基于5G+北斗的室内定位研究
摘要：随着5G+新基建的逐步普及，一些依赖于5G网络（高带宽、低时延、广覆盖）和北斗（卫星导航定位）的行业获得了长足的发展，高精度定位成为了各行各业的刚需功能。在室外，借助5G+北斗，可成功提供静态毫米级、动态里面级的高精度定位服务；在室内，借助PNT（定位导航授时）系统，可通过部署一些基础设施或采取某些应用软件，即可提供亚米级高精度定位服务。本文主要对室内定位技术进行探讨，分析当前主流的室内定位技术。
关键词：5G+北斗；高精度定位；室内定位；PNT系统；伪卫星/室内北斗
1 概述
在5G+北斗的移动互联网时代，诸多行业都对高精度定位提出了新的需求。桥梁抖动、山体滑坡等特殊场景的7*24小时不间断监测，需要（毫米级的）高精度定位服务予以识别；汽车的智能驾驶/自动驾驶，需要（厘米级的）高精度定位进行辅助；百度/高德等软件的导航服务，需要（分米级的）高精度定位服务进行支撑。总之，高精度定位服务广泛应用于各行各业，扮演者重要角。
室外的高精度定位服务不可或缺，同样，室内的高精度定位服务也需求旺盛。调研显示，全球有70%-80%的人口聚集在城市，而在城市里，人们大部分的时间都在室内。长时间、大流量、室内环境复杂，综合市场需求，无论是商业服务，还是客流监测、用户导航、应急调研、场景保障等，都需要实时的亚米级室内定位，这决定了室内定位的需求经久不衰。所谓的室内定位，是指在室内环境中实现位置信息获取，其特点在于：（1）无法获得GNSS卫星信息；（2）空间相对封闭，有一定的界限；（3）时间要求连续不间断，实时均可使用；（4）主要采用移动通信网络、惯性导航、伪卫星（又称为室内北斗）等技术；（5）借助一定的参考物，定位是相对参考物而言的；（6）综合性能要高于室外定位。
室内定位扩大了传统导航定位的服务空间，相比室外定位，室内定位对用户的综合定位性能具有更高的要求。室内定位不仅仅是室外定位在空间上的延申与扩展，其定位技术、所面临的特殊环境因素和社会属性，也发生了重大变化。结合室内定位的背景与特殊性，本文主要对室内定位技术展开研究。
2 基于5G+北斗的室内高精度定位
2.1 室内定位的应用需求与发展需求
在toC、toG这样的大众应用中，室内高精度定位是一种建立在智能终端（以手机为主要代表）应用之上的高精度、广覆盖、实时动态、低成本的室内智能导航与位置定位服务。在toB这样的行业应用中，室内高精度定位可以理解为建立在满足工业互联网需求上的一种基于5G+北斗室内外无缝衔接可连续高精度可信定位服务。在定位精度方面，室内定位要求是亚米级服务，可识别楼层，授时精度在50ns以内；在实时动态性方面，室内定位要求首次定位时间在1s以内，支持快速定位报告与即时位置服务；在覆盖性方面，室内定位要求能连续覆盖商圈，包括城市行政区（如市民之家）、大型商场与超市、交通枢纽等；在低成本方面，智能手机、物联网技术、工业互联网的泛在应用、GNSS芯片的日益普及与廉价化，为室内定位的实施与落地提供了条件。
在发展需求方面，室内定位之所以能获得蓬勃的发展，主要得益于四个方面：
（1）公共设施综合PNT体系的建立：北斗三号卫星导航系统的建成与广泛应用，极大地拓展了北斗室内外的连续导航和高精度定位能力，推进了北斗向综合PNT体系的发展。
（2）室内定位的旺盛需求与应用实践：室内（特别是地下空间）的导航与位置服务，需求十分旺盛，比如室内步行街的实时动态定位、地下车库的车车位/人车、大型超市的人
货物与人人等，都对室内地位提出了需求。
（3）关键技术的攻关与突破：室内定位与室内外无缝衔接高精度定位的研发，已获得了重大突破，比如依赖5G的LBS定位、WIFI、蓝牙、室内北斗等，这些技术，并不是单一地使用，而是可以随意组合按需部署。
（4）基于5G+北斗的室内定位解决方案：随着基础设施的完善与部署，加之硬件终端的价格低廉化，室内定位呈现出丰富的解决方案。
2.2典型的室内定位技术
当前，室内定位技术众多，按照对基础设施的依赖性，可分为两类：部署专有设备的室内定位技术和无需部署设备的室内定位技术，其中，前者的定位精度相对要高，稳定性也要好，但一般存在通信距离有限、易被遮挡、有多径传播干扰等问题；后者一般是轻量级定位技术，操作相对简单，但前期需进行大量采集工作，后期需进行大量的维护工作。常见的室内定技术描述如表1所示。
表1：主流室内定位技术一览表
室内定位 | 是否依赖设备部署 | 算法特点 | 定位精度 | 不足或劣势 | 实现代价 |
GNSS | 是 | 几何定位 | 亚米级 | 信号易被遮挡 | 低 |
移动蜂窝网络 | 是 | 几何定位，靠近感知，场景识别 | 米级 | 依赖于的覆盖密度 | 高 |
蓝牙 | 抗干扰能力差，通信距离有限 | 低 | |||
A-GPS | 否 | 几何定位 | 米级或十米级 | 安全性低，通信量大 | 低 |
伪卫星 | 是 | 几何定位 | 亚米级 | 依赖专用设备 | 高 |
惯性导航 | 否 | 陀螺仪推算 | 亚米级、米级 | 存在误差累计 | 低 |
WIFI | 是 | 场景识别，数据库匹配 | 米级或十米级 | 精度稳定性不够，需先行采样 | 低 |
UWB | 是 | 几何定位 | 亚米级 | 覆盖范围有限 | 高 |
Zigbee | 是 | 几何定位 | 米级 | 稳定性不够，抗干扰能力差 | 低 |
ETC | 是 | 靠近感知 | 亚米级 | 作用距离短 | 北斗手机号定位 较低 |
地磁 | 否 | 场景识别，数据库匹配 | 米级 | 需先行采样，稳定性不够 | 低 |
路标 | 否 | 场景识别 | 米级 | 精度不够稳定 | 低 |
SLAM | 否 | 场景识别，数据库匹配 | 亚米级 | 运算量大，稳定性差 | 高 |
红外线 | 是 | 几何定位 | 厘米级 | 抗干扰能力差，视距可视 | 高 |
超声波 | 是 | 几何定位 | 厘米级 | 易衰减，范围小 | 高 |
这里，对2种具有广泛影响力的室内定位技术进行介绍。
（1）蓝牙定位技术
蓝牙定位技术主要基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信号场强指示）定位原理，蓝牙技术的应用程度与蓝牙终端设备的低廉具有密切的关系。蓝牙的便捷性以及其在全球范围内的高认可度，使任何支持蓝牙的设备都能通过配对流程与邻近的设备进行连接，蓝牙技术凭借其普遍性与简洁性改变了人们对设备之间无线通信的认知。由于其功耗与成本较低，蓝牙在从高速汽车设备到复杂医疗设备等应用领域的发展过程中发挥着至关重要的作用。
（2）伪卫星技术
伪卫星技术又称为室内北斗，因此，伪卫星又称地面卫星，是从地面某特定地点发射类似于GPS的导航信号，采用的电文格式与GPS基本一致。由于伪卫星发射的是类似于GPS的信号，并工作在GPS的频率上，所以用户的GPS接收机可以用来同时接收GPS信号和伪卫星信号，而不必增设另一套伪卫星接收设备。地面建立的伪卫星站不仅可以增强区域性GPS卫星
导航定位系统，而且可以提高卫星定位系统的可靠性和抗干扰能力。目前在隧道、室内、地下还无法直接使用GPS卫星信号，伪卫星定位技术是解决上述GPS卫星导航和定位现存问题的有效途径之一。
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