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【5G每日问答】5G时代,有哪些定位技术可以支持高精度定位需求?

罗杰 发表于 2020-4-29 19:56:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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景大事记:

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图片来源:网络公开材料

2019年4月3日,5G+北斗精准定位联盟筹备会暨5G北斗三代地基增强精准定位技术与产业论坛在武汉大学成功召开。来自全国各地的20余家企业、科研院所筹备成立中国首个5G北斗精准定位联盟,以促进5G北斗精准定位在各个行业的交流融合和创新发展。

2020年4月8日,华为P40系列旗舰手机全球线上发布会。华为发布业界首款支持车道级导航的旗舰手机P40系列。合作伙伴除了百度地图,还有千寻位置,千寻位置号称可以实现厘米级精确定位。

问:5G时代,有哪些定位技术可以支持高精度定位需求?

答:5G时代的定位技术,是对于现有各种技术的混合和增强,而不是取代。基于位置的服务LBS(Location Based Service),已经深入到我们每个人的日常生活中,包括:手机地图导航,滴滴打车,叫外卖等等。而这些服务的前提都是用户自己或者网络必须知道自己所在的位置。

定位需求分两种:被动定位和主动定位。

被动定位:追踪器(车辆追踪、宠物项圈、电话手表),或者打110报警电话时,是网络侧发起定位请求,终端上报自己的位置信息。

主动定位:用户侧发起定位,主动获取自己的位置,例如打开百度地图,获取当前位置。

常见的定位方式:

a. 基于卫星

b. 基于3GPP蜂窝网络

c. 基于非3GPP(WiFi,蓝牙,UWB技术等)

d. 多种技术混合估算

一、GNSS卫星定位

我们首先来介绍一下基于卫星的定位,以前我们关于定位提到最多的就是美国的GPS,但是GPS只是卫星定位的一种系统而已。位置定位涉及国家经济生活运行的方方面面,但凡有追求的大国都不希望在关键时刻被卡脖子,所以欧洲、俄罗斯、中国等国家都建立了自己的卫星定位系统:欧洲的叫伽利略、俄罗斯的叫GLONASS、中国的叫北斗,它们统称为GNSS(Global Navigation Satellite System)全球导航卫星系统。

这些卫星定位系统的基本原理都是一样的,那就是接收机接收卫星发来的信息,包含了发射时间Ti,卫星的坐标(Xi,Yi,Zi), 假设接收机的坐标为(X,Y,Z),接收到卫星信号的时刻为T。

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图一:GNSS卫星定位计算原理

接收机的坐标(X,Y,Z)是未知数,三个未知数,理论上来说三个方程的联立方程组就可以求解,但前提是接收机和卫星的铯原子时钟完全同步,那么T-Ti才是准确的传播时间。而实际上接收机的时钟精度不能达到这种级别,所以接收机准确的接收时间T就是一个未知数。需要增加1个方程才能求解(X,Y,Z,T)四个未知数。

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这就是为什么我们常说卫星定位至少要搜到4颗星的原因(参考《5G基站啥时候能用北斗?》)。

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图二:GNSS卫星4星定位计算

二、HA-GNSS(高精度GNSS)技术原理

我们前面所说的GNSS定位基本原理基于一个假设:卫星到接收器之间的信号是在近似真空环境直线传播。但现实情况是导航卫星发射的信号从太空到地面要通过电离层、对流层等区域,电磁波信号会发生“延缓”,相当于信号在那里打了个弯。同时,导航卫星“告诉”用户的卫星位置坐标和时间也并不是绝对准确的。这导致了地面用户的定位位置有5~10米左右的误差。如下左图所示:

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图三:RTK对比GNSS定位

RTK1+1(Real Time Kinematic实时动态)

怎么消除这个误差呢?目前室外精准定位最流行的技术,非RTK技术莫属。

RTK是一种将GPS与数传技术相结合,通过数据处理进行实时解算,在1-2秒的时间里得到高精度位置信息的技术。

我们假设地面上有一个基准参考站,这个站的位置坐标是已知的,用户接收机与基准参考站有一段距离,大家都用同样的导航卫星进行定位,基准参考站定位的结果和实际精确的位置之间有误差,基准站根据定位的误差推算出某颗导航卫星到它的实际距离,然后告诉用户接收机“用**卫星会造成**距离的测量误差啊!!!”,用户接收机接到信息后就修正自己和这颗卫星的距离测量值,然后再根据4个方程算出自己修正后的定位坐标。这种单站RTK方法把所有造成“误差”的影响作为一个整体考虑,而且认为这个整体的影响对基准参考站和用户接收机是一样的。这种方法的前提是移动站离参考基准站不能太远,如果离的太远,那么对基准参考站和用户接收机而言,同一颗导航卫星受“电离层”和“对流层”等影响会不一样,也就无法有效地修正误差。移动站和参考站之间的距离一般在15km以内。这种1个基准站+1个移动站的RTK精准定位方式叫做RTK1+1。

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图四:RTK1+1定位应用

N-RTK:Network RTK 网络RTK

以上RTK1+1常用于小范围勘测,如工地场景,无人机巡检等。但RTK1+1技术有着一定局限性,使得其在应用中受到限制,主要表现为:

1.用户需要架设本地的参考站;

2.误差随参考站与移动站之间的距离增长;

3.误差增长使流动站和参考站距离受到限制(<15KM);

4.可靠性和可行性随距离降低。

如果想实现全市、全省、全国等大范围内使用RTK技术进行精准定位,如无人驾驶场景,RTK1+1方式就不适用了。

网络RTK最大意义在于,它将克服以上的局限性,扩展了RTK的作业距离。与常规RTK不同,网络RTK建立一个参考基准站的网络,各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息,而是将所有的原始观测数据通过专线发给控制中心。同时,移动用户先用最原始的定位方式算出自己的粗略位置坐标,通过蜂窝网络向控制中心发送一个概略坐标。

控制中心收到这个位置信息后,根据用户位置,由计算机自动选择最佳的一组固定基准站,根据这些站发来的信息,整体的改正GPS的轨道误差,电离层,对流层和大气折射引起的误差,将高精度的差分信号(用于校正误差)通过Internet或者无线蜂窝网络发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边,生成一个虚拟的参考基站,支持RTK的移动站就可以解算出自己的精确经纬度。从而解决了RTK作业距离上的限制问题,并保证了用户的精度,如下图所示:

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图五:网络RTK架构

网络RTK的主要优势:

1.费用将大幅度降低,70公里的边长使建GPS网络费用大大降低,用户不再架设自己的基准站。

2.相对传统RTK,提高了精度。1PPM的概念没有了,在RTK网络控制范围内,精度始终在1-2个厘米。

3.可靠性也随之提高。采用了多个参考站的联合数据,大大提高可靠性。

4.更广的应用范围。城市规划,市政建设,交通管理,机械控制,气象,环保,农业以及所有在室外进行的勘测工作。

N-RTK的缺点是目前需要向精准定位服务提供商(如:千寻位置)支付服务费用。并且遗憾的是,放眼目前所有的旗舰智能手机,还没有直接支持RTK解算能力的,瓶颈在于GNSS天线和GNSS芯片,因此智能手机在短期内不太可能实现可靠的厘米级别定位。未来随着天线质量的改善,以及GNSS芯片性能的提升,在消费级终端实现厘米级定位精度,将不再是一个梦想,因此也将催生出大量的高精度定位方面的应用。

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图六:RTK定位芯片的应用

RTK差分定位和5G并没有必然的联系,但由于5G的高速率、低时延的特性,使得高精度位置和其他信息(例如高精度地图、图片信息、视频信息),可以更加高效地和网络平台以及设备使用者进行通信。3GPP也在研究RTK差分定位和运营商蜂窝定位互相融合的方案,5G 和 RTK差分定位相得益彰,将会为智慧城市、智慧工业带来巨大的变革。

三、A-GNSS:Assisted GNSS 网络辅助的GNSS

旗舰手机目前都不支持RTK解算能力,也就无法支持厘米级或者亚米级定位,那么更便宜的物联网终端更别提了。而仅依赖于GNSS进行定位存在一些常见的缺点,A-GNSS就是由网络来辅助一下终端来缓解这些问题。

1. 仅GNSS首次定位慢

GNSS首次定位(TTFF: Time To First Fix)(有时人称冷启动)一般需要几分钟的时间,并且普遍受到所处定位环境的影响,例如高楼林立会严重阻碍卫星信号的接受,同样在室内由于墙体的屏蔽作用GNSS信号也难以接收。

A-GNSS可以这么理解,在终端GNSS模块没搜索到卫星信号之前,先从运营商的定位服务器下载卫星信息,GNSS模块就可以据此加快搜星速度。A-GNSS首次定位的时间最快仅需几秒钟的时间,这也是相比传统GNSS的最大优势。

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图七:A-GNSS架构

因为定位辅助服务器将很多卫星信息(包括星历、搜星频率,时间等辅助信息)通过蜂窝网络很快的发给了终端,终端搜星时无论是在频域还是时域范围都缩小了,搜星耗费的时间就更短,因而终端也更省电:

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图八:定位服务器提供卫星辅助信息,缩小了手机搜星频域时域范围

只要有A-GNSS功能的手机都兼具普通GNSS功能,因为A-GNSS功能只是对普通GNSS的一个辅助罢了,没有了GNSS功能这个辅助就无从谈起了。手机上定位模式如果选择“仅使用GPS”就是GNSS模式,而如果选择“GPS、WLAN和移动网络”,就是A-GNSS模式了。

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图九:手机终端A-GNSS选项

2. 仅GNSS定位,精度只能达到5~10米

如果不使用RTK技术,仅靠GNSS定位,由于前面所述原因,定位精度只能达到5~10米。

A-GNSS分两种类型:

一种是UE-Based(UE进行位置计算),该种方式主要优点是提高终端初次定位的速度。

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图十:UE-Based类型A-GNSS定位

一种是UE-Assisted(UE只是根据网络侧要求,上报测量结果,由定位服务器进行位置计算)。该种定位方式,UE上报的测量报告不仅包含了GNSS搜星的相关信息,还包含了服务器要求UE上报的蜂窝定位测量的相关信息,定位服务器会结合UE上报的测量信息(通过LPP协议),基站上报的测量信息(通过LPPa协议),综合计算出UE的经纬度信息,因此UE-Assisted方式精确度会比仅用GNSS,或者基于UE的A-GNSS方式要高:

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图十一:UE-Assisted类型A-GNSS定位

综上所述,相比仅使用GNSS,使用A-GNSS(UE-Assisted)定位方式,定位速度更快,且定位精度更高,而且由于减少了搜星过程的时间和位置计算的时间,终端也相对仅使用GNSS更省电。

四、蜂窝无线定位的主要方法:

前面我们讲过,室外定位场景,仅使用蜂窝网络定位的精度比不上GNSS定位。但是可以辅助GNSS,提高定位的精度。无线定位是指在无线移动通信网络中,通过对接收到的无线电波的特征参数进行测量,利用测量到的无线信号数据,采用特定的算法对移动终端所处的地理位置进行估算。无线定位信号测量,主要包括时间测量、角度测量、场强测量,如下图:

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图十二:无线定位测量

1.TOA测量

通过测量信号的传播到达时间来测量距离。需要测量节点位置已知,通过获取策略节点和目标移动终端的信号发送和接收时间,推测待测节点的位置。这种方法建立在2个假设上:UE接收到的信号必须是直线传过来的(LOS: Line of Sight)。而现实中UE检测到的信号很可能是经过多径反射过来的,导致这种方式测量的误差比较大。

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图十三:TOA测量原理TDOA测量

TDOA原理与TOA类似,利用测量TOA并相减得到TDOA。根据数学中双曲线的定义,如果1个点到另外2个点的距离之差=一个常数,那么这个点所在位置在双曲线的一支上:

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图十四:TDOA测量

定位服务器在给UE提供的辅助消息里,会包含除服务小区信息之外的2个相邻小区PRS(引入定位参考信号)信息,这样,手机就可以测量3个小区的TOA,进而得出3个TDOA的值,每一个TDOA都能确定该UE在一条双曲线上,3个TOA就确定了3条双曲线,进而可以确定1个点:

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图十五:TDOA测量双曲线定位

这种定位方式,3条双曲线确定1个点,其实就是3个双曲线函数方程求解1个(X,Y)坐标,由于每一个方程都是UE到2个小区测量结果相减,多径造成的误差值被部分消除,因此精度要比TOA高。TDOA可以是UE测量,也可以是基站测量。DL-TDOA:LTE中叫OTDOA:Observed TDOA,UE对基站下行定位参考信号PRS进行测量。UL-TDOA:Uplink-TDOA:UE发送上行探测参考信号SRS,网络侧测量到达的时间差。区分上下行如下图所示:

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图十六:DL-TDOA与UL-TDOA

2. 角度测量(UL AOA:Uplink Angle of Arrival)

UL AoA定位方法,在不同天线阵列处测量上行无线信号的UL AoA

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图十七:AOA角度测量

3. 场强测量

场强测量的定位方法可以分2种:

(a)利用强度测量得到距离的方法(也称信号传播模型法)

基本原理是利用信道传播模型描述路径损耗,进而基于信号强度来获取收发节点之间的传输距离。

缺点是,信号强度受到传播环境、天线倾角、无线系统的功率动态调整等因素,传播模型经验公式精准度有限,一般定位要求不高的场景才用该方法实现移动终端定位。

(b)利用场强作为指纹特征值,如WiFi信号强度、地磁强度等等。指纹定位一般分两大步骤,指纹采集离线训练,以及在线定位指纹匹配。

缺点,建立指纹特征库需要大量的指纹采集测量,且对场强的测量精度、稳定性有很高的要求,要求数据库可以快速更新和高效维护管理。

五、5G定位 What’s new?

以上这些常用的无线定位方法,在4G时代就已经在使用,3GPP目前正专注于把各种4G LTE定位方法组合带到5G。需要再次强调,不管是4G LTE,还是5G NR,蜂窝无线定位方法都主要用于对于GNSS定位的补充或者说辅助,在终端不支持RTK技术时,用于提高GNSS定位的速度和精确度。

而5G Rel-16相对于4G,在使用无线定位技术时会有哪些优势呢?以下列出一些:

1.站点更密:一般而言,5G的频率比4G更高,移动网络运营商将可能部署更多的基站来维持覆盖范围,而站点越密,蜂窝定位UE的精度显然越高。

2.测量角度更精准:由于支持Massive MIMO波束赋形的天线单元成为5G站点的缺省配置,天线阵列测量到达角(Angle of Arrival, AoA)和出发角(Angle of Departure, AoD)更精确,提高了多径分量的辨识率,进而提高定位精确度。

3.单站定位:目前的大多数定位技术(无论是GPS还是通信定位)需要3个或4个不同的传播途径完成定位,比如手机需要同时收到3个基站或者4个卫星发射的信号,而5G能够支持一个基站完成定位,只需要将一个基站发射的信号传输给手机,手机马上将信号回传,从往返时间RTT计算出基站到手机的距离,然后通过到达角和出发角定位,实现单基站三维立体定位。这种方法相比通过之前三个基站进行定位的4G LTE定位技术有很大增强,而且具备更高灵活性。

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图十八:Rel16单基站定位

正如目前所看到的,没有任何一种单一方法能够可靠地在所有环境条件下,提供不同场景所需的定位准确度。虽然现在的GNSS解决方案能够可靠地提供高精度定位,但它们对于密集城区、室内应用有其限制,或者对于终端的要求比较高。反观5G定位解决方案,因为能与其他技术互补,可提供室内和室外环境的准确位置估算。

通过把多种蜂窝方法与非蜂窝方法,例如GNSS,地面信标系统(Terrestrial Beacon Systems, TBS),基于Wi-Fi和蓝牙的测量、以及惯性测量(Inertial Measurements, IMU,一般用于隧道场景)以最佳的方式组合在一起,混合式解决方案深具实现准确定位的潜能。额外的备用技术可增加容错性并提升整体解决方案的完整性。

由于认识到混合式定位解决方案可望实现新的应用,3GPP已把GNSS卫星信号,以及WiFi和蓝牙等地面信号纳入研究范围。在3GPP TS38.305 UE positioning in NG-RAN (Rel16)中描述了以下可以使用的方法,并且这些方法可以混合使用:

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图十九:TS38.305协议定位技术

5G Rel15并没有将工作重点放在定位技术的增强,而是延续了4G的无线定位相关技术。只是UE和E-SMLC(增强型服务移动定位中心)之间的通道从4G的网络换成了5G的网络。如图所示:

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图二十:E-UTRAN网络下的UE定位架构

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图二十一:适用于NG-RAN的UE定位架构

综上所述,混合式定位方法对于满足新兴应用的严格需求非常重要,尤其是当今的人们对于随时随地都能实现高精准度定位的期望已成常态。因此,无可避免地,各种不同技术的代表,无论是全球导航卫星系统(GNSS)、蜂窝、短距离通讯或者其他通讯技术都需共同努力,以打造更完备的定位解决方案。


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11.png【5G每日问答】2020期预发布与汇总!!!


精彩评论2

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horizon2 发表于 2020-4-30 11:17:56 | 显示全部楼层
这是我看到过的,将定位问题讲得最清楚的文章!!!

广西联通-桂林七象渠道BU-陈钧鸿 发表于 2020-5-17 19:42:26 来自手机 | 显示全部楼层
拥抱5G

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