融合創(chuàng)新是當今世界科技創(chuàng)新的主旋律，也是產業(yè)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場。對于北斗時空而言，導航與通信融合創(chuàng)新是首當其沖的大課題、大主題。北斗系統(tǒng)由于其發(fā)展階段的需要，將雙向短信息服務納入了系統(tǒng)服務，這是一種導航與通信結合的開端，但是真正兩者的融合，應該是一體化設計開始，所要考慮的層面要深入廣泛的多。從空間基礎設施而言，低地球軌道星座，就是一種導航與通信融合創(chuàng)新的機會與舞臺，所謂通導遙的融合，首先應該從導航與通信融合創(chuàng)新著手，這是切實可行的發(fā)展途徑。而“遙”的融合，可能真正有點遙遠的感覺。

在本文中，我們所討論的內容不是低軌衛(wèi)星星座中的導航與通信的融合創(chuàng)新，而是地面蜂窩通信網絡中的導航與通信的融合創(chuàng)新。眾所周知，衛(wèi)星導航的應用與服務，離不開通信，特別是蜂窩移動通信將衛(wèi)星導航帶給千家萬戶，帶給億萬人群，智能手機就是個典型例子，哪個智能手機能夠無視衛(wèi)星導航，衛(wèi)星導航是智能手機的標配，這是不爭的事實。反之，蜂窩移動通信能夠離開導航，確切地說能夠離開位置服務嗎？實際上也是萬萬不能的，而且每當發(fā)起移動通信時，必須報出自己的位置，這是必不可少的規(guī)定動作。當然，這個位置精度要求并不會很高，但是隨著蜂窩移動通信技術的不斷演進，隨著4G、5G，乃至6G的逐步出現(xiàn)，單個蜂窩覆蓋區(qū)域越來越小，其位置精度要求也越來越高。但是，這終究不是專門用于導航的功能性網絡。導航產業(yè)最為理想的發(fā)展格局，就是天上一張衛(wèi)星導航網，地面一張導航網，天空地結合，室內外無縫，這是多少年來的期盼。然而，地面一張導航網，究竟由誰來充當主角，一直眾說紛紜。在諸多的方案中，利用地面無線電機會信號是個行之有效的辦法，那么到底是哪一種機會信號最為適合？當然蜂窩移動通信網絡是最為適合的選項之一。而且，這個選項已經可以付諸實用，到了呼之欲出的地步，成為黎明前的曙光。

在不同類型的無線電機會信號中，蜂窩信號由于其固有的誘人的特性而尤其受到定位、導航和授時（PNT）界的關注，它們是：

1. 豐富大量的基站

由于蜂窩電話，智能手機和平板電腦無處不在，因此蜂窩基站收發(fā)器（BTS）數量很多。隨著小型小區(qū)的推出，以支持第五代（5G）無線系統(tǒng)，BTS的數量必將更進一步急劇增加。

2. 幾何分布的多樣性

通過構造的小區(qū)配置可產生良好的BTS幾何形狀，這與某些傾向于并置的地面發(fā)射器（例如數字電視）不同。這種幾何多樣性會導致精度（GDOP）因子的幾何稀釋度較低，從而可獲得更為精準的PNT解決方案。

3. 高載波頻率

當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到精確的載波相位導航。未來的5G網絡將利用30至300 GHz之間的頻率，更加具有可用性。

4. 大的帶寬

蜂窩信號具有較大的帶寬，可產生精準的到達時間（TOA）估算值（例如，某些蜂窩長期演進（LTE）參考信號的帶寬可高達20 MHz）。

5. 高發(fā)射功率

蜂窩信號通常在全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號的挑戰(zhàn)環(huán)境中（例如，室內和城市深處的峽谷）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。

蜂窩機會信號用于導航的導航框架

6. 可以實現(xiàn)免費使用

將蜂窩信號用于PNT沒有部署成本，信號實際上是免費使用的。具體而言，用戶設備（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，從接收的信號中提取必要的PNT信息，并在本地計算導航。雖然存在其他需要在UE和BTS之間進行雙向通信（即基于網絡）的導航方法，但本文傾向于介紹如何實現(xiàn)基于UE的導航。

無論是否有GNSS信號，都可以使用蜂窩機會信號來產生或改善導航解決方案。在沒有GNSS信號的情況下，蜂窩信號可用于以獨立方式產生導航解決方案或輔助慣性導航系統(tǒng)（INS）。當GNSS信號可用時，蜂窩信號可以與GNSS信號融合，從而獲得優(yōu)于獨立GNSS解決方案的導航解，尤其是在垂直方向上，而后者是GNSS的軟肋。

蜂窩信號不是專門用于PNT的。因此，為了將這些信號用于此目的，必須解決幾個挑戰(zhàn)問題。在過去的幾年中，這一直是廣泛研究的主題。以下總結了這些挑戰(zhàn)和可能的補救措施：

1. 蜂窩信號經過調制，隨后出于非PNT的目的進行傳輸。這些信號比GNSS信號復雜得多，從它們中提取相關的PNT信息并不容易。最近的研究集中在推導適當的低級模型上，以從接收到的蜂窩信號中最佳地提取PNT的狀態(tài)和參數。而不同傳播通道對此類信號的影響是一個需要持續(xù)研究的領域。

2. 能夠接收蜂窩信號，產生導航可觀測參量的接收機需要深入的研究開發(fā)。GNSS接收機在市場上有售，并且關于GNSS接收機設計的文獻很多。對于蜂窩導航接收機而言并非如此。最近的文獻已經發(fā)表了專門的接收機設計，用于根據接收到的蜂窩信號（例如，碼相位、載波相位和多普勒頻率）產生導航可觀察量。

3. 需要解決高精度時間和同步問題。GNSS SV配備有原子鐘，并且實現(xiàn)網絡化高度同步。但是，蜂窩電話塔所配備的時鐘，無法與原子鐘相比，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。這是因為通信同步要求不如PNT同步要求嚴格。由于這種稍微松散的同步而產生的定時誤差可能會引入數十米的定位誤差。研究人員一直在對此類誤差進行建模，并合成可以補償這些誤差的PNT估算器。

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

利用蜂窩電話網絡的機會信號，形成地面一張導航網，兼或導航通信融合網是件大工程，上面只是提及若干重要問題。具體的實現(xiàn)牽涉到上上下下、方方面面，和宏觀微觀與產業(yè)市場等系列難題，需要認真研究，部署落實。導航通信真正融合之日，就是無所不在的泛在導航成功之時，因此在未來的五至十年內，我們能夠把導航通信融合做好，并且把相關產業(yè)做強做大，則善莫大焉。