密單點定位模糊度固定、區(qū)域電離層精化改正、區(qū)域非差網絡RTK處理、終端非差統(tǒng)一處理等一系列核心關鍵技術，建立了融合區(qū)域增強的全球高精度定位應用服務系統(tǒng)，具備全球與全國范圍實時定位精度單頻1米級、雙頻分米級，重點區(qū)域厘米級的實時動態(tài)精密定位能力。該系統(tǒng)與傳

35、統(tǒng)廣域（全球）差分定位相比在精度上提高了一個量級，并且實現(xiàn)了不同覆蓋范圍的多層次融合定位服務能力，成為迄今為止國際上為數(shù)不多的投入少、定位精度高、具有先進水平的自主研制的廣域性精密定位系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)能提供全球、全國及重點區(qū)域不同層次的衛(wèi)星導航精密定位增強信號，將使我國在衛(wèi)星導航精密定位領域的應用水平和技術實力提升一個臺階，達到了國際先進水平。依托863計劃研究成果與平臺，建立了我國首個省級北斗地基增強系統(tǒng)（即：湖北省北斗精密定位服務系統(tǒng)）。并取得了多項技術創(chuàng)新，其中包括北斗三頻基準站接收機和北斗三頻組合快速模糊度確定方法；北斗和GPS高精度聯(lián)合快速高可靠的定位模式；北斗三頻快速收斂的精密單點

36、定位方法；北斗高精度廣域單頻定位方法等。經測試，采用北斗三頻實時精密定位技術，其定位精度平面和高程分別達到2cm和5cm；采用北斗單頻差分導航技術，實時定位精度達到1.5m,分別滿足精密定位用戶和導航用戶需求。該系統(tǒng)在精密定位初始化時間和環(huán)境適用性等方面優(yōu)于基于單GPS的增強系統(tǒng)，各項指標達到或優(yōu)于國際當前GPS地基增強系統(tǒng)的水平。3.2.2突破城市室內外無縫定位技術并建立應用示范系統(tǒng)在科技部863計劃支持下，北京郵電大學等多家機構在廣域室內外無縫定位技術方面聯(lián)合攻關，在通信導航信號體制、地面非視距抑制、多徑抗干擾、高精度測距、室內外無縫協(xié)同定位、星地組合以及導航通信一體化等關鍵技術方面取得了

37、突破，提出了TC-OFDM的通信導航融合新體制，實現(xiàn)了基于移動基站的水平3米、垂直1米的室內外無縫高精度定位?？傮w技術達到國際領先水平，為國家應急救援、公共安全及廣域室內外導航定位服務提供了重要的技術支撐，具有廣泛的應用前景。依托上述研究成果，2011年北京郵電大學在校園開展了示范應 用。2012年下半年，北京郵電大學聯(lián)合其他單位成功研制出了基于室內外高精度無縫定位的消防應急救援應用平臺，并在天津完成了范圍在60平方千米的應用示范項目建設，包括室內地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的構建，基站核心設備及移動定位終端、室內增補系統(tǒng)的研發(fā)，網絡側服務平臺的搭建、示范區(qū)內的基站建設與增補網絡布設，并開始在消防領域進

38、行示范應用。2013年底將完成覆蓋范圍達200平方千米的應用，并逐步推廣到天津市及全國范圍。前期示范測試結果表明,系統(tǒng)定位精度達到室內外水平精度優(yōu)于3米、垂直精度優(yōu)于1米。十一五期間，在城市大型建筑定位技術研究方面，北京郵電大學牽頭完成的863課題“大型建筑物復雜環(huán)境室內定位系統(tǒng)關鍵技術與示范”研究成果成功應用于北京、上海、廣州、成都、重慶、深圳、西安等城市的重點區(qū)域。包括首都機場、白云機場等8大機場共22個航站樓的室內位置服務，實現(xiàn)了38米精度室內定位；構建了人員定位和基于位置的資產管理平臺及基于位置的旅客個性化服務推送平臺，大幅提升了大型建筑精細化管理與安全保障水平；充分利用機場服務資源，

39、給每個旅客提供個性化的服務指導與賓至如歸的機場體驗；還可以大幅提升機場的非航經濟效益。3.3初步形成了室內外高精度無縫定位技術標準體系國內有大量的研究機構和企業(yè)從事室內外定位導航研究，室外定位已經形成了相關標準，推動了產業(yè)化與位置服務的發(fā)展。隨著室內定位及室內外無縫定位關鍵技術的突破和推廣應用，其技術標準體系研究具有十分重要的意義。在科技部、工信部等多個項目支持下，開展了科學可行的室內外定位技術與服務標準體系研究，重點內容包括基礎資源、信息處理、信息服務、用戶終端、中間件等，初步形成了室內外咼精度無縫定位技術標準體系，如圖4、圖5和表3所示。用戶層用戶終端精密定位中間件位置服務商服務層精密定位

40、信息播發(fā)室內外定位信息服務系統(tǒng)位置信息服務服務業(yè)務行理信息處理層廣域實時精密定位處理室內高精度定位處理協(xié)同實時精密定位信息處理中心斟出資源層室內外定位與服務基礎資源平臺GNSS連續(xù)運行基準站地面無線定位設施地理空間數(shù)據(jù)資源衛(wèi)星導航系統(tǒng)北4/GPS/GLONASS/Galileo支撐條件通信網絡衛(wèi)星通信/移動通信/互聯(lián)網/廣播網圖4室內外定位服務技術體系結構圖 # #圖5室內外定位服務功能信息流結構圖 農3羲和系統(tǒng)規(guī)范分類表功能分類序號標準類別1、基礎資源層1.1GNSS連續(xù)運行基準站系統(tǒng)1.2移動通信定位設施1.3空間數(shù)據(jù)及互聯(lián)網信息資源1.4計算處理與存儲2、信息處理層2.1廣域實時精密定位

41、處理2.2室內高精度定位處理2.3室內外協(xié)同處理3、服務層3.1精密定位信息播發(fā)3.2位置信息服務3.3服務業(yè)務管理4、用戶層4.1用戶終端4.2精密定位中間件4.3位置服務商4發(fā)展羲和系統(tǒng)支撐導航與位置服務產業(yè)發(fā)羲和系統(tǒng)是我國自主設計的室內外高精度定位導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于協(xié)同實時精密定位技術(CooperativeReal-timePrecisepositioning,CRP)構建的廣域室內外高精度定位導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)以北斗/GNSS、移動通信、互聯(lián)網和衛(wèi)星通信系統(tǒng)為基礎，融合廣域實時精密定位和室內定位等技術，實現(xiàn)室內外協(xié)同實時精密定位，具備室外亞米級、城市室內優(yōu)于3米的無縫定位導航能力。

42、羲和系統(tǒng)是我國自主建立的高精度室內外無縫定位導航服務基礎設施，是連接北斗系統(tǒng)和廣大普通用戶的最直接的接口。羲和系統(tǒng)與其他定位系統(tǒng)之間的關系如圖6所示，從中可見，其在定位精度和應用范圍上都具有比較明顯的優(yōu)勢。全球省區(qū)國家洲際室內圖6羲和系統(tǒng)與其他定位系統(tǒng)之間的關系4.1建立和完善我國室內外高精度定位導航技術體系標準在國家科技計劃的支持下，科技部組織國內衛(wèi)星導航優(yōu)勢單位已完成室內外定位服務體系架構、GNSS基準站實時數(shù)據(jù)傳輸格式、L頻段TC-OFDM系統(tǒng)地面基站技術規(guī)范、個人位置導航電子地圖物理存儲格式等8項羲和系統(tǒng)技術規(guī)范的制定（詳見附件）。下一步將開展協(xié)同實時精密定位的國家、行業(yè)和產業(yè)標準，包

43、括協(xié)同實時精密定位體制與接口協(xié)議、廣域實時精密定位信號接口協(xié)議、室內定位信號接口協(xié)議，以及手機室內外定位規(guī)范和相關服務標準的制定工作。4.2攻克北斗地面增強網絡建設技術障礙,加快推進室內外高精度無縫定位系統(tǒng)建設羲和系統(tǒng)瞄準解決衛(wèi)星導航星座信號到達個人移動終端“最后一公里”的問題。羲和系統(tǒng)的技術突破，為北斗地面增強網、廣域室內外無縫高精度定位系統(tǒng)建設解決了關鍵技術問題，為進一步應用推廣掃除了技術障礙，極大推動了北斗定位導航的應用。我國各大企業(yè)紛紛支持羲和系統(tǒng)建設和應用推廣，各行業(yè)部門、地方省市提出建設或更新原有GPS地面參考站網，引入北斗系統(tǒng)信號建設地面增強系統(tǒng),融合北斗衛(wèi)星和地面通信廣播網絡資源建設并形成廣域室內外無縫定位系統(tǒng)；中國電信、中國聯(lián)通開展了定位及服務的示范；華為、長虹、合眾思壯等企業(yè)開始研究將北斗信號接入手機應用中，并已取得了良好進展，基于位置的服務市