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研发协同精密定位技术 提供精准、快速、泛在定位

2020-05-20

 

导航与位置服务是人类社会生活的基本需求,实时、精准、完备的位置服务正在从孤立的区域延伸到无缝的全域,从行业的特定有限需求走向大众的频繁连续需求。针对位置服务的发展态势,从服务范围延伸方面,需要解决高楼林立的城市地区、室内等复杂空间环境的泛在定位问题,满足大众移动终端的无缝无盲区位置服务需求;从服务能力扩容方面,需要面对急速增长的数以千计的GNSS基准站、百万计的传感器、亿计的大众用户的新局面,满足大规模、多种类定位资源的聚合与互操作,满足海量、高速、频繁的位置服务请求。
在国家重点研发计划支持下,武汉大学楼益栋教授团队联合国内领域“产、学、研、用”优势单位,开展了“协同精密定位技术”(项目编号:2016YFB0501800)研究,通过新技术体制、方法创新,达到响应百亿级海量请求的高效率、高精度和零“位置盲区”的位置服务目标,为大众用户提供广域范围不同场景下的智能导航定位。项目引入互联网、云计算、大数据等先进技术,发展协同精密定位技术新体制,通过云处理机制聚合以GNSS为主的各类定位资源,构建高效的、多源协同的云定位技术体系,以及“云-端协同、端-端协同”的位置服务生态,最大限度地突破各种时空障碍与信息缺乏,协作、高效、精准地完成用户的高精度位置服务请求。项目从平台架构设计、定位资源聚合、云定位关键技术突破、服务平台研制、用户创新应用等开展,构成“服务平台-共性关键技术-应用示范”。
 
1 协同精密定位系统与服务平台
协同精密定位系统与服务平台基于云计算逻辑、云服务模式,设计与构建高可靠、高可扩展的协同精密定位服务平台架构;聚合以GNSS为主的各类定位资源;突破定位资源互联互通互操作、虚拟化、分布式处理、抗干扰等核心关键技术;建立高可用、高安全的、性能分级的精密位置服务平台;制定第三方服务标准接口与协议,形成开放、共享的生态系统环境,提供大众用户个性化与智能化应用服务。目前,协同精密定位位置服务平台每天响应500亿次请求,并通过百度地图开发者平台,与位置服务开发者、应用APP实现无缝对接。
 
2 网络辅助北斗/GPS位置服务平台
在项目研究成果支撑下,项目参与单位中国信息通信研究院研制了网络辅助北斗位置服务平台,该平台通过将可见卫星、历书、星历、轨道位置等辅助信息经地面移动通信网络的方式传递给GNSS接收机,辅助其进行定位。网络辅助北斗位置服务平台经过与多家芯片与终端厂家联合测试,通过服务平台进行定位能显著缩短首次定位时间,为广大厂商和民众提供稳定、高效的北斗/GPS双模定位服务,提升移动智能终端用户的导航定位性能。目前服务平台的网络辅助定位功能支持北斗/GPS双模定位、支持市面主流3G/4G移动网络制式、支持超过市面上95%的手机芯片,同时平台提供全球通用安全证书,保证了位置服务平台与终端的信息交互安全可信。
 
3 GNSS 数据实时高精度云处理系统
项目研制了GNSS 数据实时高精度云处理系统,提供广域实时高精度室外定位服务。系统实现了大规模GNSS跟踪站网实时数据处理的多节点协同工作机制与并行处理,实现了面对多节点协同处理的大规模GNSS网分块动态组网。该系统能够实时处理联合全球和我国的GNSS基准站数据,处理能力大于2 000个站。同时该系统为项目的基准站数据管理和数据处理在分布式节点任务处理中实现资源优化管理及调度提供统一的技术框架;能解决资源监控、故障恢复、资源智能分配问题并实现可视化,为高可靠、高可扩展、高容错的运行提供技术保障。系统基准站管理、分发能力已达到>2 000站,用户端时延满足1 s时延要求;分布式系统网解处理效率大幅提升,已能满足>3 000个参数的秒级更新;卫星轨道精度已能达到<10 cm精度水平,卫星钟差精度<0.2 ns,大气模型精度<50 cm;定位服务精度指标方面,实时双频定位精度达到亚分米级,实时单频定位精度达到亚米级,事后静态定位精度达到毫米级。
 
4 多源定位数据协同处理系统
围绕大众对室内外无缝精密定位的迫切需求,项目研制了多源定位数据协同处理系统,构建不同体制、不同手段智能切换的室内外协同精密定位的技术方案,重点突破多体制协同的室内外精密定位技术、多源信息深度融合定位导航处理技术、移动终端合作定位技术和面向用户的多维度智能语义化位置展示等关键技术。针对大众用户,研制了集成低成本GNSS/MEMS/WLAN/BLE/气压计/磁强计/4G等多源传感器的原型终端,研发了可在自研原型终端和智能手机上运行的大众行人多源协同室内外无缝导航软件PedNav 2.0,目前已具备多源信息融合处理能力,能实现室内、室外定位以及室内外无缝智能切换;经测试,基于自研终端和协同定位软件,融合定位算法可用性达99%以上,室外总体定位精度0.4 m左右,室内定位精度2.5 m,基于智能手机和协同定位软件,融合定位算法可用性达98%以上,室外总体定位精度23 m,室内定位精度2.5 m,轨迹无中断,平滑性好。针对城市复杂环境下的高精度车载导航应用,项目采用惯性辅助窄相关、惯性辅助长积分窄带PLL、惯性辅助FFT鉴频相结合技术,实现了20 dBHz弱信号车载动态下,伪距精度优于1 m精度,比UBLOX提高1倍。采用惯性控制NCO开环跟踪、惯性辅助环路带宽自适应调整相结合技术,实现了信号短时遮挡时伪距的连续观测和快速高精度恢复。同时在武汉大学信息学部建成了5万平米的室内外协同精密定位综合试验场,在全国主要城市的203个大型商场或交通枢纽(机场、高铁站)的重点部署区采集建立了信标(WiFi、蓝牙)和地磁指纹数据库。多源定位数据协同处理系统支持下,华为P10手机(单频)动态测试水平精度约为2.4 m。
 
5 基于协同精密定位平台的亚纳秒级授时终端
经过协同精密定位服务平台与授时终端的协同研发,项目组攻克了亚纳秒级授时终端关键技术难题,已经实现高精度授时终端的软硬件协同处理技术,研制了亚纳秒级授时终端。终端在西安国家授时中心等第三方单位进行了性能指标测试。测试结果表明,授时终端输出的1PPS标准差在一天内优于0.5 ns。该终端在北京导航定位总站与北斗时(BDT)的标准时间源进行比对,24小时稳定度达到0.28 ns,该指标基本满足项目预定目标。该指标的完成表明GNSS授时精度进入了一个新的阶段,依据GNSS系统,可以在更低成本的情况下,实现更大范围内、更高精度的授时或者时间同步精度,为我国5G下一代网络及网络安全、人工智能、智慧城市等重大战略提供强有力的支撑。
 
6 协同精密定位典型应用服务-北斗即时判
基于协同精密定位技术项目研究成果,项目与企业合作研发了全球首个高精度警保联动智慧系统-北斗即时判“警保联动智慧系统”,该系统首次采用北斗高精度亚米级定位技术且在互联网上实现商业落地的车载智慧系统。百姓发生交通事故,通过北斗即时判的“警保联动智慧系统”,交警、保险公司能快速进行交通事故的线上定责、查勘,从而实现1分钟报案、2分钟出警、3分钟处置的警保联动服务。该系统是着眼于城市智慧交通并依托互联网科技的综合解决方案,通过对事故属地限制的突破,推动全社会效率升级。通过警保联动智慧系统、智慧车险系统、车辆救援服务中心以及企业车管理平台分别联动交警、保险公司、车主、车商等各层面,从而实现事故线上定责、保险查勘、救援服务等功能。北斗即时判“警保联动智慧系统”,通过一个网联智能后视镜、一个APP、连接“三朵云”即交管云、保险云、客户云,形成出行安全管理的生态闭环。如遇事故,通过该系统可精确还原用户拍照数据、事故视频数据、高精度轨迹数据、用户驾驶行为数据,形成完整证据链。北斗即时判自在宁波上线以来,现已覆盖了当地1万台以上的车辆以及众多保险公司。