摘要：我国经济在快速发展，社会在不断进步，大众对泛在位置服务的需求不断增长，卫星导航在室内等场景下覆盖能力不足，已无法满足人们的需求。通信信号覆盖范围广、用户数量大、信号频带宽，将通信信号用于定位可成为卫星导航的有效补充。在此背景下，随着通信和定位技术的快速发展，通信和导航的耦合程度不断加深，产生了通信导航一体化技术，并成为了国内外研究热点。通信系统中毫米波、多入多出（MIMO）、波束成形等技术为通导一体化技术的发展带来了新的契机。本文首先介绍了通导一体化技术的演进过程，然后就通导一体化中的关键技术进行了总结及研究现状分析，最后对通导一体化技术的发展进行了展望。
关键词：通信导航一体化，5G定位，室内定位，共频带定位
引言
随着科学技术的发展，微纳卫星以其高功能密度、微型化、低成本、高性能、高灵活性、可组网应用等多方面优势，逐渐成为卫星领域的主流趋势，对军用民用都具有重要的战略意义。微纳卫星体积质量小、研制成本低、生产周期短，必将是微电子和微机械的高度集成体。卫星平台将不再只是具有独立功能的设备集合体，而是任务、功能、资源统一调度管理的集成系统，如传统卫星设计中测控与数传功能独立、设备分散，测控分系统的主要功能为遥测、遥控与测量，数传分系统的主要功能为载荷数据存储下发。随着微纳卫星应用的不断发展，对微纳卫星体积质量要求不断提高，传统设计方式已不能满足发展需求。本文以智能化、低功耗、小体积、高功能密度为目标开展多任务导航通信一体化系统设计与研究。一方面从硬件资源、软件算法、数据协议等方面将卫星遥测、遥控、数传、导航模块进行融合设计；另一方面运用FPGA、ASIC等大规模集成电路技术实现高集成、小型化、轻量化和低功耗。
1激光通信/测距一体化技术
测通终端依据自身时间基准，在一个历元内双向发射数据帧信号，激光外差相干解调提取数据帧获得传输信息，同时根据对方传输时间同步信息时间距离计算。其中通信为相干通信体制，测距为异步应答式。系统的指向、捕获、跟踪单元使用无信标捕获与相干跟踪技术，通过大执行角度振镜，实现宽范围快速扫描，红外CCD相机提取粗跟踪信号；红外象限探测器(QD)完成信号解调与跟踪复合应用，有效减小系统体积；接收波长为1550nm，本振光与入射光在QD上完成相干混频，经后续自动增益放大(AAF)、模数转换(ADC)、锁相环(PLL)、延时环(DLL)和通信与测距信息处理单元(COS)等实现频率跟踪与伪码跟踪，最终完成通信与测距信息提取；本振激光发射时需经过自动频率调整(AFC)及自动功率调整(APC)，频率需要自适应调整以补偿由于相对运动引起的多普勒频移；发射使用1530nm激光，经过集成电路处理单元(OEM)和光放大器(EDFA)、提前量振镜等单元后，通过共用光学系统发射出去；共用卡塞格林望远单元、光学中继、双色分光片、1/4波片等光学元件。
2通信导航一体化技术研究进展
2.1小区识别码定位技术
小区识别码定位是移动通信系统中使用最广泛的定位技术，也是常见通导一体化定位方法中复杂度最低、使用最简单的定位方法。在蜂窝通信系统中，每个基站都有一个唯一的识别码，即Cell-ID，在定位过程中移动设备只需上报自身所处的附近基站的小区号，处于核心网的位置服务平台就可以根据小区号回传该基站的经纬度坐标从而粗略估计出用户位置。该方法的精度主要取决于蜂窝小区的半径、蜂窝形状以及终端距基站的距离。在早期蜂窝系统中，由于基站间距可达数百米甚至公里级，因此CID方法的定位精度十分有限。可通过估算终端与基站间的距离来提高CID的定位精度。
例如Borenovic介绍了2G系统中利用TA（TimingAdvance，时间提前量）技术辅助CID的定位方法，并提出了改进的增强型E-CIDTA技术；Borkowski研究了用RTT（RoundTripTime，往返时间）技术辅助CID定位方法，并提出利用软切换技术来进一步提高定位精度。为了获得所需要的小区识别码，需要通过信令与核心网进行交互，当定位并发数过多时，大量信令交互会占用核心网资源，严重时可导致网络堵塞，针对这一问题，HongmanWang提出了一种基于信号监测的CID定位方法，通过从信号监控系统获取Cell-ID，避免了基于位置的服务与核心网络之间的相互作用。
2.2软件架构设计
导航通信软件是整个系统的灵魂，运行在M2S150内部的ARMCortexM3核内部。根据任务剖面划分和工作情况，软件设计分为正常模式、遥测模式、入轨模式、备份模式和应急模式五种工作模式，各模式软件工作状态描述如下：卫星入轨模式：通信模块工作于USB模式，以地面测控网测控为主，完成遥测、遥控和测量功能；导航模块为辅测量。正常模式：导航模块数据完成卫星测量功能；通信模块工作于高速数传模式，不具备测量功能，用于接收遥控指令和下传遥测、载荷数据。遥测模式：导航模块数据完成卫星测量功能；通信模块工作于低速数传模式，不具备测量功能，用于接收遥控指令和下传遥测数据。备份模式：导航模块故障，通信模块间歇工作于高速数传和USB模式，完成测控和载荷数据下传功能。应急模式：通信模块工作于USB模式，地面测控网测控；导航模块关机。
2.3室内通信网络能力技术
运营商为了保证室内移动通信质量，已经在大多数室内环境布放了室内通信网络。但由于现有通信网主要面对通信需求，并未针对定位需求进行优化，因此通信网在定位领域处于边缘地位。目前运营商室内通信网主要分为两大类：无源室分和有源室分。其中，无源室分由RRU信源和室分天线组成，由于室分天线无法进行独立区分，因此该方案不具备室内定位能力。有源室分头端平均间距为30~40m，定位精度大于10m，无法满足室内定位需求。如果要实现5~7m室内定位精度，头端间距需要缩小至20m，大幅提高了网络建设成本。因此，目前运营商暂时没有可以大规模应用的室内定位技术。
2.4通导一体化信号体制设计
上述定位方法均以现有通信信号为基础，在协议层或算法层进行通导一体化设计。由于通信信号的设计过程未考虑定位功能，上述方法在距离、角度等定位重要参数的测量上存在严重瓶颈。因此需要在通信系统的信号体制设计过程中就考虑定位功能，同时实现具有高速数据传送与高精度定位复合功能的通导一体化系统，形成通信导航的深度融合。4GLTE中加入了专门用于下行定位的定位参考信号PRS。PRS由一组频域具有伪随机特性的序列生成，终端本地产生的参考信号与接收的PRS进行互相关得出信号传播时延的估计值，所以PRS信号需具备较强的自相关特性。
结语
本文首先介绍了通导一体化的演进进程，然后针对通导一体化中的几个关键技术，给出了其研究现状，最后对通导一体化的发展进行了展望。从本文分析可以看出，通信技术的发展给定位技术带来了新的机遇，MIMO、毫米波、D2D、UDN、人工智能等技术对定位性能的提升产生了巨大的促进作用，通信与导航的结合成为了必然趋势。近年来通导一体化技术已经得到了长足发展，随着技术的进步，二者的一体化程度仍会不断加深，并会相互促进以实现更高的通信与定位性能，通导一体化将具有广阔的研究与应用前景。
参考文献
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