在地面上,我們的通信有基站4G、5G的網絡信號覆蓋,導航也可以直接用北鬥定位。而在地下,室內接收到的信號波由於建築物的遮擋而減弱甚至被阻擋,導致地下通信信號微弱的現象。與此同時,地鐵的高速運行增加了定位地下信號的難度。
3月20日,中國首個地鐵北鬥定位系統在北京開工建設。“特大城市軌道交通系統高效交通與安全服務關鍵技術”項目采用室內北鬥+5G融合定位技術,廣播室內定位信號,使用戶接收導航定位信號,將地鐵站地下空間定位精度提高到2m以上。該系統可用於車輛調度、客運組織和應急處理,同時乘客可在地下環境中使用手機地圖,通過三維導航實現地鐵站內定位導航。
北鬥+5G的魅力在哪裏
北鬥衛星導航系統(簡稱北鬥系統)主要為全球用戶提供全天候、全天時的定位、導航和授時服務。2020年7月31日,北鬥三號系統建成開通提供全球服務,北鬥系統進入全面推廣應用新階段。
而北鬥系統主要解決室外定位需求,在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象預報、救災減災、公共安全等方面已有基本應用。其室外定位精度約為10米,測速精度為每秒0.2米,授時精度約為20納秒。但由於衛星信號無法覆蓋室內,對環境的免疫力差,無法滿足室內定位和室外屏蔽等復雜區域的必要條件,在室內的應用受到很大限制。
5G組網采用基站部署,具有組網密集、帶寬大、多天線等優勢,空口時延低至1ms,移動性支持500 km/h的高速移動,基於5G通信網絡的定位技術可在室內實現亞米級甚至分米級定位精度。
在地鐵這樣高速交通的地下環境中,北鬥+5G的深度融合可以構建室內外覆蓋定位系統。將5G大帶寬、低時延、廣連接的優勢與北鬥系統的導航定位能力相結合,大幅提升復雜室內環境的定位精度。
地鐵北鬥定位系統是北鬥+5G方案首次應用於地鐵,但實際上這種融合定位技術早已出現在市場上。2021年4月,中國移動研發5G+北鬥精確導航系統,在重慶解放北地下環路進行測試。
室內定位是剛需。
RFID(射頻識別)技術:利用射頻,固定天線形成電磁場,貼在物體上的標簽通過磁場感應電流產生並傳輸數據,以非接觸的雙向通信方式交換數據,實現移動設備識別定位的目的。可以在幾毫秒內獲得厘米級的定位信息,電磁場具有非視距的優勢。RFID室內定位技術還具有傳輸範圍大、成本低的特點。但它沒有通信能力,抗幹擾能力差,不容易集成到其他系統中,對用戶的安全和隱私保護以及國際標準化都不完善,所以壹般用於物流和倉庫定位。
WiFi技術:WiFi的室內位置有兩種。壹種是利用移動設備和無線網絡接入點組成的無線局域網,通過差分算法對人和車輛進行更精確的定位和跟蹤。另壹種是預先記錄下數量龐大的確定位置點的信號強度,通過將新設備的信號強度與龐大的數據庫進行比對,完成定位跟蹤。WiFi定位的最高精度大概是1米到20米,但是Wi-Fi接入點通常只覆蓋半徑90米左右的區域,容易受到其他信號的幹擾,定位器的能耗也比較高。
ZigBee技術:ZigBee是壹種短距離、低速率的無線網絡技術。它主要是利用無線電波將數據從壹個傳感器傳輸到另壹個傳感器,通過傳感器之間的協調通信來定位設備的位置。所以ZigBee最突出的特點是功耗低,成本低,但局限性在於信號傳輸受多徑效應和運動影響大,衍射能力弱,穿墻能力弱。人事在職管理系統廣泛應用於大型工廠和車間。
藍牙技術:藍牙接入點作為壹種短距離、低功耗的無線傳輸技術,用於連接用戶,通過檢測信號強度可以獲得用戶的位置信息。藍牙最大的優勢是體積小,距離短,功耗低,易於集成在手機等移動設備中。但對於復雜的空間環境,藍牙定位系統的穩定性稍差,受噪聲信號幹擾較大。而近幾年火起來的藍牙AOA,基於接收機和發射機,可以在確認區域內通過多根天線測量信標信號,通過三角定位法計算出信標設備的精確方位,精度可高達0.1,但藍牙AOA的部署環境大多要求在1-3米的精度場景內。
超寬帶(UWB)技術:UWB是壹種傳輸速率高、發射功率低、穿透能力強的無線通信技術,基於超窄脈沖。它不需要使用傳統通信系統中的載波,而是通過發送和接收納秒或微秒級的超窄脈沖來傳輸數據,從而具有3.1~10.6GHz的帶寬,UWB的定位精度可以達到亞米級,多用於室內靜止或移動的活體定位跟蹤,但仍存在功耗和成本優化的問題。
融合定位是未來的趨勢
以上提到了六種常見的室內定位技術,但是物聯網的碎片化使得單壹技術無法滿足場景的應用需求,因此壹體化定位成為行業需求的趨勢。
中國衛星導航定位協會去年發布的《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》中指出,2020年,全行業總產值同比增長16.9%,達到4033億元。其中,高精度定位市場增速遠超全行業,2020年同比增長47.5%,總產值1104億元。從2010到2020年11,高精度定位產品年銷售收入增長10倍,年均復合增長率26%。
單壹的定位技術無法填補大眾市場差異化的需求,於是逐漸推出類似北鬥+、5G+、UWB+的壹體化定位技術,產業鏈逐步完善。和自動駕駛、智能交通壹樣,在技術快速演進的階段,“北鬥+5G”技術成為新的解決方案;在智慧礦井的人員定位系統中,“UWB+ZigBee”技術比單獨使用UWB更靈活。融合定位可以彌補單壹定位技術上的缺陷,優化場景應用中的功耗、成本和定位精度,打造精細化的定位方案。
未來,整合定位將大放異彩。