融合創(chuàng)新是當(dāng)今世界科技創(chuàng)新的主旋律，也是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)。對(duì)于北斗時(shí)空而言，導(dǎo)航與通信融合創(chuàng)新是首當(dāng)其沖的大課題、大主題。北斗系統(tǒng)由于其發(fā)展階段的需要，將雙向短信息服務(wù)納入了系統(tǒng)服務(wù)，這是一種導(dǎo)航與通信結(jié)合的開端，但是真正兩者的融合，應(yīng)該是一體化設(shè)計(jì)開始，所要考慮的層面要深入廣泛的多。從空間基礎(chǔ)設(shè)施而言，低地球軌道星座，就是一種導(dǎo)航與通信融合創(chuàng)新的機(jī)會(huì)與舞臺(tái)，所謂通導(dǎo)遙的融合，首先應(yīng)該從導(dǎo)航與通信融合創(chuàng)新著手，這是切實(shí)可行的發(fā)展途徑。而“遙”的融合，可能真正有點(diǎn)遙遠(yuǎn)的感覺(jué)。

在本文中，我們所討論的內(nèi)容不是低軌衛(wèi)星星座中的導(dǎo)航與通信的融合創(chuàng)新，而是地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)航與通信的融合創(chuàng)新。眾所周知，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用與服務(wù)，離不開通信，特別是蜂窩移動(dòng)通信將衛(wèi)星導(dǎo)航帶給千家萬(wàn)戶，帶給億萬(wàn)人群，智能手機(jī)就是個(gè)典型例子，哪個(gè)智能手機(jī)能夠無(wú)視衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星導(dǎo)航是智能手機(jī)的標(biāo)配，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。反之，蜂窩移動(dòng)通信能夠離開導(dǎo)航，確切地說(shuō)能夠離開位置服務(wù)嗎？實(shí)際上也是萬(wàn)萬(wàn)不能的，而且每當(dāng)發(fā)起移動(dòng)通信時(shí)，必須報(bào)出自己的位置，這是必不可少的規(guī)定動(dòng)作。當(dāng)然，這個(gè)位置精度要求并不會(huì)很高，但是隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，隨著4G、5G，乃至6G的逐步出現(xiàn)，單個(gè)蜂窩覆蓋區(qū)域越來(lái)越小，其位置精度要求也越來(lái)越高。但是，這終究不是專門用于導(dǎo)航的功能性網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)最為理想的發(fā)展格局，就是天上一張衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)，地面一張導(dǎo)航網(wǎng)，天空地結(jié)合，室內(nèi)外無(wú)縫，這是多少年來(lái)的期盼。然而，地面一張導(dǎo)航網(wǎng)，究竟由誰(shuí)來(lái)充當(dāng)主角，一直眾說(shuō)紛紜。在諸多的方案中，利用地面無(wú)線電機(jī)會(huì)信號(hào)是個(gè)行之有效的辦法，那么到底是哪一種機(jī)會(huì)信號(hào)最為適合？當(dāng)然蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是最為適合的選項(xiàng)之一。而且，這個(gè)選項(xiàng)已經(jīng)可以付諸實(shí)用，到了呼之欲出的地步，成為黎明前的曙光。

在不同類型的無(wú)線電機(jī)會(huì)信號(hào)中，蜂窩信號(hào)由于其固有的誘人的特性而尤其受到定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）界的關(guān)注，它們是：

1. 豐富大量的基站

由于蜂窩電話，智能手機(jī)和平板電腦無(wú)處不在，因此蜂窩基站收發(fā)器（BTS）數(shù)量很多。隨著小型小區(qū)的推出，以支持第五代（5G）無(wú)線系統(tǒng)，BTS的數(shù)量必將更進(jìn)一步急劇增加。

2. 幾何分布的多樣性

通過(guò)構(gòu)造的小區(qū)配置可產(chǎn)生良好的BTS幾何形狀，這與某些傾向于并置的地面發(fā)射器（例如數(shù)字電視）不同。這種幾何多樣性會(huì)導(dǎo)致精度（GDOP）因子的幾何稀釋度較低，從而可獲得更為精準(zhǔn)的PNT解決方案。

3. 高載波頻率

當(dāng)前的蜂窩載波頻率范圍在800 MHz至1900 MHz之間，從而能夠以視線觀測(cè)到精確的載波相位導(dǎo)航。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將利用30至300 GHz之間的頻率，更加具有可用性。

4. 大的帶寬

蜂窩信號(hào)具有較大的帶寬，可產(chǎn)生精準(zhǔn)的到達(dá)時(shí)間（TOA）估算值（例如，某些蜂窩長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）參考信號(hào)的帶寬可高達(dá)20 MHz）。

5. 高發(fā)射功率

蜂窩信號(hào)通常在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)的挑戰(zhàn)環(huán)境中（例如，室內(nèi)和城市深處的峽谷）仍然可用。從附近的蜂窩基站收到的載噪比C / N0比從GPS航天器（SV）收到的信噪比C / N0高20 dB-Hz。

蜂窩機(jī)會(huì)信號(hào)用于導(dǎo)航的導(dǎo)航框架

6. 可以實(shí)現(xiàn)免費(fèi)使用

將蜂窩信號(hào)用于PNT沒(méi)有部署成本，信號(hào)實(shí)際上是免費(fèi)使用的。具體而言，用戶設(shè)備（UE）可以在不與BTS通信的情況下“監(jiān)聽”已發(fā)送的蜂窩信號(hào)，從接收的信號(hào)中提取必要的PNT信息，并在本地計(jì)算導(dǎo)航。雖然存在其他需要在UE和BTS之間進(jìn)行雙向通信（即基于網(wǎng)絡(luò)）的導(dǎo)航方法，但本文傾向于介紹如何實(shí)現(xiàn)基于UE的導(dǎo)航。

無(wú)論是否有GNSS信號(hào)，都可以使用蜂窩機(jī)會(huì)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生或改善導(dǎo)航解決方案。在沒(méi)有GNSS信號(hào)的情況下，蜂窩信號(hào)可用于以獨(dú)立方式產(chǎn)生導(dǎo)航解決方案或輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。當(dāng)GNSS信號(hào)可用時(shí)，蜂窩信號(hào)可以與GNSS信號(hào)融合，從而獲得優(yōu)于獨(dú)立GNSS解決方案的導(dǎo)航解，尤其是在垂直方向上，而后者是GNSS的軟肋。

蜂窩信號(hào)不是專門用于PNT的。因此，為了將這些信號(hào)用于此目的，必須解決幾個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題。在過(guò)去的幾年中，這一直是廣泛研究的主題。以下總結(jié)了這些挑戰(zhàn)和可能的補(bǔ)救措施：

1. 蜂窩信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，隨后出于非PNT的目的進(jìn)行傳輸。這些信號(hào)比GNSS信號(hào)復(fù)雜得多，從它們中提取相關(guān)的PNT信息并不容易。最近的研究集中在推導(dǎo)適當(dāng)?shù)牡图?jí)模型上，以從接收到的蜂窩信號(hào)中最佳地提取PNT的狀態(tài)和參數(shù)。而不同傳播通道對(duì)此類信號(hào)的影響是一個(gè)需要持續(xù)研究的領(lǐng)域。

2. 能夠接收蜂窩信號(hào)，產(chǎn)生導(dǎo)航可觀測(cè)參量的接收機(jī)需要深入的研究開發(fā)。GNSS接收機(jī)在市場(chǎng)上有售，并且關(guān)于GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很多。對(duì)于蜂窩導(dǎo)航接收機(jī)而言并非如此。最近的文獻(xiàn)已經(jīng)發(fā)表了專門的接收機(jī)設(shè)計(jì)，用于根據(jù)接收到的蜂窩信號(hào)（例如，碼相位、載波相位和多普勒頻率）產(chǎn)生導(dǎo)航可觀察量。

3. 需要解決高精度時(shí)間和同步問(wèn)題。GNSS SV配備有原子鐘，并且實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化高度同步。但是，蜂窩電話塔所配備的時(shí)鐘，無(wú)法與原子鐘相比，是穩(wěn)定性較差的振蕩器（通常是恒溫控制的晶體振蕩器（OCXO）），并且同步性較差。這是因?yàn)橥ㄐ磐揭蟛蝗鏟NT同步要求嚴(yán)格。由于這種稍微松散的同步而產(chǎn)生的定時(shí)誤差可能會(huì)引入數(shù)十米的定位誤差。研究人員一直在對(duì)此類誤差進(jìn)行建模，并合成可以補(bǔ)償這些誤差的PNT估算器。

4. 需要建立開發(fā)導(dǎo)航框架。GNSS SV在導(dǎo)航電文中將所有必要的狀態(tài)和參數(shù)發(fā)送給接收機(jī)（例如SV位置、時(shí)鐘偏差、電離層模型參數(shù)等）。相反，蜂窩BTS不發(fā)送這樣的信息。因此，必須開發(fā)導(dǎo)航框架以估計(jì)蜂窩式BTS的狀態(tài)和參數(shù)（位置、時(shí)鐘偏差、時(shí)鐘漂移、頻率穩(wěn)定性等），而這不一定是先驗(yàn)的。已經(jīng)提出了幾種導(dǎo)航框架。一種這樣的框架是具有充當(dāng)映射器的專用站，該專用站知道其狀態(tài)（例如，從GNSS信號(hào)），正在估計(jì)蜂窩BTS的未知狀態(tài)，并與導(dǎo)航接收機(jī)共享這種估計(jì)。另一個(gè)框架是以無(wú)線電同時(shí)定位和映射（無(wú)線電SLAM）的方式估計(jì)接收機(jī)和蜂窩BTS的同時(shí)刻狀態(tài)。

利用蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)信號(hào)，形成地面一張導(dǎo)航網(wǎng)，兼或?qū)Ш酵ㄐ湃诤暇W(wǎng)是件大工程，上面只是提及若干重要問(wèn)題。具體的實(shí)現(xiàn)牽涉到上上下下、方方面面，和宏觀微觀與產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)等系列難題，需要認(rèn)真研究，部署落實(shí)。導(dǎo)航通信真正融合之日，就是無(wú)所不在的泛在導(dǎo)航成功之時(shí)，因此在未來(lái)的五至十年內(nèi)，我們能夠把導(dǎo)航通信融合做好，并且把相關(guān)產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)做大，則善莫大焉。