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user: 3. GPS和5G定位 3.1. GPS定位 利用卫星在全球提供导航定位功能的系统GPS(Global Positioning System)首先由美国建成，利用该系统，用户可以在全球范围内实现定位、测速、授时等功能。GPS工作卫星由分布在6个倾角为55˚的中圆轨道上的24颗卫星组成，每个轨道间互成120˚，轨道高度20，200 km，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。GPS定位原理为：导航卫星向地球表面连续发送信号，其中包括信号的准确发射时间和卫星在不同时刻在空间的位置，地球上任一用户根据接收到的卫星信号到达次序，由卫星在某一时刻的精确位置就可推算出自己所在空间坐标。理论上只要同时接收到4颗卫星的信号就可定位，多于4颗则可提高定位精度。 我国的北斗三号系统由3颗静止轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星和24颗中圆轨道卫星共30颗卫星组成 [ 2 ] [ 3 ]。3颗静止轨道卫星位于东经80˚、110.5˚和140˚，3颗倾斜同步轨道卫星的倾角为55˚，24颗中圆轨道卫星平均分配于3个轨道面上，轨道高度为21，528 km，倾角为55˚。2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心成功发射了北斗三号系统最后一颗全球组网卫星，7月31日正式开通全球服务。另外，还有俄罗斯的GLONASS以及正在试验并组网的欧洲Galileo，一起构成了当今世界的四大卫星导航定位系统。GPS、BDS、GLONASS、Galileo使用不同的卫星轨道，如果对它们进行组合应用，可以有效提高卫星定位服务的精度，这是卫星导航应用发展的一大趋势 [ 4 ] [ 5 ]。 北斗三号卫星导航系统在全球的定位精度优于10 m，在亚太地区单点定位的精度可达2.5 m，已经可以满足一些基本场景的需求 [ 6 ]。在单点定位过程中，卫星导航电文从卫星发送到接收终端会由于大气层折射和设备固有误差等因素，使得定位精度降低。为消除误差影响，可以选取地质条件坚固的地点建设基准站，对卫星导航信号进行实时观测。通过这些位置已知的参考点的观测数据，辅以差分解算技术如RTK (Real Time Kinematic)，可以剔除设备的误差影响，并计算出电离层和对流层的误差修正参数，从而可以提升终端的动态定位精度至亚米级、厘米级，静态可达到毫米级。高精度GPS定位服务已扩展到越来越多的领域，如在高速铁路精密工程测量中得到采用 [ 7 ]。 由于大气层模型参数在一定范围内差别较小，对于地面增强系统中所部署的基准站，其单站的覆盖半径通常为30~50 km，且定位精度随站间距的增加而降低。例如国内已投入商业运营的千寻位置公司在全国已部署了超过2000个基准站，其中南方的部署较密，定位精度可达到厘米级，北方的部署密度较疏，定位精度可达亚米级，已能为汽车辅助驾驶提供服务 [ 8 ]。 3.2. 5G定位 全球导航卫星系统GNSS (Global Navigation Satellite System)覆盖面广，支持设备数量不受限制，但缺点是信号强度弱、穿透力差、易受干扰，在城市、峡谷、室内、地下等环境下无法提供广域无缝的定位服务。而无线通信系统具有覆盖范围广、使用成本低、可靠性高等优点，利用通信系统进行定位，实现通信导航一体化，可有效弥补卫星定位的不足 [ 9 ]。 从第四代移动通信系统4G开始，加入了专门用于定位的参考信号PRS (Positioning Reference Signal)，基于移动通信网定位的相关研究开始迅速增多。由于资源限制(如带宽、时长等)，4G定位精度无法突破米级。随着第五代移动通信系统5G的到来，毫米波、多入多出MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)、波束成形等技术为定位性能的提升带来了新的机遇，5G的理论定位精度也已达到亚米甚至厘米级。5G还具有低时延、高可靠、大带宽、多接入的特点，将为万物智联提供坚实可靠的网络服务。2019年6月，中国电信、移动、联通、广电获得我国的5G商用牌照，全面铺开5G网络建设。 5G定位系统的实现方法是将大量的通讯基站建设到需要定位的区域，利用通信网络形成一个具有位置功能的定位系统。通讯基站探测进入区域内的未知信标的各种参数(如信号、距离、角度、速度和方向等)，将信号送到处理中心进行处理后反馈定位结果 [ 10 ]。可简单认为5G定位系统是卫星定位系统的地面版，只是其中移动的导航卫星变成了固定的通讯基站。一般来说，在测距方法下，只需要3个基站就可定位，在测角方法下，只要2个基站即可定位，如果同时结合测距和测角，单基站也可定位。 5G的多入多出系统利用发射端的多个天线独立发送信号，并在接收端利用多个天线接收信号，可以在保持带宽不变的前提下提高通信容量和频谱利用率，也为信号提供了角度测量能力，结合测距就可以实现单基站定位。单基站定位可有效解决强弱干扰等原因带来的可见基站数量不足的问题，同时也可降低由建筑物遮挡等因素造成的非视距定位问题。 在复杂环境中，单一的定位算法存在误差。如果采用多种算法和定位技术的融合，即在网络层上利用基本定位技术结果进行第一道判断，而其他各种定位技术测试量进行预测的混合算法，可在不同层面反馈和判断定位数据，有利于提高定位的鲁棒性和精度 [ 10 ]。 3.3. GPS和5G定位的融合 卫星导航系统与地面增强系统所构建的高精度定位能力虽然可覆盖较广的区域，但因遮挡存在较多定位盲点，而密集化部署的5G基站不仅可以有效补充卫星信号在室外的盲点，而且可以覆盖卫星信号无法到达的室内区域，因而5G与GPS在定位服务上的融合就显得恰逢其时，相辅相成，便于打造出一张室内外全场景覆盖的高精度定位网络 [ 8 ]。5G定位对时钟同步提出了较高的要求，也需要通过卫星导航系统的精确授时功能来获得。 5G接入网络与卫星导航所需的地面增强系统网络在建站维护上天然存在着融合优势，因此可以从两张网络的建设部署和运维监管上进行统一规划。地面增强系统的差分数据的提供采用基于控制面的广播模式较为有利 [ 8 ]，广播模式可以避免获取终端位置的环节，既可节省上行的传输链路资源和时延，又可降低对平台侧的高并发压力，同时可以提升终端位置信息的保密性。利用5G的低时延特性和广播方式，使得即需即取的便捷高精度GPS定位服务成为可能。如依托5G物联网技术的边坡监测系统，将大量探测细小位移的传感器接入监测网，用5G网络传送北斗差分数据，实现优于1 mm的高精度定位，一旦边坡发生异常位移，就可精确定位隐患位置，再将数据用5G网络快速回传到控制中心，进行边坡滑坡地质灾害的智能分析和预警。 智能手机是卫星导航系统应用中最大的大众应用市场，以往仅支持单点定位，再加上手机天线对于卫星信号的接收能力较弱，使其定位精度往往在10 m以上，不能满足高精度定位需求。谷歌公司在2017年开放了安卓系统中卫星信号原始观测量(包括载波相位、伪距、多普勒频移)的输出接口，使得将差分算法迁移至通用的计算芯片上成为可能。这种方案不仅可以将高精度定位终端大幅扩展至智能手机市场，还可以借助通用芯片的强大算力提升算法的定位精度与收敛速度。因此5G与GPS高精度定位在智能手机上的融合是可行的，将使智能手机成为信息化社会中高精度定位的重要基础感知节点。 在偏远地区，5G网络的建设和运行费用相对于服务人数来说不够经济，这时可用低轨道通信卫星来弥补。如美国太空探索技术公司计划在太空搭建由约1.2万颗或更多卫星组成的网络提供全球互联网服务，即星链(Starlink)项目，截至2020年10月底，已发射近900颗卫星，网络服务开始进入测试运行阶段。星链卫星间通信采用激光，在同样距离下延时低于光缆，因此对于洲际数据通信，星链网络延时比地面通信更有优势。若星链卫星布置在600 km左右的高度，考虑星地之间来回路程，增加的传输延迟约为2 × 2 ms = 4 ms，即使布置在1200 km的高度，附加传输延迟也只有约2 × 4 ms = 8 ms，仍在可接受范围内。2020年11月6日我国长征六号火箭成功搭载发射了“电子科技大学号”卫星，准备进行太赫兹通信设备在卫星上的适应性试验，积极探索未来的太赫兹通信的空间应用。在星链卫星选取较低的轨道时，延时小，信号强，但卫星受空气阻力影响大，寿命短，而若选取较高的轨道，延时大，信号弱，但卫星寿命长，两者比较谁更为经济，需要根据使用要求和各方面因素综合考虑。 2018年6月2日，长征二号火箭成功发射武汉大学“珞珈一号”卫星，其具有夜光遥感、导航增强和通信传输的集成功能，为“一星多用”作出了示范，因此，基于低轨全球通信星座的全球导航增强系统无需独立建设，可与低轨通信星座融合发展 [ 11 ]。低轨道通信卫星同时用于导航定位增强，具有信号强，抗干扰好的特点。在低轨道卫星上还可布置对地光学探测设备，利用广覆盖的特点可以做到对地球每个角落的近乎实时连续观测。这样，星链卫星星座将逐渐进化为星座平台，可融合部署对延时要求苛刻的计算和数据设备，为全球事务提供更好服务。综合考虑可用性和经济性，要提供高精度定位服务，可选择在人口密集区和主要道路附近，采用通信导航一体化的5G基站，具备容量大，可靠性高的优点，而在海洋、沙漠等偏远地区，采用通信导航一体化的低轨卫星星座预计将更为经济。 3.4. 基于高精度定位的汽车防撞方案 图2. 基于高精度定位的车与车协同架构 综合利用高精度定位技术和互联网技术，将使汽车能实时准确地了解周围车辆的位置，在距离较近时发出警报，就可以达成汽车防撞的效果。对于车辆防撞定位要求来说，至少需要达到亚米级。传统的卫星定位无法满足车辆所需的定位精度，因而需要使用基于网络辅助的差分定位技术，并且结合航迹推演技术来提升定位精度。可考虑采用如图2所示的网络架构以达到车与车协同的效果。 从图2中可以看到，在城市等人口密集区域，优先采用5G和GPS融合的定位方式，卫星导航信号传输到车辆和地面基准站，基准站将差分导航增强数据传输到5G基站，5G基站在一定范围内播发此数据，车辆接收后，结合已接收的导航信号就可实时精确定位自身位置至少到亚米级，然后将此定位数据反馈回无线基站，无线基站汇聚多辆汽车的定位信息后，通过边缘节点的快速处理，由无线基站分发覆盖范围内所有车辆的定位信息，使得每辆车都能知晓其它车辆的位置，进一步判断车与车之间是否具有足够的安全距离，达到防撞效果。在无线基站难以覆盖的偏远地区，由低轨卫星播发导航增强数据以及与车辆之间的信息交互。在不能接收卫星导航信号的地下、室内等场景，则直接由通信导航一体化的5G无线基站来提供定位功能。因此，只要形成广域覆盖的高精度定位网络和信息网络，就能无时无刻监测车辆自身和周边其它车辆的位置等各类信息，车辆防撞只是其中不难实现的一项功能。 基于定位的车辆防撞功能的实现需要满足完整性和及时性。完整性是指局部区域有交通联系的所有车辆都要参与到定位汇聚和分发过程中，如果出现遗漏，则易产生危险；及时性是指定位的汇聚分发过程要在极短时间内完成，比如0.2 s，超过则难以发挥作用，这对整个处理环节提出了很高要求。5G的低时延特点能够很好助力车辆和无线基站之间的快速信息交互，边缘计算则提供高速的计算过程。边缘计算把云计算平台迁移到移动接入网的边缘，将传统电信网络与互联网业务进行深度融合，减少移动业务交付的端到端时延。由于边缘计算将更多的数据计算和存储从“核心”下沉到“边缘”，部署于接近数据源的地方，众多数据不必再经过网络到达云端处理，因而降低时延和网络负荷，也提升了数据安全性和隐私性。考虑到汽车是流动的，车辆的关联信息还需要通过边缘节点共享到云中，使边缘节点之间能够互相交换信息，边缘节点就能够只对强耦合的交通群进行快速计算和反馈，尽量缩减处理规模，满足极短反应时间的严苛要求。 定位汇聚和分发过程需要在边缘节点和应用终端之间进行负载平衡，才能达到高效可用的目的。考虑5G无线基站的情况，其覆盖半径一般为数百米，若同时支持一万个移动终端，假设每个终端的定位数据为20字节，其中包括2字节的标识码，3 × 4 = 12字节的坐标码，以及6字节的预留码，因此定位汇聚后的数据容量单基站为200 KB，考虑自身基站和前后左右基站总共容量为1 MB，若基站数据广播速度达到100 MB/s，则只需0.01 s就可完成分发，能满足及时性的要求。考虑低轨卫星的情况，由于覆盖面积一般达到数十万平方公里，即使考虑稀疏性，每平方公里仅支持数十个终端，则总的支持量也达到千万级别，定位汇聚后的数据容量达200 MB，要在极短时间内完成分发困难极大，而且大量的数据对接收端是无用的，反而增加了终端的处理负荷。可以考虑采用预处理的方法，只对每个终端发送临近的定位数据，而非采用广播方案，但这增加了卫星节点的处理负载和通信负载，恐存在较大的技术风险。一种折中的方案是，将汇聚的定位终端用一定间距(比如1000 m)的二维网格进行排序，若发现某网格内只有一个终端，而临近的网格都无其它终端存在，则在一定时段内，该终端不会与其它终端相撞，因此可以从分发的定位数据中删除，分发的定位数据中只包含可能发生危险的热点终端，这样数据容量将大大压缩，可望从200 MB压缩到2 MB，这时再采用广播方案就容易满足要求了。采用该方案后，卫星节点增加不多的处理负载，通信负载则耗费不多，较易支持大量终端的定位汇聚和分发过程。 在高精度定位的辅助下，汽车不需要采用昂贵的探测设备就能了解周边信息，能够达到“我为人人，人人为我”的效果，这不仅可以防止车辆相撞，减少交通事故，还可发挥“群体智能”的作用，协调路口交通，减少红绿灯使用，实现“智慧交通”，再结合车辆的“单车智能”就能够更容易推进自动驾驶技术。由于5G智能手机已开始广泛使用，基于定位的防撞功能可以很容易就扩展到参与交通的人群上，手机将又增加一个“交通避障”的功能，使车辆和行人防撞的实现无需添加特别的设备，与导航功能一样很方便就融入到人们的日常生活中。