衛(wèi)星導航技術日新月異，進入定位，導航，移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的多源信息融合新時代。5G 通訊技術以其定位服務的小區(qū)域密集化和大規(guī)模陣列天線等技術為導航通訊一體化奠定了基礎。2019 年 5G 進入商用元年，幾大運營商已經(jīng)在北京、上海、廣州、杭州等地進行了嘗試。
與 4G 相比 5G 具有更快的速度、更低的延時、更低的消耗。因此，將衛(wèi)星導航與移動通訊技術集合在一起的集成技術正逐漸成為相關科研人員的研究方向。隨著 5G 移動通訊技術的發(fā)展，衛(wèi)星導航與 5G 移動通訊技術的結合已是大勢所趨。隨之而來的是衛(wèi)星導航和 5G 移動通訊技術如何結合，怎樣更有效的結合的問題。
本文簡要介紹了衛(wèi)星導航與 5G 移動通訊技術及其融合的方式。闡述了衛(wèi)星導航與 5G 通訊技術的融合在位置信息服務中的應用。描述了衛(wèi)星導航與 5G 技術融合的應用并對其發(fā)展進行了展望。
01
引 言
衛(wèi)星導航是事關國家發(fā)展的重要技術體系之一[1]，覆蓋測繪、智能交通、位置信息服務與挖掘和災害監(jiān)測預警等各種應用領域。目前，隨著5G移動通訊技術的飛速發(fā)展，其與衛(wèi)星導航相融合的技術也在不斷發(fā)展。衛(wèi)星導航和5G移動通信系統(tǒng)的集成可以使得導航和通信之間相互補充，相互促進，從而為用戶提供更加穩(wěn)定可靠的服務[2]。
衛(wèi)星導航和5G移動通信融合技術一方面可以利用5G移動通信技術極大地提高衛(wèi)星導航的速度和準確性，另一方面可以利用導航技術提高移動通信能力。而且在位置信息服務中衛(wèi)星導航與移動通訊技術都扮演著極為重要的角色，兩者的結合勢必會為更準確、高效的位置信息服務錦上添花。
02
衛(wèi)星導航、5G與位置服務概述
2.1 衛(wèi)星導航
衛(wèi)星導航（Satellite navigation）是指采用導航衛(wèi)星對地面、海洋、空中和空間用戶提供導航和定位服務的技術。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）通常是指世界上正在運行和規(guī)劃中的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前一共有四個，即美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格羅納什定位系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）。衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要由三部分組成：空間星座部分、地面測控部分以及用戶部分[3]。
與傳統(tǒng)測繪手段相比，衛(wèi)星導航具有可全天候、全球性的導航定位；高精度、高速度精確導航定位；操作方便、用途廣泛等優(yōu)點?，F(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)以其強大的現(xiàn)實功能，融入了社會生活的方方面面，成為多個領域的支撐性技術， 在未來，現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展必然也會成為推動各領域變革的強大動力[4]。
2.2 5G移動通訊技術
第五代移動通訊技術（5th generation mobile networks，簡稱5G）是最新一代的移動通訊技術，也是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)的拓展與延伸。5G通訊技術與4G通訊技術的最本質的區(qū)別在于5G的網(wǎng)絡會讓用戶始終處于線上狀態(tài)，網(wǎng)絡的使用已經(jīng)不單單局限在手機上，一切智能設備例如智能手表、健身用具、智能家庭設備等都可以連接5G網(wǎng)絡，將網(wǎng)絡便利提供給更多方面的設備和儀器當中[5]。
此外5G技術具有強大的包容性，可與多種現(xiàn)有或將有的無線傳輸技術和功能網(wǎng)絡融合到一起，包括傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡技術、大規(guī)模MIMO技術、基于濾波器組的多載波技術（FBMC,filter-bank based multicarrier）、無線局域網(wǎng)、和雙全工技術等[6]。
5G通信技術以其自身的核心技術和優(yōu)勢，在通信性能、即時傳輸、無線網(wǎng)絡覆蓋范圍等方面將會為用戶帶來更加良好的使用體驗，尤其在依托先進的無線移動網(wǎng)絡技術之后，5G移動通信技術也將實現(xiàn)專業(yè)化、智能化、全面化的發(fā)展，更好的提升網(wǎng)絡連接的高效性和穩(wěn)定性[7]。
2.3 位置服務
位置服務（LBS，Location Based Services）又稱定位服務，是基于位置的服務[8]，它通過電信移動運營商的無線電通訊網(wǎng)絡（例如GSM網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡、CDMA網(wǎng)和LTE網(wǎng)）或外部定位方式（例如GNSS）獲取移動端用戶的位置信息（地理坐標，或者大地坐標）。
在地理信息系統(tǒng)（Geographic InformationSystem,GIS）平臺的支持下，為用戶提供了一種與位置相關的服務。LBS的基本內(nèi)容是：你在哪（空間信息）；和誰在一起（社會信息）；旁邊有什么（社會信息）。位置服務是由蜂窩移動通信發(fā)展起來的，最初提出的定位功能基本是依靠移動通訊基站的定位方法。
但是僅僅在市區(qū)基站分布比較密集的地方，才能夠保證百米級的精度，在郊外基站分布稀疏的情況下，無法保證其定位精度。后來接納GPS作為LBS定位技術之一，將移動通訊定位方法與GPS定位方法融合互補才將定位范圍逐漸提高，隨著GPS技術的發(fā)展，位置服務的定位精度也隨之逐漸提高。
2.4 研究背景及意義
據(jù)統(tǒng)計，人們?nèi)粘Ｉ钪?0%的信息與位置相關，因此位置信息已經(jīng)成為人們最需要的信息之一。而獲取位置信息的位置服務主要取決于移動通訊技術和GNSS技術。近年來，隨著衛(wèi)星導航技術的不斷發(fā)展，已進入定位、導航、移動通信和互聯(lián)網(wǎng)等多源信息集成的新時代。2019年5G進入商用元年，幾大運營商已經(jīng)在北京、上海、廣州、杭州等地進行了嘗試。與4G相比5G具有更快的速度、更低的延時、更低的消耗。
因此，將衛(wèi)星導航與移動通訊技術集成在一起的集成技術正逐漸成為相關科研人員的研究方向。導航與通訊技術互補從而實現(xiàn)室內(nèi)室外導航定位一體化正是位置服務未來的發(fā)展方向。衛(wèi)星導航精度高，適用于開闊無遮擋地區(qū)，在市區(qū)建筑物密集地區(qū)作用有限。而移動通訊技術在其覆蓋的地方均可實現(xiàn)定位，但是在戶外人煙稀少地區(qū)，由于基站稀少，其定位精度和能力都有所降低。另外，在移動通訊技術的支持下，衛(wèi)星導航能夠提高室內(nèi)定位能力和一定的通訊能力。而對于移動通訊，衛(wèi)星導航技術也能增強其通信能力。兩者相互融合可謂是如虎添翼，潛力無窮。
03
基于5G的A-GNSS技術
3.1 衛(wèi)星導航與5G移動通訊技術的融合
在現(xiàn)階段衛(wèi)星導航與5G移動通信融合框架的研究中，主要對其三個層面進行分析[9]。首先是兩者之間的硬件統(tǒng)一問題。深入分析兩者內(nèi)部結構，并在此基礎上找到共同點。其次是兩者間的協(xié)議統(tǒng)一問題，由于衛(wèi)星導航和移動通訊屬于不同的操作系統(tǒng)，因此需要兩方相關人員制定合理的實施計劃。最后是兩者之間的物理層面集成架構的問題。
理論來講衛(wèi)星導航技術與5G移動通訊技術融合主要從兩個方面看待：
① 可以通過地面通信系統(tǒng)與通信衛(wèi)星提升導航系統(tǒng)；
② 利用衛(wèi)星導航技術增強通信能力，進而提升用戶體驗[10]。
3.2 基于5G的A-GNSS技術
由于衛(wèi)星信號只有在郊外無遮擋物的情況下定位精度才可以得到保證。而在市區(qū)高樓林立， 接收機接收到的信號會存在嚴重的多路徑效應，信號質量無法保證。A-GNSS就是通過提供導航衛(wèi)星的歷書、星歷、頻率范圍、標準時間和近似位置等輔助信息，使GNSS接收機在接收之前就知道要接收的頻率范圍，然后輔助計算數(shù)據(jù)再提供用來解算GNSS用戶位置的衛(wèi)星所在位置。總之可以減少初始定位時間、提高接收機靈敏度、減少接收機能量損耗、加快位置解算，提高定位精度、提高定位性能[11]。A-GNSS的基本原理圖如圖1所示。
圖 1.A-GNSS 基本原理
基于5G的 A-GNSS 由 C-RAN（Centralized，Cooperative，Cloud and clean RAN）網(wǎng)絡和 A-GNSS兩部分組成。C- RAN 的目標是追求可持續(xù)的業(yè)務和利潤增長，以便運營商解決移動網(wǎng)絡能耗，運營成本和資源整合的快速增長帶來的多重挑戰(zhàn)。C-RAN 的基本結構圖如圖 2 所示?；?5G 的 C-RAN 由遠端無線射頻單元和天線組成的 RRU 部署、集中式亟待處理池（BBU 池）本地 C-RAN 以及后臺云服務器三部分組成[12]。
2. A-GNSS 系統(tǒng)架構
基于 5G 的 A-GNSS 的基本原理就是將 5G 移動通訊技術與 A-GNSS 系統(tǒng)深度融合，讓兩者的定位和通訊功能互相取長補短，從而更加高效的獲取所需的位置信息。首先用戶的 A-GNSS 接收器終端向衛(wèi)星服務器發(fā)送定位請求，使用基于 5G 的 C-RAN 網(wǎng)絡快速查詢可供使用的衛(wèi)星信息，并將歷書、星歷、頻率范圍、標準時間和近似位置等輔助信息通過 5G 網(wǎng)絡迅速地傳輸給接收機。接收機再根據(jù)輔助數(shù)據(jù)和捕獲的衛(wèi)星信號計算定位結果。
3.3 在位置服務中的應用
目前，位置服務除了基本的確定用戶的地理位置，還包括車載導航、緊急求助、物流管理和商業(yè)服務等方面[13]，這些服務也逐漸成熟，為人們的生活帶來便利。但位置服務技術在室內(nèi)定位、數(shù)據(jù)挖掘、信息的管理和調(diào)度能力等方面還略有欠缺。隨著基于5G的A-GNSS技術的發(fā)展，在定位手段上，將能夠綜合使用衛(wèi)星、5G大規(guī)模陣列基站和無線局域網(wǎng)等多種定位技術；在定位范圍上，將不再局限于戶外空曠環(huán)境，而是可以實現(xiàn)室內(nèi)室外全方位的一體化定位服務，確保何時何地都可以提供用戶所需的位置信息。
04
GNSS與5G融合的應用
4.1 智慧城市
智慧城市（Smart City）是指綜合使用各種信息技術和創(chuàng)新概念，將城市看作一個整體，促進城市向著更加科學更加智能的方向發(fā)展，以提高資源運用率，優(yōu)化城市管理和服務，提升市民的生活質量。在智慧城市的建設中會用到很多不同的技術，如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、衛(wèi)星導航等技術[14]，借助這些不同的技術加快人與人之間的信息交流。
智慧城市結構如圖3所示，5G與GNSS在其中發(fā)揮著舉足輕重的作用。5G不僅能夠提供極致的網(wǎng)速，也開啟了萬物互聯(lián)的時代，滲透至各個行業(yè)，與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等跨產(chǎn)業(yè)融合創(chuàng)新[15]，將極大的增強智慧城市的通信網(wǎng)絡部分。
GNSS中的北斗導航系統(tǒng)在5G的背景下作為信息數(shù)據(jù)定位傳輸?shù)闹匾侄?，在智慧城市感知網(wǎng)絡的建設中發(fā)揮著諸如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、保障城市交通和電力監(jiān)測等重要作用。
圖 3. 智慧城市結構
4.2 無人駕駛
隨著5G移動通訊、車連網(wǎng)等技術的發(fā)展，多學科多領域的技術結合產(chǎn)生的融合技術層出不窮，無人駕駛技術的研究也逐漸步入正軌。無人駕駛是指用過車載傳感系統(tǒng)感知周圍的道路情況，自行規(guī)劃出行路線控制車輛到達目的地的智能汽車[16]?？梢詷O大程度上減輕諸如疲勞駕駛、酒后駕駛、闖紅燈等違法行為帶來的交通事故，為人們可以更好的生活服務。
而傳統(tǒng)依靠衛(wèi)星圖片的電子導航地圖精度只有5m左右，遠遠不能滿足無人駕駛汽車的需求。這就需要事先通過裝有視覺傳感器的數(shù)據(jù)采集車采集數(shù)據(jù)，線下將數(shù)據(jù)處理成精度可達厘米級的高清地圖，依靠5G技術的高網(wǎng)速低延時實時的傳輸給無人駕駛汽車使用。此外在諸如隧道等導航信號丟失或很弱的情況下，可以用5G的大面積陣列天線暫時填補導航的空缺，與慣性傳感器、視覺傳感器、電子指南針配合組成一個萬無一失的組合[17]。
05
總 結
本文首先對于衛(wèi)星導航、5G移動通訊技術和位置定位進行簡要概述。然后在結合衛(wèi)星導航和5G移動通訊技術的基礎上介紹了基于5G的A-GNSS技術以及基于5G的A-GNSS技術在位置服務中的應用。衛(wèi)星導航和5G技術在現(xiàn)階段不僅對國家的發(fā)展不可或缺，而且對于國家是否能夠掌握國際話語權彌足輕重。將衛(wèi)星導航與5G移動通訊技術相融合并運用于位置定位服務是大勢所趨，能在很大程度上提高定位的精度，實現(xiàn)實時定位，為智慧城市的建設添磚加瓦。相信隨著這項技術的不斷進步會為國家的建設發(fā)展和人們的生活水平帶來重要影響。
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