特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。研究背景
動物擅長通過各種方式導航，如嗅覺（鮭魚）、磁場（鴿子）和海底地形（海豚），而人類則主要通過觀察地標和使用工具。從最早嘗試通過記錄太陽和恒星的位置來導航開始，人們就開發了越來越先進的定位技術，最終建立了天體導航設備和指南針。然而，天體導航需要清晰地看到某個特定的星座，而指南針只能提供有關一個人位置的相對信息。因此，利用衛星信息確定某人絕對位置的工具的發明是人類導航史上的一項重大發展。全球導航衛星系統（GNSS，如美國的GPS或中國的北斗）提供的信息改變了我們在世界上的定位方式。
關鍵問題
當前全球導航衛星系統由幾個在時間上緊密同步的環繞地球的衛星組成，為了完成精準定位，至少需要接受四顆衛星的信號，這在城市地區可能具有挑戰性。在城市地區、隧道或室內，往往會出現手機定位有實際位置偏差很大。這主要是因為衛星信號微弱，容易被障礙物阻擋，有時甚至被故意干擾。衛星和手機信號的基站不是緊密同步的，當前電信網絡中的頻率帶寬也不足以足夠準確地估計信號的到達時間，這會導致很大的位置誤差。未加密且相對較弱的GNSS無線電信號，可能會被干擾，偽造或偽造以傳達虛假的時間和位置信息。
新思路
有鑒于此，荷蘭代爾夫特德夫特理工大學Christian C. J. M. Tiberius等人展示了一種獨立于全球導航衛星系統的地面定位系統，該系統通過無線發射機群提供了卓越的性能，通過光纖以太網網絡在亞納秒級別進行連接和時間同步。使用與移動通信網絡中類似的光學和無線傳輸方案，并利用頻譜有效的虛擬寬帶信號，減輕了多徑傳播的有害影響，從而在多路徑的室外環境中實現了可靠的分米級定位和亞納秒級定時。這項工作提供了對未來的展望，電信網絡不僅提供連接，而且還以前所未有的準確性和可靠性提供與全球導航衛星系統無關的定時和定位服務。基于混合光-無線系統，實現了在具有厘米到分米級不確定性的城市環境中提供定位以及亞納秒級時間同步。TNPS發射器和接收器（Rx）基于可編程通用軟件無線電外圍設備（USRP），通過一系列算法，作者實現了位置和時鐘偏移的定位。作者評估了TNPS在城市環境中的性能，證實了其分米級定位性能以及精確的無線時間分布。作者分析了TNPS的特性，證實了其在城市環境中實現穩健、基于網絡的分米級定位和無線亞納秒級時間分布的里程碑式進展。作者提出混合光-無線系統，通過無線發射機群提供了卓越的性能，通過光纖以太網網絡在亞納秒級別進行連接和時間同步，實現了城市地區的精準定位。位置通過計算不同信號到達之間的時間延遲來確定，從中可以以分米級精度提取位置，通過利用載波相位，可以將精度提高到厘米級。3、實現了定位系統與電信網絡的兼容，是城市環境精準定位里程碑式的發現作者開發系統的一個關鍵優勢是它與現有的4G和5G電信網絡兼容，后者使用相同類型的多路復用信號。TNPS代表了在城市環境中實現穩健、基于網絡的分米級定位和無線亞納秒級時間分布的里程碑作者開發了基于混合光-無線基礎設施的地面網絡定位系統（TNPS），通過將光纖基礎設施與地面發射機群結合使用，這些地面發射機的接收信號功率比通常接收的全球導航衛星系統信號功率高一百萬倍。
技術細節
作者描述的TNPS系統在具有厘米到分米級不確定性的城市環境中提供定位以及亞納秒級時間同步。與GNSS一樣，TNPS通過移動接收機對各種無線電信號的到達時間進行精確測量。到達時間測量值被轉換為距離，隨后用于通過多點定位相對于星座定位接收機。通過使用White Rabbit（WR）實現了發射機的亞納秒級同步。TNPS網絡中的每個發射機從其相關的WR定時節點（TN）接收定時信號，從而可以以大約0.2ns的不確定性對聯合無線電傳輸進行定時。TNPS發射器和接收器（Rx）基于可編程通用軟件無線電外圍設備（USRP）。Tx站以3.96GHz的載波頻率和160MHz的有效射頻帶寬（BW）發射用于定位、導航和定時（PNT）的調制無線電信號。大BW有助于從測試現場附近各種建筑物和物體反射的信號中分辨LoS信號。PNT信號使用正交頻分復用進行編碼。為此，將160MHz信號BW分成M＝16個10MHz的子帶，每個子帶包含N＝64個子帶，從而創建多頻帶OFDM信號。使用稀疏信號頻帶也可以實現良好的定位性能。這種稀疏頻帶類似于移動通信系統中經常遇到的非連續頻帶或分離頻帶的組合。基于此，作者實現了位置和時鐘偏移的定位。作者在TGV進行了靜態和慢速運動測試以評估TNPS在城市環境中的性能。結果表明測試位置與GT結果的良好一致性，稀疏頻帶和全頻帶OFDM-TD定位具有相似的分米級性能，通過實驗確定了這些時間變化的上限為0.2 ns。在實驗中，作者發現多徑傳播TNPS中是一個限制因素。通過對比GPS和TNPS進行TD測距的理論多徑誤差，可見的GPS最大多徑誤差為4 m，而TNPS使用全頻帶和稀疏頻帶OFDM實現的多徑誤差為0.5 m。通過移除一個或兩個任意基站，在大多數情況下TNPS仍可實現分米級定位。此外，作者還證實了TNPS可以實現精確的無線時間分布。本文報告的TNPS代表了在城市環境中實現穩健、基于網絡的分米級定位和無線亞納秒級時間分布的里程碑，具有比GNSS無線電信號更難篡改的信號。TNPS增強了其與現有電信網絡的兼容性，從而減少了實施的障礙。隨著蜂窩網絡和無線接入點的不斷密集化，集成電信/TNPS發射機的密度最終可能足以實現城市范圍甚至全國范圍的覆蓋，并具有對多徑效應和NLoS信號的高穩定性。
展望
總之，作者開發了一種獨立于GNSS的地面定位系統，并且可以很好地與手機信號兼容，實現了高精度地城市定位。定位系統的快速發展有望在觸覺網絡中產生令人興奮的應用，該網絡將通過觸摸以及視覺和聽覺信號提供信息。準確的位置信息可能會促進“智能城市”的實現，在智能城市中，隨著居住者的距離越來越近，家庭會自動打開暖氣、無人機會在移動中向收件人發送包裹等，這將給人們的生活帶來極大的便利，本工作的發現推動了“智慧城市”設想的實現。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
