【摘要】卫星导航技术日新月异,进入定位,导航,移动通信和互联网的多源信息融合新时代。5G 通讯技术以其定位服务的小区域密集化和大规模阵列天线等技术为导航通讯一体化奠定了基础。2019 年 5G 进入商用元年,几大运营商已经在北京、上海、广州、杭州等地进行了尝试。与 4G 相比 5G 具有更快的速度、更低的延时、更低的消耗。因此,将卫星导航与移动通讯技术集合在一起的集成技术正逐渐成为相关科研人员的研究方向。随着 5G 移动通讯技术的发展,卫星导航与 5G 移动通讯技术的结合已是大势所趋。随之而来的是卫星导航和 5G 移动通讯技术如何结合,怎样更有效的结合的问题。本文简要介绍了卫星导航与 5G 移动通讯技术及其融合的方式。阐述了卫星导航与 5G 通讯技术的融合在位置信息服务中的应用。描述了卫星导航与 5G 技术融合的应用并对其发展进行了展望。01 引言卫星导航是事关国家发展的重要技术体系之一[1],覆盖测绘、智能交通、位置信息服务与挖掘和灾害监测预警等各种应用领域。目前,随着 5G 移动通讯技术的飞速发展,其与卫星导航相融合的技术也在不断发展。卫星导航和 5G 移动通信系统的集成可以使得导航和通信之间相互补充,相互促进,从而为用户提供更加稳定可靠的服务[2]。卫星导航和 5G 移动通信融合技术一方面可以利用 5G 移动通信技术极大地提高卫星导航的速度和准确性,另一方面可以利用导航技术提高移动通信能力。而且在位置信息服务中卫星导航与移动通讯技术都扮演着极为重要的角色,两者的结合势必会为更准确、高效的位置信息服务锦上添花。02 卫星导航、5G 与位置服务概述

 

2.1 卫星导航

卫星导航(SatellitenavigaTIon)是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户提供导航和定位服务的技术。全球卫星导航系统(GNSS)通常是指世界上正在运行和规划中的卫星导航系统,目前一共有四个,即美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格罗纳什定位系统(GLONASS)、欧盟的伽利略系统(Galileo)、中国的北斗卫星导航系统(BDS)。卫星导航系统主要由三部分组成:空间星座部分、地面测控部分以及用户部分[3]。与传统测绘手段相比,卫星导航具有可全天候、全球性的导航定位;高精度、高速度精确导航定位;操作方便、用途广泛等优点。现代卫星导航系统以其强大的现实功能,融入了社会生活的方方面面,成为多个领域的支撑性技术,在未来,现代卫星导航系统的创新发展必然也会成为推动各领域变革的强大动力[4]。

 

2.2 5G 移动通讯技术

第五代移动通讯技术(5thgeneraTIonmobilenetworks,简称 5G)是最新一代的移动通讯技术,也是 4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和 2G(GSM)系统的拓展与延伸。5G 通讯技术与 4G 通讯技术的最本质的区别在于 5G 的网络会让用户始终处于线上状态,网络的使用已经不单单局限在手机上,一切智能设备例如智能手表、健身用具、智能家庭设备等都可以连接 5G 网络,将网络便利提供给更多方面的设备和仪器当中[5]。此外 5G 技术具有强大的包容性,可与多种现有或将有的无线传输技术和功能网络融合到一起,包括传统蜂窝网络技术、大规模 MIMO 技术、基于滤波器组的多载波技术(FBMC,filter-bankbasedmulTIcarrier)、无线局域网、和双全工技术等[6]。5G 通信技术以其自身的核心技术和优势,在通信性能、即时传输、无线网络覆盖范围等方面将会为用户带来更加良好的使用体验,尤其在依托先进的无线移动网络技术之后,5G 移动通信技术也将实现专业化、智能化、全面化的发展,更好的提升网络连接的高效性和稳定性[7]。

 

2.3 位置服务

位置服务(LBS,LocaTIonBasedServices)又称定位服务,是基于位置的服务[8],它通过电信移动运营商的无线电通讯网络(例如 GSM 网络、GPRS 网络、CDMA 网和 LTE 网)或外部定位方式(例如 GNSS)获取移动端用户的位置信息(地理坐标,或者大地坐标)。在地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)平台的支持下,为用户提供了一种与位置相关的服务。LBS 的基本内容是:你在哪(空间信息);和谁在一起(社会信息);旁边有什么(社会信息)。位置服务是由蜂窝移动通信发展起来的,最初提出的定位功能基本是依靠移动通讯基站的定位方法。但是仅仅在市区基站分布比较密集的地方,才能够保证百米级的精度,在郊外基站分布稀疏的情况下,无法保证其定位精度。后来接纳 GPS 作为 LBS 定位技术之一,将移动通讯定位方法与 GPS 定位方法融合互补才将定位范围逐渐提高,随着 GPS 技术的发展,位置服务的定位精度也随之逐渐提高。

 

2.4 研究背景及意义

据统计,人们日常生活中 80%的信息与位置相关,因此位置信息已经成为人们最需要的信息之一。而获取位置信息的位置服务主要取决于移动通讯技术和 GNSS 技术。近年来,随着卫星导航技术的不断发展,已进入定位、导航、移动通信和互联网等多源信息集成的新时代。2019 年 5G 进入商用元年,几大运营商已经在北京、上海、广州、杭州等地进行了尝试。与 4G 相比 5G 具有更快的速度、更低的延时、更低的消耗。因此,将卫星导航与移动通讯技术集成在一起的集成技术正逐渐成为相关科研人员的研究方向。导航与通讯技术互补从而实现室内室外导航定位一体化正是位置服务未来的发展方向。卫星导航精度高,适用于开阔无遮挡地区,在市区建筑物密集地区作用有限。而移动通讯技术在其覆盖的地方均可实现定位,但是在户外人烟稀少地区,由于基站稀少,其定位精度和能力都有所降低。另外,在移动通讯技术的支持下,卫星导航能够提高室内定位能力和一定的通讯能力。而对于移动通讯,卫星导航技术也能增强其通信能力。两者相互融合可谓是如虎添翼,潜力无穷。03 基于 5G 的 A-GNSS 技术 3.1 卫星导航与 5G 移动通讯技术的融合

 

在现阶段卫星导航与 5G 移动通信融合框架的研究中,主要对其三个层面进行分析[9]。首先是两者之间的硬件统一问题。深入分析两者内部结构,并在此基础上找到共同点。其次是两者间的协议统一问题,由于卫星导航和移动通讯属于不同的操作系统,因此需要两方相关人员制定合理的实施计划。最后是两者之间的物理层面集成架构的问题。理论来讲卫星导航技术与 5G 移动通讯技术融合主要从两个方面看待:①可以通过地面通信系统与通信卫星提升导航系统;②利用卫星导航技术增强通信能力,进而提升用户体验[10]。

 

3.2 基于 5G 的 A-GNSS 技术

由于卫星信号只有在郊外无遮挡物的情况下定位精度才可以得到保证。而在市区高楼林立,接收机接收到的信号会存在严重的多路径效应,信号质量无法保证。A-GNSS 就是通过提供导航卫星的历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等辅助信息,使 GNSS 接收机在接收之前就知道要接收的频率范围,然后辅助计算数据再提供用来解算 GNSS 用户位置的卫星所在位置。总之可以减少初始定位时间、提高接收机灵敏度、减少接收机能量损耗、加快位置解算,提高定位精度、提高定位性能[11]。A-GNSS 的基本原理图如图 1 所示。

 

图 1.A-GNSS 基本原理

 

基于 5G 的 A-GNSS 由 C-RAN(Centralized,Cooperative,CloudandcleanRAN)网络和 A-GNSS 两部分组成。C-RAN 的目标是追求可持续的业务和利润增长,以便运营商解决移动网络能耗,运营成本和资源整合的快速增长带来的多重挑战。C-RAN 的基本结构图如图 2 所示。基于 5G 的 C-RAN 由远端无线射频单元和天线组成的 RRU 部署、集中式亟待处理池(BBU 池)本地 C-RAN 以及后台云服务器三部分组成[12]。

 

 

图 2.A-GNSS 系统架构基于 5G 的 A-GNSS 的基本原理就是将 5G 移动通讯技术与 A-GNSS 系统深度融合,让两者的定位和通讯功能互相取长补短,从而更加高效的获取所需的位置信息。首先用户的 A-GNSS 接收器终端向卫星服务器发送定位请求,使用基于 5G 的 C-RAN 网络快速查询可供使用的卫星信息,并将历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等辅助信息通过 5G 网络迅速地传输给接收机。接收机再根据辅助数据和捕获的卫星信号计算定位结果。

 

3.3 在位置服务中的应用

目前,位置服务除了基本的确定用户的地理位置,还包括车载导航、紧急求助、物流管理和商业服务等方面[13],这些服务也逐渐成熟,为人们的生活带来便利。但位置服务技术在室内定位、数据挖掘、信息的管理和调度能力等方面还略有欠缺。随着基于 5G 的 A-GNSS 技术的发展,在定位手段上,将能够综合使用卫星、5G 大规模阵列基站和无线局域网等多种定位技术;在定位范围上,将不再局限于户外空旷环境,而是可以实现室内室外全方位的一体化定位服务,确保何时何地都可以提供用户所需的位置信息。04GNSS 与 5G 融合的应用

 

4.1 智慧城市

智慧城市(SmartCity)是指综合使用各种信息技术和创新概念,将城市看作一个整体,促进城市向着更加科学更加智能的方向发展,以提高资源运用率,优化城市管理和服务,提升市民的生活质量。在智慧城市的建设中会用到很多不同的技术,如物联网、云计算、卫星导航等技术[14],借助这些不同的技术加快人与人之间的信息交流。智慧城市结构如图 3 所示,5G 与 GNSS 在其中发挥着举足轻重的作用。5G 不仅能够提供极致的网速,也开启了万物互联的时代,渗透至各个行业,与大数据、云计算、人工智能等跨产业融合创新[15],将极大的增强智慧城市的通信网络部分。GNSS 中的北斗导航系统在 5G 的背景下作为信息数据定位传输的重要手段,在智慧城市感知网络的建设中发挥着诸如生态环境监测、保障城市交通和电力监测等重要作用。

 

图 3. 智慧城市结构

 

4.2 无人驾驶随着 5G 移动通讯、车连网等技术的发展,多学科多领域的技术结合产生的融合技术层出不穷,无人驾驶技术的研究也逐渐步入正轨。无人驾驶是指用过车载传感系统感知周围的道路情况,自行规划出行路线控制车辆到达目的地的智能汽车[16]。可以极大程度上减轻诸如疲劳驾驶、酒后驾驶、闯红灯等违法行为带来的交通事故,为人们可以更好的生活服务。而传统依靠卫星图片的电子导航地图精度只有 5m 左右,远远不能满足无人驾驶汽车的需求。这就需要事先通过装有视觉传感器的数据采集车采集数据,线下将数据处理成精度可达厘米级的高清地图,依靠 5G 技术的高网速低延时实时的传输给无人驾驶汽车使用。此外在诸如隧道等导航信号丢失或很弱的情况下,可以用 5G 的大面积阵列天线暂时填补导航的空缺,与惯性传感器、视觉传感器、电子指南针配合组成一个万无一失的组合[17]。

 

05 总结

本文首先对于卫星导航、5G 移动通讯技术和位置定位进行简要概述。然后在结合卫星导航和 5G 移动通讯技术的基础上介绍了基于 5G 的 A-GNSS 技术以及基于 5G 的 A-GNSS 技术在位置服务中的应用。卫星导航和 5G 技术在现阶段不仅对国家的发展不可或缺,而且对于国家是否能够掌握国际话语权弥足轻重。将卫星导航与 5G 移动通讯技术相融合并运用于位置定位服务是大势所趋,能在很大程度上提高定位的精度,实现实时定位,为智慧城市的建设添砖加瓦。相信随着这项技术的不断进步会为国家的建设发展和人们的生活水平带来重要影响。