啟動(dòng)、提速、停泊……

在雄安新區(qū)地下12米的停車場(chǎng)里，一輛試驗(yàn)車正在進(jìn)行導(dǎo)航測(cè)試。坐在車?yán)锏谋本┼]電大學(xué)副教授路兆銘，時(shí)刻緊盯著手機(jī)上的位置光標(biāo)。

這輛試驗(yàn)車采用的是“5G+北斗”定位導(dǎo)航技術(shù)。目前，這一技術(shù)在雄安地下示范應(yīng)用已超過(guò)50萬(wàn)平方米，定位精度2米，而建設(shè)成本只有傳統(tǒng)地下導(dǎo)航技術(shù)的一半。

迸發(fā)靈感，將天上信號(hào)導(dǎo)入地下

如今，日新月異的導(dǎo)航技術(shù)讓人們的生活越來(lái)越便利。但許多人也有這樣的體驗(yàn)：一旦進(jìn)入地面之下的建筑物里，鋼筋水泥就會(huì)將北斗等導(dǎo)航信號(hào)屏蔽得“干干凈凈”。

雄安新區(qū)規(guī)劃之初就提出要建設(shè)“地下一座城”，其中包括地下綜合管廊約380公里、地下停車場(chǎng)超2200萬(wàn)平方米。“地下之城”的精準(zhǔn)管理，離不開(kāi)高精度的定位與導(dǎo)航，而且要求技術(shù)新、成本低，能給其他城市建設(shè)提供可復(fù)制的樣本。

“我們對(duì)比了各類既有技術(shù)方案，投資成本成為難以逾越的‘攔路虎’。”雄安新區(qū)智能城市創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)”）秘書(shū)長(zhǎng)張強(qiáng)告訴科技日?qǐng)?bào)記者。研發(fā)之初，作為地下導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)任務(wù)的牽頭組織單位，創(chuàng)新聯(lián)合會(huì)幾乎嘗試了所有成熟的技術(shù)手段——

在地庫(kù)部署藍(lán)牙點(diǎn)位信標(biāo)，建設(shè)成本高，運(yùn)維成本也高；

在室內(nèi)增設(shè)北斗導(dǎo)航基站，高昂的設(shè)備費(fèi)用承擔(dān)不起；

采用WiFi定位，不僅要部署WiFi接入點(diǎn)，還得投資新建一套網(wǎng)絡(luò)……

有沒(méi)有成本低、效果好的技術(shù)路線？張強(qiáng)和項(xiàng)目組成員圍坐在一起，不停地進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”。提議、討論、碰撞……一個(gè)多星期過(guò)去了，解決方案還是沒(méi)有著落。

一天傍晚，討論無(wú)果的3名項(xiàng)目組成員怏怏不樂(lè)地站在馬路邊。突然，張強(qiáng)的腦子里靈光一現(xiàn)：為什么不能“就地取材”，借用已有通信設(shè)施——5G室內(nèi)分布系統(tǒng)呢？

室內(nèi)分布系統(tǒng)并不神秘，就是人們經(jīng)常在樓道或家門(mén)口看見(jiàn)的一種形似“小蘑菇頭”的小天線。2020年，工業(yè)和信息化部明確，5G室內(nèi)信號(hào)要實(shí)現(xiàn)共建共享。電信運(yùn)營(yíng)商們將各路信號(hào)統(tǒng)一“混”入關(guān)鍵設(shè)備——合路器中，標(biāo)準(zhǔn)5G室內(nèi)信號(hào)再由合路器分散給各個(gè)“小蘑菇頭”。不過(guò)，這些“小蘑菇頭”只能提供通信保障，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。

“對(duì)了，把北斗信號(hào)接收下來(lái)，再借助‘小蘑菇頭’轉(zhuǎn)發(fā)出去！”

這個(gè)想法讓大家豁然開(kāi)朗。受邀參與項(xiàng)目組的路兆銘回憶道，以前大家只是圍繞通信做文章，誰(shuí)也沒(méi)想到，北斗信號(hào)和5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的結(jié)合，為地下高精度定位導(dǎo)航打開(kāi)了一扇新門(mén)。

“那天晚上，我望著夜空，影影綽綽的北斗七星格外迷人。”張強(qiáng)說(shuō)。

突破算法，實(shí)現(xiàn)地下精準(zhǔn)定位

走進(jìn)北京郵電大學(xué)第三教學(xué)樓6層走廊，路兆銘指著頭頂上的線路告訴記者：“‘5G+北斗’的實(shí)驗(yàn)論證就是在這里進(jìn)行的。”

將北斗信號(hào)融合到5G室內(nèi)分布系統(tǒng)，這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)的過(guò)程卻充滿挑戰(zhàn)。

第一個(gè)難題就是如何將北斗信號(hào)引入地下。在5G室內(nèi)分布系統(tǒng)中，傳輸著3家電信運(yùn)營(yíng)商各自的3G/4G/5G等多路通信信號(hào)，如果再加上一路北斗信號(hào)，原有通信信號(hào)可能會(huì)被干擾，導(dǎo)致手機(jī)無(wú)法正常通話、上網(wǎng)。

“開(kāi)始時(shí)無(wú)計(jì)可施，只能從分析兩路信號(hào)的互調(diào)干擾模型入手，找尋信號(hào)的融合算法。”路兆銘說(shuō)，通信與北斗是兩類信號(hào)，但也不是互不兼容的“冤家對(duì)頭”。團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)計(jì)算，得到北斗信號(hào)匯入5G室內(nèi)分布系統(tǒng)所需的濾波和功率參數(shù)，再通過(guò)寬頻多路信號(hào)的共享鏈路傳輸，成功將北斗信號(hào)引入地下。

解決了北斗信號(hào)引入問(wèn)題，又冒出導(dǎo)航定位精度問(wèn)題。在室外利用北斗信號(hào)進(jìn)行定位的精度約為10米，但這個(gè)精度在地下環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因?yàn)榈叵峦＼噲?chǎng)的兩個(gè)相鄰路口距離往往都不足10米，如果精度不提高，定位導(dǎo)航必然有誤。

“這個(gè)問(wèn)題困擾了我們一年多，那段時(shí)間大家嘗試了超過(guò)100個(gè)不同類型的算法，但定位精度都不理想。”路兆銘說(shuō)，直到有一天，他在測(cè)試時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，北斗信號(hào)在空間中的無(wú)線反射環(huán)境存在靜態(tài)特征，可以借此構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，提供更多的位置觀測(cè)源。

停車場(chǎng)內(nèi)各個(gè)終端的單一信息雖然不精準(zhǔn)，但是將多方信息收集到一起，通過(guò)數(shù)據(jù)模型不斷地協(xié)作校準(zhǔn)，定位結(jié)果就會(huì)越來(lái)越精確。定位導(dǎo)航策略由“單兵作戰(zhàn)”提升為“多終端協(xié)同作戰(zhàn)”，一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定位算法也由此誕生。

2022年6月，在雄安新區(qū)的地下停車場(chǎng)，當(dāng)路兆銘第一次在手機(jī)屏上看到定位光標(biāo)跟著自己腳步一步一步挪動(dòng)時(shí)，他興奮地跳了起來(lái)。

“這證明我們的定位算法和方案，在實(shí)際場(chǎng)景中是行得通的！”路兆銘說(shuō)。

首創(chuàng)設(shè)備，扭住自主創(chuàng)新“牛鼻子”

在雄安新區(qū)，記者乘車經(jīng)過(guò)一個(gè)下坡“入口”，一頭“扎”入容東片區(qū)杏秋苑地下停車場(chǎng)。手機(jī)上的導(dǎo)航地圖瞬時(shí)切換，箭頭指引車輛精準(zhǔn)找到車位。

停車場(chǎng)內(nèi)，既看不到錯(cuò)綜復(fù)雜的布線，也沒(méi)有爬滿墻面的通信設(shè)備，只在通道拐角處建有一個(gè)不足10平方米的機(jī)房，大量裝備都被集約“隱藏”在這里。

“我們是‘地下工作者’。”項(xiàng)目組成員、北京郵電大學(xué)博士后初星河笑著告訴記者，從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到現(xiàn)在近兩年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在地下調(diào)試、改進(jìn)裝備的時(shí)間超過(guò)一年。

“在這里，千萬(wàn)不可‘以貌取物’。”初星河介紹說(shuō)，雖然只是在機(jī)房墻上放置幾個(gè)小盒子，但它們就像地下導(dǎo)航系統(tǒng)的“心臟”。合路器、5G室內(nèi)分布單元、北斗室內(nèi)分布單元，正是依靠這些核心裝置，才能成功將北斗信號(hào)導(dǎo)入、將定位信號(hào)發(fā)出。

這些裝置中，北斗室內(nèi)分布單元是世界首創(chuàng)。北斗衛(wèi)星信號(hào)從超20000千米的高空來(lái)到地面，信號(hào)強(qiáng)度極弱，再將其引入地下機(jī)房，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步衰減。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研制出北斗室內(nèi)分布單元的接收模塊，可以放大北斗信號(hào)，支持長(zhǎng)達(dá)1千米的饋線傳輸，將高質(zhì)量的信號(hào)引入地下。

“單元內(nèi)的核心器部件擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。它能將接收到的復(fù)雜信號(hào)層層過(guò)濾，去除無(wú)用信號(hào)，增強(qiáng)有用信號(hào)，還能將惡意攻擊信號(hào)屏蔽在外，保障導(dǎo)航安全。”初星河說(shuō)。

今年5月，習(xí)近平總書(shū)記在雄安新區(qū)考察時(shí)指出，要在建設(shè)立體化綜合交通網(wǎng)絡(luò)上下功夫，在充分利用地下空間上下功夫，著力打造一個(gè)沒(méi)有“城市病”的未來(lái)之城，真正把高標(biāo)準(zhǔn)的城市規(guī)劃藍(lán)圖變?yōu)楦哔|(zhì)量的城市發(fā)展現(xiàn)實(shí)畫(huà)卷。

“2025年，‘5G+北斗’導(dǎo)航將覆蓋雄安新區(qū)所有已建成地下停車場(chǎng)，真正實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航‘地下一座城’。”展望未來(lái)，路兆銘滿懷期待，“我們希望該技術(shù)推廣至礦區(qū)、交通樞紐、航站樓等更多場(chǎng)景應(yīng)用，為充分利用地下空間發(fā)揮更大作用！”（來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)；作者：何亮）