移动通信网络的通导融合,是建设综合PNT的关键一步

来源:作者:曹冲 转自上海北斗导航研究院   12天前   

2021年,北斗导航产业逐步进入的发展、创新的快车道。对于北斗产业而言,导航与通信的融合创新发展一直以来都是首当其冲的大课题。北斗系统由于其发展阶段的需要,将双向短信息服务纳入了系统服务,这是一种导航与通信结合的开端,但是真正两者的融合,应该是一体化设计开始。

 


对于空间基础设施而言,低地球轨道星座,就是一种导航与通信融合创新的机会与舞台,所谓通导遥的融合,首先应该从导航与通信融合创新着手。至于通导与遥的融合,还在遥远的未来。

 

由于低轨卫星星座尚在快速发展的阶段,因此不妨从地面蜂窝通信网络入手,看看地面蜂窝通信网络中的导航与通信的融合创新如何推动北斗产业的发展。

 

众所周知,卫星导航的应用与服务,离不开通信,特别是蜂窝移动通信将卫星导航带给千家万户,带给亿万人群,智能手机就是个典型例子。正如前些天,首批智能手机北斗检测认证的发布,就被看做是北斗导航产业规模发展的一个重要节点。随着蜂窝移动通信技术的不断演进,随着4G、5G,乃至6G的逐步出现,单个蜂窝覆盖区域越来越小,其位置精度要求也越来越高。

 

然而这不是专门用于导航的功能性网络,导航产业最为理想的发展格局,是天上一张卫星导航网,地面一张导航网,达到天空地合,室内外无缝。一直以来,使用地面无线电机会信号被认为是一个行之有效的方法。在这中间,蜂窝移动通信网络作为最适合的选项之一,已经开始付诸实用。

 


蜂窝信号由于其固有的诱人的特性而尤其受到定位、导航和授时(PNT)界的关注。

 

①丰富大量的基站

由于蜂窝电话,智能手机和平板电脑无处不在,因此蜂窝基站收发器(BTS)数量很多。随着小型小区的推出,以支持第五代(5G)无线系统,BTS的数量必将更进一步急剧增加。

 

②几何分布的多样性

通过构造的小区配置可产生良好的BTS几何形状,这与某些倾向于并置的地面发射器(例如数字电视)不同。这种几何多样性会导致精度(GDOP)因子的几何稀释度较低,从而可获得更为精准的PNT解决方案。

 

③高载波频率

当前的蜂窝载波频率范围在800 MHz至1900 MHz之间,从而能够以视线观测到精确的载波相位导航。未来的5G网络将利用30至300 GHz之间的频率,更加具有可用性。

 

④大的带宽

蜂窝信号具有较大的带宽,可产生精准的到达时间(TOA)估算值(例如,某些蜂窝长期演进(LTE)参考信号的带宽可高达20 MHz)。

 

⑤高发射功率

蜂窝信号通常在全球导航卫星系统(GNSS)信号的挑战环境中(例如,室内和城市深处的峡谷)仍然可用。从附近的蜂窝基站收到的载噪比C / N0比从GPS航天器(SV)收到的信噪比C / N0高20 dB-Hz。

 

蜂窝机会信号用于导航的导航框架


⑥可以实现免费使用

将蜂窝信号用于PNT没有部署成本,信号实际上是免费使用的。具体而言,用户设备(UE)可以在不与BTS通信的情况下“监听”已发送的蜂窝信号,从接收的信号中提取必要的PNT信息,并在本地计算导航。虽然存在其他需要在UE和BTS之间进行双向通信(即基于网络)的导航方法,但本文倾向于介绍如何实现基于UE的导航。

 

无论是否有GNSS信号,都可以使用蜂窝机会信号来产生或改善导航解决方案。在没有GNSS信号的情况下,蜂窝信号可用于以独立方式产生导航解决方案或辅助惯性导航系统(INS)当GNSS信号可用时,蜂窝信号可以与GNSS信号融合,从而获得优于独立GNSS解决方案的导航解,尤其是在垂直方向上,而后者是GNSS的软肋。

 


 

蜂窝信号不是专门用于PNT的。因此,为了将这些信号用于此目的,必须解决几个挑战问题。在过去的几年中,这一直是广泛研究的主题,以下总结了这些挑战和可能的补救措施。

 

一是蜂窝信号经过调制,随后出于非PNT的目的进行传输。这些信号比GNSS信号复杂得多,从它们中提取相关的PNT信息并不容易。最近的研究集中在推导适当的低级模型上,以从接收到的蜂窝信号中最佳地提取PNT的状态和参数。而不同传播通道对此类信号的影响是一个需要持续研究的领域。

 

二是能够接收蜂窝信号,产生导航可观测参量的接收机需要深入的研究开发。GNSS接收机在市场上有售,并且关于GNSS接收机设计的文献很多。对于蜂窝导航接收机而言并非如此。最近的文献已经发表了专门的接收机设计,用于根据接收到的蜂窝信号(例如,码相位、载波相位和多普勒频率)产生导航可观察量。

 

三是需要解决高精度时间和同步问题。GNSS SV配备有原子钟,并且实现网络化高度同步。但是,蜂窝电话塔所配备的时钟,无法与原子钟相比,是稳定性较差的振荡器(通常是恒温控制的晶体振荡器(OCXO)),并且同步性较差。这是因为通信同步要求不如PNT同步要求严格。由于这种稍微松散的同步而产生的定时误差可能会引入数十米的定位误差。研究人员一直在对此类误差进行建模,并合成可以补偿这些误差的PNT估算器。

 

四是需要建立开发导航框架。GNSS SV在导航电文中将所有必要的状态和参数发送给接收机(例如SV位置、时钟偏差、电离层模型参数等)。相反,蜂窝BTS不发送这样的信息。因此,必须开发导航框架以估计蜂窝式BTS的状态和参数(位置、时钟偏差、时钟漂移、频率稳定性等),而这不一定是先验的。已经提出了几种导航框架。一种这样的框架是具有充当映射器的专用站,该专用站知道其状态(例如,从GNSS信号),正在估计蜂窝BTS的未知状态,并与导航接收机共享这种估计。另一个框架是以无线电同时定位和映射(无线电SLAM)的方式估计接收机和蜂窝BTS的同时刻状态。

 

利用蜂窝电话网络的机会信号,形成地面一张导航网,兼或导航通信融合网是件大工程,上面只是提及若干重要问题。具体的实现牵涉到上上下下、方方面面,和宏观微观与产业市场等系列难题,需要认真研究,部署落实。导航通信真正融合之日,就是无所不在的泛在导航成功之时,因此在未来的五至十年内,我们能够把导航通信融合做好,并且把相关产业做强做大,则善莫大焉。