啟動、提速、停泊……

       在雄安新區(qū)地下12米的停車場里，一輛試驗車正在進行導(dǎo)航測試。坐在車里的北京郵電大學(xué)副教授路兆銘，時刻緊盯著手機上的位置光標。

       這輛試驗車采用的是“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50萬平方米，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)讓人們的生活越來越便利。但許多人也有這樣的體驗：一旦進入地面之下的建筑物里，鋼筋水泥就會將北斗等導(dǎo)航信號屏蔽得“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(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（以下簡稱“創(chuàng)新聯(lián)合會”）秘書長張強告訴科技日報記者。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)合會幾乎嘗試了所有成熟的技術(shù)手段——

       在地庫部署藍牙點位信標，建設(shè)成本高，運維成本也高；

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

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

       有沒有成本低、效果好的技術(shù)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，解決方案還是沒有著落。

       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)常在樓道或家門口看見的一種形似“小蘑菇頭”的小天線。2020年，工業(yè)和信息化部明確，5G室內(nèi)信號要實現(xiàn)共建共享。電信運營商們將各路信號統(tǒng)一“混”入關(guān)鍵設(shè)備——合路器中，標準5G室內(nèi)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(xiàn)定位導(dǎo)航。

        “對了，把北斗信號接收下來，再借助‘小蘑菇頭’轉(zhuǎn)發(fā)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(nèi)分布系統(tǒng)的結(jié)合，為地下高精度定位導(dǎo)航打開了一扇新門。

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

       突破算法，實現(xiàn)地下精準定位

       走進北京郵電大學(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’的實驗論證就是在這里進行的。”

       將北斗信號融合到5G室內(nèi)分布系統(tǒng)，這個想法聽起來簡單，實現(xiàn)的過程卻充滿挑戰(zhàn)。

       第一個難題就是如何將北斗信號引入地下。在5G室內(nèi)分布系統(tǒng)中，傳輸著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干擾，導(dǎo)致手機無法正常通話、上網(wǎng)。

        “開始時無計可施，只能從分析兩路信號的互調(diào)干擾模型入手，找尋信號的融合算法。”路兆銘說，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(nèi)分布系統(tǒng)所需的濾波和功率參數(shù)，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。

       解決了北斗信號引入問題，又冒出導(dǎo)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(huán)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(dǎo)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。”路兆銘說，直到有一天，他在測試時偶然發(fā)現(xiàn)，北斗信號在空間中的無線反射環(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源。

       停車場內(nèi)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(shù)據(jù)模型不斷地協(xié)作校準，定位結(jié)果就會越來越精確。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，當路兆銘第一次在手機屏上看到定位光標跟著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！”路兆銘說。

       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)過一個下坡“入口”，一頭“扎”入容東片區(qū)杏秋苑地下停車場。手機上的導(dǎo)航地圖瞬時切換，箭頭指引車輛精準找到車位。

       停車場內(nèi)，既看不到錯綜復(fù)雜的布線，也沒有爬滿墻面的通信設(shè)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”在這里。

        “我們是‘地下工作者’。”項目組成員、北京郵電大學(xué)博士后初星河笑著告訴記者，從實驗驗證到現(xiàn)在近兩年，研發(fā)團隊在地下調(diào)試、改進裝備的時間超過一年。

        “在這里，千萬不可‘以貌取物’。”初星河介紹說，雖然只是在機房墻上放置幾個小盒子，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導(dǎo)入、將定位信號發(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(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，支持長達1千米的饋線傳輸，將高質(zhì)量的信號引入地下。

        “單元內(nèi)的核心器部件擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。它能將接收到的復(fù)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(dǎo)航安全。”初星河說。

       今年5月，習(xí)近平總書記在雄安新區(qū)考察時指出，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，著力打造一個沒有“城市病”的未來之城，真正把高標準的城市規(guī)劃藍圖變?yōu)楦哔|(zhì)量的城市發(fā)展現(xiàn)實畫卷。

        “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，真正實現(xiàn)導(dǎo)航‘地下一座城’。”展望未來，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、航站樓等更多場景應(yīng)用，為充分利用地下空間發(fā)揮更大作用！”