本文來自機械工業(yè)出版社出版的《智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車，融合創(chuàng)新發(fā)展之路》一書。

（一）地理位置網(wǎng)概述

古往今來，人類以及所有地球生命體的幾乎所有活動都發(fā)生在地球上，都與地球表面位置，即地理空間位置，息息相關，也都進化出了感知并記憶自己及周圍環(huán)境位置、方向、速度、時間和距離等信息的能力，比如鳥類能夠感知地球磁場和太陽光偏振光，從而確定自己的位置、方向和時間，以便在不同季節(jié)遷徙到合適的地方。古代中國，人們通過觀察太陽、月亮、星星等天體的運行，創(chuàng)立了二十四節(jié)氣、農歷等時間劃分和度量方法，為農業(yè)生產、節(jié)令變化、日常生活提供指導。人類還發(fā)明了很多時空感知的工具和技術，如指南針、地圖、日晷天文測時儀、陀螺儀和加速度計等，為遠航、探險、商貿等活動確定方向和位置。

20世紀中葉以來，隨著新一輪科技革命和產業(yè)變革快速發(fā)展，無線電、光學乃至量子測量學科推動空間信息技術（Spatial Information Technology）的成熟，以“3S”技術為代表的系統(tǒng)出現(xiàn)，極大提高了人類感知時空的效率和準確度。

“3S”指的是，遙感系統(tǒng)（Remote Sensing，RS），以電磁波與地球表面物質相互作用為基礎，利用遙感器和數(shù)據(jù)處理、分析系統(tǒng)，探測、分析和研究地球資源與環(huán)境，揭示地球表面各要素的空間分布特征和時空變化規(guī)律；全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）以衛(wèi)星為基礎，可發(fā)送高精度、全天時、全天候、連續(xù)實時的導航、定位和授時信息，讓全球各處的人可以準確感知自己所在的位置；地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息，幫助人們分析和處理現(xiàn)實世界（資源與環(huán)境）的海量地理數(shù)據(jù)。遙感系統(tǒng)提供地面屬性信息、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)確定位置、地理信息系統(tǒng)處理地面位置和屬性數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的需求提供時空位置服務，三者的融合促進了地理信息產業(yè)的大發(fā)展。

進入21世紀的二十余年時間，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術發(fā)展，逐漸滲入到地理空間智能、城市空間智能、時空大數(shù)據(jù)智能、數(shù)字孿生城市等應用領域，時空智能成為空間信息技術新的發(fā)展方向。時空智能以時空為“索引”對多源異構數(shù)據(jù)進行時空化治理和融合，并借助知識工程和人工智能算法進行智能化分析，從而挖掘知識和輔助決策。時空智能包括時空感知、認知到?jīng)Q策的多項核心技術，可應用到智慧城市、智慧交通、智慧園區(qū)、智能零售、智能地產、智能商業(yè)等多個領域[1]。

在智慧交通領域，時空信息技術與傳統(tǒng)交通基礎設施的深度融合是當前的新趨勢。以北斗系統(tǒng)的實際應用為例，能看到時空智能賦能交通出行具有如下特色和優(yōu)勢。

首先是時空一體化。時空智能技術能夠利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供全球高精度一體化時空基準，為道路等交通基礎設施提供厘米至毫米級的精準空間位置，微秒至納秒級的網(wǎng)絡時間同步服務，為汽車等交通工具提供亞米、分米、厘米級空間位置，毫秒、微秒級時間同步服務。通過時空智能技術，全球用戶可以根據(jù)場景變化自主或智能選擇，實現(xiàn)全球范圍內空間位置的精準定位、導航與時間同步。

其次為通導遙融合。利用北斗系統(tǒng)的全球定位導航、雙向通信和搜救功能，加上交通沿線“北斗+5G”地基增強的高精度時空位置服務，兼有暴風、雨、雪及雷電等氣象環(huán)境遙感功能，再與人工智能和大算力網(wǎng)絡連成一體，就構成了交通通導遙融合實時服務設施體系。這一體系可以為陸路、水路和空中各類交通工具提供實時智能數(shù)據(jù)采集、風險分析和場景識別等服務，同時與交通運控中心協(xié)同，報送交通工具的時空位置數(shù)據(jù)與事件狀況信息，輔助決策相應事件管控處置，確保交通服務質量和安全需求。

第三是智能化服務。通過規(guī)劃和建設“北斗+5G”+“AI+大算力（云中心）”，在鐵路線路側及相應大型樞紐、民航樞紐機場、高速公路和通航河道兩側、大型海港海運樞紐、電力輸送網(wǎng)、油氣能源網(wǎng)、城鄉(xiāng)上下水道的綜合管廊等沿途布設含北斗地基增強和AI云服務的網(wǎng)絡系統(tǒng)。“北斗+5G”將北斗系統(tǒng)的時空基準延伸到隧道、管廊等各類地下空間，可為傳統(tǒng)交通基礎設施提供地上、地下與北斗系統(tǒng)一致的時空基準服務。這樣，交通及能源設施產生的各類流式數(shù)據(jù)，如物流、人流、車流、船舶流、航飛流等，以及基礎設施中橋梁、隧道、大型空間構形構件的時空位置形變監(jiān)測數(shù)據(jù)等，均可被賦予精確的時空流量、流轉及變化信息。通過對這些數(shù)據(jù)的智能分析、關聯(lián)和挖掘，不僅可以對交通基礎設施的運行維護進行模型優(yōu)化和流程再造，還可以了解其中包含的各類交通、能源等經(jīng)濟和社會信息的時空規(guī)律，提升經(jīng)濟運行控制及社會治理的科學化、智能化水平。

時空位置與人工智能等信息技術的加速融合，還將使各類交通基礎設施成為從勘測、設計、施工、建造到運維管控，全生命周期的融合創(chuàng)新交通基礎設施。時空智能將不斷開拓交通發(fā)展新領域，創(chuàng)新出行服務新模式。如為未來高速磁懸浮列車路網(wǎng)的設計、建造及運維提供精準、實時、可靠的定位、導航、時統(tǒng)和通信服務，實現(xiàn)全線路智能駕駛、智慧調度和安全監(jiān)控。再如探索通用航空新領域，為低空空域提供精準管理服務，對空域內的無人機、通航飛機甚至未來空水地三棲飛行汽車等各類飛行器進行實時監(jiān)測、識別、跟蹤，以提高低空空域的容量和安全性等。無人駕駛技術方向，中國率先提出“智能網(wǎng)聯(lián)汽車+車聯(lián)網(wǎng)+高精度地圖”三大關鍵技術協(xié)同的思路。這三大技術分別包括：集成北斗系統(tǒng)時空定位、場景感知和認知技術的時空智能；“北斗+5G”構成車聯(lián)網(wǎng)提供云、邊、端協(xié)同，形成人、車、路、環(huán)境聯(lián)動的交流智能；“AI+大算力（云中心）”生成實時動態(tài)高精地圖的交通環(huán)境認知智能[2]。

時空智能技術的基礎設施是GNSS系統(tǒng)，在中國即北斗系統(tǒng)，可以提供5米精度的標準服務，超過GPS系統(tǒng)的10米標準服務精度，同時具有全球任意兩地40個漢字雙向短報文通信功能，以及中國及其周邊，一幀1000個漢字，一小時1000萬同時在線用戶的雙向通信能力。這種通信服務，也可傳送圖像和音視頻，不僅能滿足用戶群體間的信息互聯(lián)，還可實現(xiàn)時空位置互聯(lián)，使信息交流更便捷精準。北斗不僅是導航工具，更是智能的時空信息基礎設施，其可以產生海量的時空信息和時空大數(shù)據(jù)。

（二）高精度定位需求和技術

依托“3S”系統(tǒng)構建的地理位置網(wǎng)為人們提供地理位置服務（Location Based Services，LBS）。LBS通過無線電通信網(wǎng)絡（如通信運營商的4G、5G或者Wi-Fi網(wǎng)絡）或外部定位方式（如北斗定位）獲取移動終端用戶的位置信息，在GIS平臺的支持下，為用戶提供位置相關的各類信息服務（如O2O、社交、游戲等）。

（1）高精度定位需求

智能網(wǎng)聯(lián)汽車也需要位置服務。車聯(lián)網(wǎng)主要涉及三大業(yè)務應用，包括交通安全、交通效率和信息服務。對于不同業(yè)務應用，有不同的定位性能指標需求。同時，車輛作為移動的實體會經(jīng)歷不同的應用場景，包括高速公路、城市道路、封閉園區(qū)以及地下車庫等。不同的應用場景，對定位的技術要求也各不相同。典型的交通安全類業(yè)務包括交叉路口碰撞預警、緊急制動預警等；典型的交通效率業(yè)務包括車速引導、緊急車輛避讓等；典型的信息服務業(yè)務包括近場支付、地圖下載等，具體的定位性能指標如表1所示[3]。

表1?車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務定位性能指標

同時，高精度定位是實現(xiàn)無人駕駛或者遠程駕駛的基本前提，因此對定位性能的要求也非常嚴苛，其中L4/L5級自動駕駛對于定位的要求如表2所示。

表2?L4/L5級自動駕駛定位性能指標

（2）高精度定位技術

定位從場景上可分為室外定位和室內定位，從技術上大致有衛(wèi)星定位技術、局域網(wǎng)定位技術、蜂窩網(wǎng)定位技術和其他定位技術等幾類。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是應用最廣泛的室外定位系統(tǒng)。以北斗、GPS系統(tǒng)為代表的GNSS能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并且具備短報文通信能力，已經(jīng)具備區(qū)域導航、定位和授時能力，定位精度為分米、厘米級別，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。北斗三號系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，由24顆地球中圓軌道衛(wèi)星（MEO）、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和3顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）組成，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。

為提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度，滿足用戶對高精度定位的需求，出現(xiàn)了高精度衛(wèi)星定位技術。主要包括基于載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference Stations，CORS）為代表的地基增強技術、以美國廣域增強系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）為代表的區(qū)域星基增強系統(tǒng)，以及基于實時精密單點定位技術（Precise Point Positioning，PPP）的商業(yè)全球星站差分增強技術。

針對室內定位場景，廣泛使用局域網(wǎng)定位技術，Wi-Fi定位、藍牙定位是其中廣泛使用的兩種局域網(wǎng)定位技術。Wi-Fi室內定位技術按照定位方式的不同可以分為三類：基于指紋匹配的Wi-Fi定位技術、基于接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）測距的Wi-Fi定位技術和基于往返時間（Round Trip Time，RTT）測距的Wi-Fi?定位技術。Wi-Fi定位精度大約在1米至20米的范圍內，無法滿足室內亞米級定位需求。藍牙定位采用最多的是基于接收信號強度（RSS）的定位方法，室內定位精度最高可接近1米。

超寬帶（Ultra Wideband，UWB）是一種快速、安全、低功耗的無線電技術，雖然與藍牙類似，但它更準確、可靠、有效。UWB技術具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。它可以通過發(fā)送納秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，基于飛行時間（Time of Flight，ToF）技術計算無線電波返回設備的時間，進而測算設備間的距離，測距精度極高，可以達到厘米級。此外，與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，UWB系統(tǒng)具有收發(fā)時間短、抗多徑效果好、系統(tǒng)安全性高、整體功耗低等優(yōu)點。因此，UWB技術能夠應用于室內靜止或移動的人和物的快速高精度定位跟蹤與導航，近年來也開始被用于近距離精確室內定位。同時，UWB也可以應用于近距離高速數(shù)據(jù)傳輸。

基于蜂窩網(wǎng)的定位技術定位精度在5G之前只能達到米級，實際上室外基本在10米以上，室內可以達到5米。隨著5G及其演進，也成為一種高精度定位技術，5G NR提出了亞米級高精度定位需求，推動在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應用；5G-Advanced和6G更是以厘米級高精度定位為目標，并推動通信與定位感知一體化研究。5G常見的定位方式包括下行到達時間差定位（DL-TDOA）、下行離開角度定位（DL-AoD）、上行到達時間差定位（UL-TDOA）、上行到達角度定位（UL-AoA）、多小區(qū)往返時間定位（Multi-cell RTT）、增強小區(qū)標識定位（E-CID），并發(fā)展出了大量定位增強技術，具體如下：

DL-TDOA：5G R16版本引入了新參考信號，定位參考信號（Positioning Reference Signal，?PRS），用來供UE對每個基站的PRS執(zhí)行下行鏈路參考信號時間差測量。這些測量結果將上報給位置服務器。

DL-AoD（下行離開角度）：UE測量每波束/gNB的下行鏈路參考信號接收功率，然后將測量報告發(fā)送到位置服務器，位置服務器根據(jù)每個波束的下行鏈路參考信號接收功率來確定AoD，再根據(jù)AoD估計UE位置。

UL-TDOA：5G R16版本增強了信道探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS），以允許每個基站測量上行鏈路相對到達時間，并將測量結果報告給位置服務器。

UL-AOA（上行到達角度）：gNB根據(jù)UE所在的波束測量到達角度，并將測量報告發(fā)送到位置服務器。

Multi-cell RTT：gNB和UE對每個小區(qū)的信號執(zhí)行Rx-Tx時差測量。來自UE和gNB的測量報告會上報到位置服務器，以確定每個小區(qū)的往返時間并得出UE位置。

E-CID：UE對每個gNB的無線資源管理（Radio Resource Management，RRM）測量，例如下行鏈路參考信號接收功率，測量報告將發(fā)送到位置服務器。

其他定位技術包括有IMU、地磁定位、可見光定位、超聲波定位技術、SLAM等技術，也各有其應用場景。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車由于其對定位精度的高度依賴性，往往采用各種增強定位、融合定位技術。在GNSS+RTK+IMU組合定位的基礎上，融合車身信號、視覺感知信息與高精度地圖數(shù)據(jù)，可將位置、速度、時間、航向信息，以及車輛本身的方向盤轉角、輪速、轉向燈信號等，傳遞至計算單元進行實時數(shù)據(jù)融合計算，來達到優(yōu)勢互補、提高穩(wěn)定性和獲取更高精度的定位結果。

自動駕駛系統(tǒng)在定位領域的最后一道防線是IMU，主要原因如下。第一，IMU對相對和絕對位置的推演沒有任何外部依賴，是一個類似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對定位依賴于衛(wèi)星信號的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對定位依賴于感知的質量和算法的性能，而感知的質量與天氣有關，都有一定的不確定性。第二，同樣是由于IMU不需要任何外部信號，它可以被安裝在汽車底盤等不外露的區(qū)域，可以對抗外來的電子或機械攻擊；相比而言，視覺、激光和毫米波在提供相對或絕對定位時必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強光信號干擾而致盲，也容易被石子、剮蹭等意外情況損壞。第三，IMU對角速度和加速度的測量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計和方向盤轉角等冗余信息，使其輸出結果的置信度遠高于其他傳感器提供的絕對或相對定位結果。

參考文獻

[1]?維智科技.?時空人工智能賦能數(shù)字孿生城市白皮書（2021）[R]. 2021,7.

[2]?劉經(jīng)南,高柯夫.?時空人工智能賦能智慧交通[N].人民日報, 2024,2.

[3] IMT-2020(5G）推進組.?車輛高精度定位白皮書[R]. 2019,10.

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本書由吳冬升、李大成擔任主編，機械工業(yè)出版社出版。書中在分析智慧城市重點建設內容和智能網(wǎng)聯(lián)汽車重點發(fā)展內容基礎上，進一步探討智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合發(fā)展帶來的車聯(lián)網(wǎng)智能道路基礎設施、新型能源基礎設施、地理位置網(wǎng)、現(xiàn)代信息通信網(wǎng)、車城網(wǎng)平臺建設和發(fā)展情況。并且介紹智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合創(chuàng)新發(fā)展的相關案例。

吳冬升 博士