世界首創！雄安“地下城”用上了“5G+北斗”定位導航技術

啓動、提速、停泊……

在雄安新區地下12米的停車場裏，一輛試驗車正在進行導航測試。坐在車裏的北京郵電大學副教授路兆銘，時刻緊盯着手機上的位置光標。

這輛試驗車採用的是“5G+北斗”定位導航技術。目前，這一技術在雄安地下示範應用已超過50萬平方米，定位精度2米，而建設成本只有傳統地下導航技術的一半。

圖為研發團隊實地測試“5G+北斗”定位導航技術。圖片來源：北京郵電大學

迸發靈感，將天上信號導入地下

如今，日新月異的導航技術讓人們的生活越來越便利。但許多人也有這樣的體驗：一旦進入地面之下的建築物裏，鋼筋水泥就會將北斗等導航信號屏蔽得“乾乾淨淨”。

雄安新區規劃之初就提出要建設“地下一座城”，其中包括地下綜合管廊約380公里、地下停車場超2200萬平方米。“地下之城”的精準管理，離不開高精度的定位與導航，而且要求技術新、成本低，能給其他城市建設提供可複製的樣本。

“我們對比了各類既有技術方案，投資成本成為難以逾越的‘攔路虎’。”雄安新區智能城市創新聯合會（以下簡稱“創新聯合會”）秘書長張強告訴科技日報記者。研發之初，作為地下導航技術研發任務的牽頭組織單位，創新聯合會幾乎嘗試了所有成熟的技術手段——

在地庫部署藍牙點位信標，建設成本高，運維成本也高；

在室內增設北斗導航基站，高昂的設備費用承擔不起；

採用WiFi定位，不僅要部署WiFi接入點，還得投資新建一套網絡……

有沒有成本低、效果好的技術路線？張強和項目組成員圍坐在一起，不停地進行“頭腦風暴”。提議、討論、碰撞……一個多星期過去了，解決方案還是沒有着落。

一天傍晚，討論無果的3名項目組成員怏怏不樂地站在馬路邊。突然，張強的腦子裏靈光一現：為什麼不能“就地取材”，借用已有通信設施——5G室內分佈系統呢？

室內分佈系統並不神秘，就是人們經常在樓道或家門口看見的一種形似“小蘑菇頭”的小天線。2020年，工業和信息化部明確，5G室內信號要實現共建共享。電信運營商們將各路信號統一“混”入關鍵設備——合路器中，標準5G室內信號再由合路器分散給各個“小蘑菇頭”。不過，這些“小蘑菇頭”只能提供通信保障，無法實現定位導航。

“對了，把北斗信號接收下來，再借助‘小蘑菇頭’轉發出去！”

這個想法讓大家豁然開朗。受邀參與項目組的路兆銘回憶道，以前大家只是圍繞通信做文章，誰也沒想到，北斗信號和5G室內分佈系統的結合，為地下高精度定位導航打開了一扇新門。

“那天晚上，我望着夜空，影影綽綽的北斗七星格外迷人。”張強説。

突破算法，實現地下精準定位

走進北京郵電大學第三教學樓6層走廊，路兆銘指着頭頂上的線路告訴記者：“‘5G+北斗’的實驗論證就是在這裏進行的。”

將北斗信號融合到5G室內分佈系統，這個想法聽起來簡單，實現的過程卻充滿挑戰。

第一個難題就是如何將北斗信號引入地下。在5G室內分佈系統中，傳輸着3家電信運營商各自的3G/4G/5G等多路通信信號，如果再加上一路北斗信號，原有通信信號可能會被幹擾，導致手機無法正常通話、上網。

“開始時無計可施，只能從分析兩路信號的互調幹擾模型入手，找尋信號的融合算法。”路兆銘説，通信與北斗是兩類信號，但也不是互不兼容的“冤家對頭”。團隊成員通過計算，得到北斗信號匯入5G室內分佈系統所需的濾波和功率參數，再通過寬頻多路信號的共享鏈路傳輸，成功將北斗信號引入地下。

圖為路兆銘和項目組成員正在進行實驗。圖片來源：北京郵電大學

解決了北斗信號引入問題，又冒出導航定位精度問題。在室外利用北斗信號進行定位的精度約為10米，但這個精度在地下環境遠遠不夠。因為地下停車場的兩個相鄰路口距離往往都不足10米，如果精度不提高，定位導航必然有誤。

“這個問題困擾了我們一年多，那段時間大家嘗試了超過100個不同類型的算法，但定位精度都不理想。”路兆銘説，直到有一天，他在測試時偶然發現，北斗信號在空間中的無線反射環境存在靜態特徵，可以藉此構建數據模型，提供更多的位置觀測源。

停車場內各個終端的單一信息雖然不精準，但是將多方信息收集到一起，通過數據模型不斷地協作校準，定位結果就會越來越精確。定位導航策略由“單兵作戰”提升為“多終端協同作戰”，一套擁有自主知識產權的定位算法也由此誕生。

圖為研發團隊正在進行地下定位導航測試。圖片來源：北京郵電大學

2022年6月，在雄安新區的地下停車場，當路兆銘第一次在手機屏上看到定位光標跟着自己腳步一步一步挪動時，他興奮地跳了起來。

“這證明我們的定位算法和方案，在實際場景中是行得通的！”路兆銘説。

首創設備，扭住自主創新“牛鼻子”

在雄安新區，記者乘車經過一個下坡“入口”，一頭“扎”入容東片區杏秋苑地下停車場。手機上的導航地圖瞬時切換，箭頭指引車輛精準找到車位。

停車場內，既看不到錯綜複雜的佈線，也沒有爬滿牆面的通信設備，只在通道拐角處建有一個不足10平方米的機房，大量裝備都被集約“隱藏”在這裏。

“我們是‘地下工作者’。”項目組成員、北京郵電大學博士後初星河笑着告訴記者，從實驗驗證到現在近兩年，研發團隊在地下調試、改進裝備的時間超過一年。

“在這裏，千萬不可‘以貌取物’。”初星河介紹説，雖然只是在機房牆上放置幾個小盒子，但它們就像地下導航系統的“心臟”。合路器、5G室內分佈單元、北斗室內分佈單元，正是依靠這些核心裝置，才能成功將北斗信號導入、將定位信號發出。

這些裝置中，北斗室內分佈單元是世界首創。北斗衞星信號從超20000千米的高空來到地面，信號強度極弱，再將其引入地下機房，信號強度會進一步衰減。項目團隊創新研製出北斗室內分佈單元的接收模塊，可以放大北斗信號，支持長達1千米的饋線傳輸，將高質量的信號引入地下。

“單元內的核心器部件擁有完全自主知識產權。它能將接收到的複雜信號層層過濾，去除無用信號，增強有用信號，還能將惡意攻擊信號屏蔽在外，保障導航安全。”初星河説。

今年5月，習近平總書記在雄安新區考察時指出，要在建設立體化綜合交通網絡上下功夫，在充分利用地下空間上下功夫，着力打造一個沒有“城市病”的未來之城，真正把高標準的城市規劃藍圖變為高質量的城市發展現實畫卷。

“2025年，‘5G+北斗’導航將覆蓋雄安新區所有已建成地下停車場，真正實現導航‘地下一座城’。”展望未來，路兆銘滿懷期待，“我們希望該技術推廣至礦區、交通樞紐、航站樓等更多場景應用，為充分利用地下空間發揮更大作用！”

（科技日報記者 何亮）