基于5G移动通信系统融合定位的关键技术与系统架构演进

第5代(5G)移动通信系统驱动着互联网应用向物联网和工业互联网的方向发展.随着各类新型终端(如增强现实/虚拟现实设备、低功耗传感器、无人化智能机器设备)接入网络,5G应用对定位服务的需求持续增长,并且在定位场景、定位精度、定位安全性等方面出现了差异化、多样化的需求.基于5G网络提供的通信能力,可以融合5G带内定位、卫星定位、视觉定位等多种定位手段,从而大幅提高复杂环境下室内外综合定位系统的覆盖范围与定位精度.本文从系统架构和关键技术两个方面介绍了5G融合定位领域研究的最新进展,重点分析了5G带内无线定位和5G融合定位的技术路线,并展望了面向6G的时空服务系统的架构演进与技术挑战.     

复杂环境下的GPS/BDS/GLONASS结合的单频RTK定位性能研究

为考察GPS/BDS/GLONASS结合的单频RTK定位模式在复杂城市环境下的定位优势,该文在香港采集一个参考站和7个流动站的GNSS数据,通过LAMBDA模糊度搜索方法和R-ratio检验得到单系统、双系统、多系统GNSS单频RTK的定位精度,分析在复杂观测环境下不同系统单频RTK定位性能.结果表明：1)在良好的观测条件下,多系统定位精度最高,双系统次之,单系统最差,都能达到厘米级的定位精度;2)在复杂环境下,部分单系统单频RTK很难实现双差定位,总体上双系统比单系统定位精度高,GLONAS＋BDS的定位精度最差,但都难以实现高精度定位;3)多系统单频RTK可定位精度最高,可用于高精度的城市导航定位;4)观测环境与GNSS单频RTK定位精度具有明显的相关性.     

结合混合OFDM技术的LED室内定位算法

现有的许多LED室内定位系统,其定位精度都受限于室内环境中的多径干扰.鉴于OFDM可在抵抗多径干扰的同时提高传输速率,提出了一种结合混合OFDM的LED室内定位算法,利用非对称限幅光OFDM调制奇载波,脉冲幅度调制-离散多音频调制技术调制偶载波的虚部,并使用接收信号强度技术确定接收机的坐标.计算了一个房间中每个点的定位误差,分析了不同系统参数对定位精度的影响,并与仅结合非对称限幅光OFDM的定位系统进行比较分析.仿真结果表明:本算法在存在多径干扰的情形下仍可实现误差低于0.2m的高精度定位,并优于仅结合非对称限幅光OFDM的室内定位算法.     

一种基于北斗和5G技术融合的复杂环境下机车定位方法

随着5G时代的到来,在当前"通(信)导(航)一体"的背景下,针对机车位置在实际应用中仅靠北斗定位而存在较大误差甚至无法定位的现状,本文基于北斗和5G定位技术的基本原理,运用改进型联邦卡尔曼滤波算法建立北斗载波相位差分定位和5G蜂窝网络定位的融合模型,与常用联邦卡尔曼滤波器相比较,可以避免因北斗接收机故障或5G通信模块故障引起的数据污染问题.在复杂环境下,最佳效果可以达到分米级,避免无法定位现象,能够实现机车定位精度的提高,为铁路机务安全监测业务提供有力的技术手段.     

室内可见光MIMO通信码间干扰分析与接收视场角优化

针对可见光MIMO通信过程中多径时延造成的码间干扰对可见光通信系统性能影响问题,采用光线追踪分析方法建立了室内系统模型及码间干扰模型,讨论了多输入多输出的室内通信环境下,不同LED布局下光学天线视场角大小对系统码间干扰及误码率的影响.研究结果表明:当数据传输速率为100Mbit/s时,存在一种LED布局使整个接收平面能满足基本通信所要求的10~(-6)误码率阈值.在此结构的基础上分析可知,随着视场角的逐渐增大,接收平面的盲区会逐渐消失,但系统码间干扰会随之增加.在接收机视场角为43°时,平均信噪比最大并能达到室内最佳覆盖,此时能有效减小多径效应及码间干扰并提高系统传输性能.     

多传感器融合的手机室内三维定位试验

以智能手机为用户端平台,利用行人航迹推算(pedestrian dead reckoning,PDR)改进算法和气压测高原理设计了三维多传感器融合定位的扩展卡尔曼滤波器,基于Android操作系统开发了手机传感器融合的室内三维定位程序。最后,利用中国矿业大学室内外无缝定位试验场进行了定位算法性能评估。结果表明,三维融合定位方法能有效抑制漂移误差,定位精度和可靠性能够满足室内应用环境的要求,且定位精度优于WiFi方法和常规PDR方法。     

矿井NLOS环境下改进UKF超宽带定位算法

由于矿井下巷道空间有限且存在弯曲,因此通信传播大多为非视距(NLOS)传播环境。传统的基于距离的无线传感网络定位技术易产生较大误差,从而导致定位精度不高。超宽带(UWB)信号具有穿透能力强、抗多径能力强的特点,能够提供较高的定位精度,因此成为NLOS环境下定位的首选。针对NLOS环境下的定位精度不高的问题,在接收信号强度(RSSI)测距和三边算法联合定位的基础上,提出以联合定位得到的初始坐标做为无迹卡尔曼滤波(UKF)算法的观测值,并对UKF的测量更新方程进行修正,使该算法能适应NLOS环境下的定位跟踪。通过仿真验证并与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法进行比较,在NLOS环境下改进的UKF定位算法,能够对目标进行实时跟踪并提高定位的精度。     

CPE非视距路径与弱信号场景下5G毫米波接收研究

5 G毫米波在逐步应用与推广,目前关于CPE在各种室内外场合5 G毫米波信号接收性能数据大多聚焦于城市街区、交通枢纽以及大型场馆等非视距路径和弱信号场景,很少涉及基站近处局部复杂环境下的场景.针对NSA网络架构环境下的CPE在基站底部非视距路径、楼梯间以及穿楼层局部孔洞拉远等相关弱信号场景多向接收室外5G毫米波基站信号...     

基于联邦Kalman滤波的Wi-Fi/GPS车辆组合定位系统

针对全球卫星定位系统(GPS)在密集城市地带、隧道、室内停车场等环境下不可用及Wi-Fi定位精度不足的问题,提出了一种Wi-Fi/GPS组合定位系统.该系统基于联邦Kalman滤波器,先通过两个并行的局部滤波器获得Wi-Fi、GPS定位子系统的局部最优估计,再由主滤波器融合得到最优全局估计.仿真结果表明:较之单独使用G...     

室内超宽带非视距协同定位算法

超宽带以其高分辨率和抗多径的特点,成为室内定位技术的突出代表．室内环境复杂,接收的定位信号中多径干扰和非视距NLOS传播,会产生严重的非视距NLOS效应,导致传统的定位算法出现较大偏差．为了克服NLOS误差的影响并得到满足室内定位的精度要求,提出将带校正因子的WLS算法和Taylor算法相结合,通过协同定位来抑制非视距误差．结果表明：在多种环境下,改进的算法都能够较好地抑制NLOS误差干扰,基本满足了室内定位的精度要求,具有健壮性强的特点．     

高动态环境下高灵敏度GPS跟踪环路算法的研究

随着用户对接收机性能要求的不断提高,GNSS接收机在高动态环境下实现高灵敏度、高定位精度的定位性能成为研究的热点。在GNSS接收机中,传统跟踪环路在高动态情况下难以满足用户对定位精度的要求。针对复杂环境下GNSS接收机定位精度不高的问题,提出了高灵敏度GPS跟踪环路算法以改善GPS接收器的定位精度,通过经典超前—滞后延迟锁定环对码延时跟踪,并结合三阶PLL对载波相位跟踪。仿真实验表明:通过对中频信号码相位和载波相位估计,避免了使用传统FLL进行频率估计引起的码延迟效应和近似误差。与传统跟踪环路相比,在动态环境下码跟踪误差明显小于传统跟踪环路。     

特大城市室内外无缝定位系统研究

随着网络环境的优化以及移动终端的普及,定位技术在物联网、军事通信以及社交网络方面都有着广泛的应用。各类LBS服务的发展现状既体现了广大人民群众在消费、社交等物质与精神两方面的需求,也是未来经济发展的重要推动力。实现上述LBS服务的前提和基础是准确、快速地对用户所处实时位置进行测定,特别是在人口稠密、高楼密布的城区环境下实现室内外高精度无缝定位。对于室外环境下的定位,全球卫星导航系统(GNSS)作为一种覆盖全球的定位手段已经得到了广泛应用。而对于室内环境,GNSS信号无法工作,无线室内定位技术逐渐成为人们关注的热点。该项目主要分为3个子课题:(1)研制城市区域室内外无缝定位信号体制与导航电文协议。(2)构建特大城市室内外定位系统。(3)研制一套以智能手机、平板电脑等为平台的移动终端三维可视化引擎和导航定位组件,都按照研究计划稳步进行中。依据项目总体技术需求,本年度开展了基于智能终端的海量三维模型数据管理和线程同步等室内精细三维模型数据调度的研究、三维实体模型辅助下的室内地形匹配与智能路径规划方法探索,以及开发了一套跨平台的智能终端三维可视化引擎系统。首先,室内外无缝定位信号体制研究已经基本完成,包括对各类室内外定位信号系统层级、传感器的界定,对各种无线定位信号特性的研究等。而对于室内定位导航电文格式设计、导航电文标准的顶层设计以及各种传输协议设计都在稳步进行中,并在中国矿业大学区域试验场进行了简单位置传输协议实现。其次,该项目根据构建特大城市室内外定位系统需要解决的信标优化部署、楼层判定、按需射频指纹采集、异构设备聚类与迁移、基于指纹相似性的地理位置聚类以及高精度定位算法等具体技术难点开展研究并提出了相应的解决方案。为了进一步提高定位精度,该项目通过理论研究和实验验证提高提出了混合高斯模型、基于公共信标集的高精度射频指纹定位算法、基于奇异值分解的射频指纹排序定位算法、基于空间相关性滤波和最小余差迭代的NLOS识别定位算法。最后,为了使室内外定位服务商用化、大众化、公共化,该项目搭建一个基于互联网的公共定位能力服务室内外定位平台。该平台由室内外定位平台、室内外定位门户、能力开放接口、手机客户端SDK等组成,是一个满足内容和应用聚合要求的业务运营管理和业务能力支撑的统一平台。     

基于数据融合技术的TDOA移动台定位方法

提出了一种移动网络条件下新的定位方法.该方法基于数据融合技术,对传统Chan算法的定位估计结果进行多层信息融合,使得仅利用多组到达时间差(TDOA)测量数据即可有效地提高移动定位的精度.方法简单实用,特别是在非视线路径(NLOS)干扰条件下,不仅定位精度高,而且显著地降低了定位失败的概率.计算机仿真结果表明,该方法对多种环境都是有效的.     

混合采用被动时反及RAKE接收的扩频水声通信方案

在多径水声信道条件下,时间反转和RAKE接收机技术是直接序列扩频通信系统利用多径能量提高通信性能的2种常用方法,但在实际环境中信道多径结构、信噪比等因素影响着时间反转技术和RAKE接收机技术的性能.针对这个问题,分析了时间反转技术和RAKE接收机抑制多径干扰的不同机制,并提出一种通过混合使用被动时反与RAKE接收来结合两者优点的扩频水声通信新方案.该方案在不同信道结构及信噪比条件下可优化选择合适的多径抑制手段从而提高系统稳健性.湖试实验表明:在高信噪比下,时间反转可利用高质量的探针信息对多径进行聚焦,在低信噪比下则通过RAKE接收机重组多径能量,从而更好地抑制多径,克服码间干扰,提高通信系统的稳健性.     

在非视距环境下数据融合的无线定位算法

从数据融合以及增加测量参数两个不同角度分别介绍了非视距环境下定位的方法.数据融合基于基站选择的方法,通过3层融合得到位置估计,而增加测量参数则是基于经典TDOA/AOA混合定位,在测量方程中加入校正因子,通过逐步迭代的方法逐步减小非视距影响,从而提高定位精度.仿真表明:非视距环境下,增加测量参数的定位精度要高于数据融合,并且方法比较简单.     

一种5G辅助地磁匹配的室内定位方法

针对地磁匹配存在误匹配、定位误差较大等情况,提出一种5G信号辅助地磁匹配的定位方法,利用5G的CSI粗定位约束地磁匹配范围,从而获得较高的定位精度。分析了5G信号和地磁匹配定位的不同特点,并利用BP神经网络对5G信号进行粗定位,再以该结果作为约束条件筛选地磁匹配区域,然后在该区域利用动态时间规整算法进行地磁匹配,实现5G辅助下的高精度地磁匹配定位。实验结果表明,基于5G的CSI的单基站定位方式的精度约为2～3 m, 5G辅助地磁匹配的组合定位可有效解决地磁误匹配问题,平均误差在1 m以内,能够满足大多场景下室内定位的需求。     

基于无监督学习的卫星NLOS信号检测方法

针对复杂环境下NLOS信号接收造成的GNSS定位精度恶化问题,提出了一种基于无监督学习的卫星NLOS信号检测方法.综合考虑了信号载噪比、伪距残差和卫星高度角对于GNSS接收信号的影响,采用k-means++聚类算法将观测数据划分为LOS、多径和NLOS三类,并对NLOS信号进行分离.使用GPS/BDS双系统伪距单点定位对信号分类效果进行了验证.结果表明,采用该方法剔除NLOS信号后定位精度得到了显著的提升.静态实验中,对1 h的数据样本进行聚类,事后定位精度提高了约30%,实时定位精度提高约12%.动态实验中,城市峡谷路段东、北、天3个方向的定位精度分别提高了27.98%、8.06%和3.66%.相较于有监督学习的分类方法,该方法简单有效、易于实现,且无需使用先验信息,能显著降低运算负荷和GNSS设备成本.与传统的阈值法以及RAIM算法相比较,该方法在改善定位的精度方面具有一定的优势.     

基于IMMPF对异型空间的室内定位算法研究

针对非视距(NLOS)传播环境的室内定位技术存在受到墙体等物体遮挡干扰,易造成无线定位精度不高、误差偏大等问题,本文提出改进的交互多模型粒子滤波(IMMPF)室内定位技术.该方法对于室内运动目标模型与噪声进行建模,并且在交互多模型(IMM)中对粒子滤波(PF)进行实时更新混合信道参数,同时对于NLOS及其LOS混合信道...     

无缝化位置信息采集技术的设计与实现

随着人类社会的进步,人们越来越关注自身的精确位置信息,以及兴趣点的定位和导航。全球卫星定位系统(GNSS)提供了有效的室外定位手段,成为很多人出行导航的必备工具。无缝化位置信息采集技术的研究顺应我国着力发展室内外无缝导航的战略需求,采用不同定位技术以达到对室内外各种定位应用的无缝覆盖,同时保证各种场景下定位技术、定位算法、定位精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接,通过建立自主可控且满足多行业和公众需求的室内外无缝定位及位置综合服务系统,推动行业应用的展开和技术标准规范的建立。其中无缝化位置信息采集技术主要包括室内外空间的定位技术切换、统一数据转换和一体化的定位数据库建立。     

一种基于时间反转的无线定位方法

针对传统的蜂窝网无线定位方法受非视距传输、信道噪声、多径干扰等因素的影响,定位精度往往会出现较大偏差的情况,提出了一种基于时间反转的无线定位方法。该方法以不同信道冲激响应的相关函数的脉冲宽度作为位置特征参数,测量移动终端到基站之间的距离,实现对移动终端的定位。实验仿真结果证明,在存在非视距传输、信道噪声、多径干扰的情况下,该方法具有较好的定位效果。