特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
动物擅长通过各种方式导航，如嗅觉（鲑鱼）、磁场（鸽子）和海底地形（海豚），而人类则主要通过观察地标和使用工具。从最早尝试通过记录太阳和恒星的位置来导航开始，人们就开发了越来越先进的定位技术，最终建立了天体导航设备和指南针。然而，天体导航需要清晰地看到某个特定的星座，而指南针只能提供有关一个人位置的相对信息。因此，利用卫星信息确定某人绝对位置的工具的发明是人类导航史上的一项重大发展。全球导航卫星系统（GNSS，如美国的GPS或中国的北斗）提供的信息改变了我们在世界上的定位方式。
关键问题
当前全球导航卫星系统由几个在时间上紧密同步的环绕地球的卫星组成，为了完成精准定位，至少需要接受四颗卫星的信号，这在城市地区可能具有挑战性。在城市地区、隧道或室内，往往会出现手机定位有实际位置偏差很大。这主要是因为卫星信号微弱，容易被障碍物阻挡，有时甚至被故意干扰。卫星和手机信号的基站不是紧密同步的，当前电信网络中的频率带宽也不足以足够准确地估计信号的到达时间，这会导致很大的位置误差。未加密且相对较弱的GNSS无线电信号，可能会被干扰，伪造或伪造以传达虚假的时间和位置信息。
新思路
有鉴于此，荷兰代尔夫特德夫特理工大学Christian C. J. M. Tiberius等人展示了一种独立于全球导航卫星系统的地面定位系统，该系统通过无线发射机群提供了卓越的性能，通过光纤以太网网络在亚纳秒级别进行连接和时间同步。使用与移动通信网络中类似的光学和无线传输方案，并利用频谱有效的虚拟宽带信号，减轻了多径传播的有害影响，从而在多路径的室外环境中实现了可靠的分米级定位和亚纳秒级定时。这项工作提供了对未来的展望，电信网络不仅提供连接，而且还以前所未有的准确性和可靠性提供与全球导航卫星系统无关的定时和定位服务。基于混合光-无线系统，实现了在具有厘米到分米级不确定性的城市环境中提供定位以及亚纳秒级时间同步。TNPS发射器和接收器（Rx）基于可编程通用软件无线电外围设备（USRP），通过一系列算法，作者实现了位置和时钟偏移的定位。作者评估了TNPS在城市环境中的性能，证实了其分米级定位性能以及精确的无线时间分布。作者分析了TNPS的特性，证实了其在城市环境中实现稳健、基于网络的分米级定位和无线亚纳秒级时间分布的里程碑式进展。作者提出混合光-无线系统，通过无线发射机群提供了卓越的性能，通过光纤以太网网络在亚纳秒级别进行连接和时间同步，实现了城市地区的精准定位。位置通过计算不同信号到达之间的时间延迟来确定，从中可以以分米级精度提取位置，通过利用载波相位，可以将精度提高到厘米级。3、实现了定位系统与电信网络的兼容，是城市环境精准定位里程碑式的发现作者开发系统的一个关键优势是它与现有的4G和5G电信网络兼容，后者使用相同类型的多路复用信号。TNPS代表了在城市环境中实现稳健、基于网络的分米级定位和无线亚纳秒级时间分布的里程碑作者开发了基于混合光-无线基础设施的地面网络定位系统（TNPS），通过将光纤基础设施与地面发射机群结合使用，这些地面发射机的接收信号功率比通常接收的全球导航卫星系统信号功率高一百万倍。
技术细节
作者描述的TNPS系统在具有厘米到分米级不确定性的城市环境中提供定位以及亚纳秒级时间同步。与GNSS一样，TNPS通过移动接收机对各种无线电信号的到达时间进行精确测量。到达时间测量值被转换为距离，随后用于通过多点定位相对于星座定位接收机。通过使用White Rabbit（WR）实现了发射机的亚纳秒级同步。TNPS网络中的每个发射机从其相关的WR定时节点（TN）接收定时信号，从而可以以大约0.2ns的不确定性对联合无线电传输进行定时。TNPS发射器和接收器（Rx）基于可编程通用软件无线电外围设备（USRP）。Tx站以3.96GHz的载波频率和160MHz的有效射频带宽（BW）发射用于定位、导航和定时（PNT）的调制无线电信号。大BW有助于从测试现场附近各种建筑物和物体反射的信号中分辨LoS信号。PNT信号使用正交频分复用进行编码。为此，将160MHz信号BW分成M＝16个10MHz的子带，每个子带包含N＝64个子带，从而创建多频带OFDM信号。使用稀疏信号频带也可以实现良好的定位性能。这种稀疏频带类似于移动通信系统中经常遇到的非连续频带或分离频带的组合。基于此，作者实现了位置和时钟偏移的定位。作者在TGV进行了静态和慢速运动测试以评估TNPS在城市环境中的性能。结果表明测试位置与GT结果的良好一致性，稀疏频带和全频带OFDM-TD定位具有相似的分米级性能，通过实验确定了这些时间变化的上限为0.2 ns。在实验中，作者发现多径传播TNPS中是一个限制因素。通过对比GPS和TNPS进行TD测距的理论多径误差，可见的GPS最大多径误差为4 m，而TNPS使用全频带和稀疏频带OFDM实现的多径误差为0.5 m。通过移除一个或两个任意基站，在大多数情况下TNPS仍可实现分米级定位。此外，作者还证实了TNPS可以实现精确的无线时间分布。本文报告的TNPS代表了在城市环境中实现稳健、基于网络的分米级定位和无线亚纳秒级时间分布的里程碑，具有比GNSS无线电信号更难篡改的信号。TNPS增强了其与现有电信网络的兼容性，从而减少了实施的障碍。随着蜂窝网络和无线接入点的不断密集化，集成电信/TNPS发射机的密度最终可能足以实现城市范围甚至全国范围的覆盖，并具有对多径效应和NLoS信号的高稳定性。
展望
总之，作者开发了一种独立于GNSS的地面定位系统，并且可以很好地与手机信号兼容，实现了高精度地城市定位。定位系统的快速发展有望在触觉网络中产生令人兴奋的应用，该网络将通过触摸以及视觉和听觉信号提供信息。准确的位置信息可能会促进“智能城市”的实现，在智能城市中，随着居住者的距离越来越近，家庭会自动打开暖气、无人机会在移动中向收件人发送包裹等，这将给人们的生活带来极大的便利，本工作的发现推动了“智慧城市”设想的实现。Hui Chen, et al. Phone signals can help you find your way in cities even without GPS. Nature, 611, 454-455 (2022).doi: 10.1038/d41586-022-03696-3https://www.nature.com/articles/d41586-022-03696-3Koelemeij, J.C.J., Dun, H., Diouf, C.E.V. et al. A hybrid optical–wireless network for decimetre-level terrestrial positioning. Nature 611, 473–478 (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05315-7https://doi.org/10.1038/s41586-022-05315-7
