CN102353932B - 一种灾后搜救终端定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灾后搜救终端定位方法及系统，该方法包括：选取待探测的区域位置；在所述区域位置周边不同方向设置若干生命探测仪；在每个所述生命探测仪对接收到的所述求救信号的时延及强度进行检测；根据检测的结果确定所述终端的被埋位置及深度。采用本发明实施例提供的方案，可以准确有效地进行终端被埋位置和深度和位置的测定，及时高效地判断出被埋终端的位置和深度，为灾后搜救救援人员提供有效的救援指导，大大提高救援效率，能尽最大可能保证被困人员的存活率。

Description

一种灾后搜救终端定位方法及系统

技术领域

本发明涉及灾后搜救技术领域，尤其涉及一种灾后搜救终端定位方法及系统。

背景技术

自然灾害具有瞬间发生、破坏剧烈、监测预报困难、社会影响深远等特点，例如，破坏性强烈的地震、山体滑坡等灾害，给国家经济建设和人民生命财产安全造成巨大的危害和损失。国内外无数次的自然灾害事例证明，灾后紧急救援技术水平对于减轻灾害损失具有极其重要的意义。

我国目前在灾害紧急救援技术方面还十分薄弱，主要依靠人力、搜救犬以及生命探测仪进行生命探测，以寻找幸存者。人力和搜救犬探测效率比较低下，且受周边环境影响严重。现有生命探测仪均存在着受现场环境影响较大、搜索空间范围小、搜索速度慢、缺乏快速定位能力等缺点，远远满足不了灾后废墟埋压被困人员大范围快速搜救的需求。

为了解决现有技术中生命探测仪受到环境影响严重，导致搜救效率低下的问题，一种基于手机的灾后生命探测方法和系统被提出。如图1所示，这种系统由手机(移动终端)和若干生命探测仪组成。发生灾情后，被困人员手机(移动终端)如果搜索不到正常通信信号进行求救，则移动终端搜索生命探测仪发出的信号建立紧急链路链接。移动终端自动将自身标识码与生命信息进行编码发送至生命探测仪，生命探测仪根据求救信号中的移动终端的唯一标识，确定移动终端并进行定位操作，最终确定被困人员的位置，进行有效的施救。

在系统对发出求救信号的被困人员进行定位后，接下来需要进行挖掘救援。由于在各个方向上被困人员可能被不同数量、不同材料的坍塌物或者其它材料所覆盖，因此需要判断从哪个方向和角度进行挖掘救援最快，安全系数最高。目前尚没有一种切实可行的救援挖掘方向的判决方法，用以保证救援效率的最大化。

发明内容

本发明实施例提供一种灾后搜救终端定位方法及系统，用以解决现有的灾后搜救系统中无法有效进行终端被埋位置和深度定位的问题。

一种灾后搜救终端定位方法，该方法包括：

选取待探测的区域位置；

在所述区域位置周边不同方向设置若干生命探测仪；

每个所述生命探测仪对接收到的终端发送的求救信号的时延与强度进行检测；

根据检测的结果确定所述终端的被埋位置和深度。

较佳地，所述在所述区域位置周边不同方向设置若干生命探测仪，包括：

以所述区域位置中心点为中心，在所述区域位置周边不同方向距离所述中心大致等距离的位置设置所述生命探测仪。

较佳地，所述根据检测的结果确定所述终端的被埋位置，包括：

待搜救终端的待定坐标为(X，Y，Z)，k个生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i＝1，2，3，·，k，k≥4)，生命探测仪与终端的相对时钟偏差为Δt_u，c为电波传播速度，t_i为每个生命探测仪同一时刻测量到终端的求救信号到达时延，则

$t_i*c=\sqrt{{(X_i-X)}^2+{(Y_i-Y)}^2+{(Z_i-Z)}^2}+c{\mathrm{\Δt}}_u,(i=\mathrm{1,2}\·,\mathrm{kk}\≥4)$

计算得到终端的三维信息的被埋位置。

较佳地，所述根据检测的结果确定所述终端的被埋位置和深度，包括：

将在各个所述生命探测仪检测到的求救信号的强度进行比较，检测信号强度最大的生命探测仪位置指向终端位置的方向上废墟遮挡最轻，该方向即为所述终端被埋深度最浅的方向。

较佳地，该方法还包括：

设定所述终端发射求救信号的发射功率强度以及所述生命探测仪接收天线增益；生命探测仪根据终端位置与生命探测仪位置，计算出所述求救信号的空间衰减值；

根据下述公式计算信号穿透损耗：

信号废墟穿透损耗＝求救信号发射功率+手机天线增益+生命探测仪接收天线增益-生命探测仪检测到的信号强度-信号空间衰减值；

根据得到的穿透损耗，除以信号单个墙体的穿透损耗，计算所述终端被埋的深度。

较佳地，所述信号单个墙体的穿透损耗通过现场对不同材料的信号穿透损耗估计或测试获得。

较佳地，所述终端发射求救信号时，携带实际发送的求救信号的发射功率强度。

一种灾后搜救终端定位系统，该系统包括终端、服务器以及至少一个生命探测仪，所述终端通过无线信号与所述生命探测仪建立连接，所述生命探测仪与所述服务器连接，其中，

所述终端，用于发送求救信号；

所述生命探测仪设置于待测区域周边若干节点，用于激活所述终端发送求救信号，在每个所述节点对接收到的所述求救信号的时延及强度进行检测，并将检测结果发送所述服务器；

所述服务器，用于根据检测的结果确定所述终端的被埋位置及深度。

较佳地，所述终端还用于发送求救信号的发送功率信息；

所述生命探测仪接收所述求救信号的发送功率信息，发送所述服务器；

所述服务器对所述求救信号的发送功率信息和所述检测结果进行比较，确定终端到不同方向上的生命探测仪之间的遮挡情况，得到终端在不同方向上的被埋位置和深度。

较佳地，该系统还用于测试现场废墟墙体的信号穿透损耗，其中，

设置终端和生命探测仪分别位于所述现场废墟墙体的两面，所述生命探测仪接收所述终端发送的求救信号，检测所述求救信号的强度，并发送服务器；

所述服务器将检测到的求救信号的强度与设定的发射信号功率强度比较，得到现场废墟墙体信号穿透损耗。得到现场废墟墙体信号穿透损耗后，即可通过检测的信号穿透损耗除以现场废墟墙体信号穿透损耗，获知待救人员被埋于几层墙体之下。

本发明实施例提供的方案，根据终端发送的求救信号确定终端被埋的大致区域，在区域周围设置多个生命探测仪进行求救信号的接收，检测不同方向的节点接收到的求救信号时延和强度，比较可以得到终端被埋的位置和深度。通过本发明实施例提供的方案，可以准确有效的进行终端被埋位置和深度的定位，及时高效的判断出被埋终端的各方向被埋位置和深度，为灾后搜救救援人员提供有效的救援指导，大大提高救援效率，能尽最大可能保证被困人员的存活率。

附图说明

图1为现有技术中灾后搜救系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的主要实现原理流程图；

图3为1800MHz频段空间链路损耗示意图；

图4为800MHz频段空间链路损耗示意图；

图5为本发明实施例提供系统的结构示意图。

具体实施方式

由于现有的灾后搜救方法中，缺少对被困人员的定位方法，本发明实施例立足于一种灾后搜救系统，利用被困人员的手机终端发送求救信号，根据不同的地点接收到求救信号的时延，计算被困人员位置，并根据不同方向接收到求救信号的强度不同的特点，比较各个方向上接收的信号强度，接收信号强度较高的方向可以认为被困人员的被埋深度较浅(即废墟外从该方向到被困人员之间的废墟摘挡最少)，可以从这个方向实施救援。进一步的，通过对现场的各种埋压材料进行穿越损耗测试，得到各种不同材料对无线信号的穿越损耗值，经过计算可以准确的得到埋压在被困人员上方的材料的厚度和种类，从而对救援提供可靠的依据。

下面结合各个附图对本发明实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述。

如图2所示，本发明实施例的主要实现原理流程如下：

步骤10，选取待探测的区域位置。

当发生灾情后，被困人员连同所携带的移动终端均被埋压在一定的废墟之中。本发明实施例中，假定被困人员与所携带的移动终端并不分离，这样，定位到移动终端的位置，就知道被困人员的位置。

这里的移动终端可以是手机等日常携带的终端设备，本发明实施例中所指的终端，均是指这样的移动终端。

这里，要实现终端发送求救信号，有两种方式，一种是生命探测仪在确定了被困人员及终端被埋的废墟位置后，可以作为临时移动通信基站接收被埋手机主动发出的求救信号，亦可主动向所述区域发出无线信号，终端接收到该信号后向外发送求救信号。另外一种方式中，终端在检测到无法接收正常的通信信号时，会启动紧急模式，从而发送求救信号。根据求救信号发出的位置，可以大致确定终端被埋的一个区域位置，这个区域位置可以是一个废墟，也可以是其它的埋压物。根据求救信号发送的方位，可以大致确定终端所在的区域位置。

这里，对于求救信号的接收，可以使用生命探测仪，或者其它的信号接收装置。

步骤20，在区域位置周边不同方向设置多个生命探测仪。

在确定了终端所在的区域位置后，需要对终端进行进一步的定位。在区域位置的周边不同方向，设置多个生命探测仪。可以每个方向设置一个生命探测仪，也可以根据实际的需要在不同的方向设置不同的多个生命探测仪。

这些生命探测仪，尽可能的以区域位置中心为中心，等距离的设置。

典型的设置为4个生命探测仪，生命探测仪可以作为临时移动通信基站接收被埋手机主动发出的求救信号，亦可主动向所述区域发出无线信号，手机接收到该信号后向外发送求救信号。

步骤30、每个生命探测仪对接收到的终端发送的求救信号的时延和强度进行检测。

在设置了相应的生命探测仪后，需要对接收到的求救信号进行接收。这里，接收可以采用生命探测仪，也可以采用其它信号接收装置。对接收到的求救信号的时延和强度进行检测。

这里，可以采用一个生命探测仪分别与不同的节点接收求救信号，检测求救信号的强度。还可以使用多台生命探测仪，分别位于不同的节点同时进行求救信号的接收和强度检测。

步骤40，根据检测的结果确定终端的被埋位置和深度。

这里，终端被埋位置和深度有两层意思。一种是，对检测结果进行比较，可以得到信号强度最大的一个生命探测仪所在的方向，这个方向可以认为是指向终端位置的方向上废墟遮挡最轻，是终端被埋比较浅的方向，据此方向进行救援，可以较快的挖掘到被困人员和终端。

另外一层意思中，可以对终端发射的求救信号的发射功率强度进行设定，并由终端在发射的求救信号中携带求救信号的发射功率强度信息。当然，也可以通过生命探测仪与终端的互动信息中，设定终端发射求救信号的强度，这样，终端也可以不在求救信号中携带发射功率强度信息，生命探测仪同样可以获取终端发射求救信号的发射功率信息。

在获知终端发射求救信号的发射功率强度信息后，生命探测仪可以将在不同的节点接收到的求救信号的强度跟求救信号发射功率强度进行比较，可以准确的得到信号强度损耗值。这个信号强度损耗值就是求救信号穿透埋压物所需要的无线衰减损耗。而现有的各种材料的信号穿透损耗是已知的，因而，据此不仅可以计算出终端被埋的深度，而且，可以计算出终端被埋的材料种类和厚度。

这里，对于接收到的求救信号的时延进行检测，并据此计算终端被埋位置，主要包括以下方法：

设待搜救终端的待定坐标为(X，Y，Z)，k个生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i＝1，2，3，·，k，k≥4)，生命探测仪与终端的相对时钟偏差为Δt_u，c为电波传播速度，k个生命探测仪经时间同步后，时间统一，相对时间误差极小，则在同一时刻测量到终端的求救信号到达时延ti后。便可列出定位解算方程组如下：

$t_i*c=\sqrt{{(X_i-X)}^2+{(Y_i-Y)}^2+{(Z_i-Z)}^2}+c{\mathrm{\Δt}}_u,(i=\mathrm{1,2}\·,\mathrm{kk}\≥4)$

通过解算该方程组可获得终端的三维位置信息，也即，可以得到终端的位置信息。

这里，各种材料的信号穿透损耗可以通过现场对相应的材料进行测试或者估算得到。一般的，虽然无线信号在固定频率下穿透不同材料的损耗有着固定的对比关系，但是在实际情况下由于相同材料的厚薄、形状以及湿度等环境因素的影响，信号的损耗有可能发生一定变化。为了使穿透损耗更加准确，可在现场进行实际测试，手持终端和信号强度监测端(生命探测仪)分别位于待测材料(即掩埋被困人员的材料)两端，由此可得出此材料的实际穿透损耗。

本实施例中，在搜救系统基本定位完成后，救援人员进入实地救援阶段，接下来需要在现场进行被埋位置和深度定位，当判定出被埋位置和深度最浅的方向后，才可进行实地挖掘等救援。

一般的，被埋深度定位方法如下：

首先，由于无线信号在空间进行传播时是有着空间损耗的，并且损耗的分贝数与传输距离有着一定的对应关系；其次，终端发送的求救信号不同频率下穿透不同的材质也有固定的耗损对比关系。

信号由自由空间的传播损耗公式如下：

L(dB)＝32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km)

这里，f为基站工作频率，一般在800～2000MHz；d为收发天线之间的距离，一般在0.02～5km之间。

如图3所示，以TD-SCDMA频段(2000MHz左右)为例，探测距离50米处，空间链路损耗约73dB。

如图4所示，在CDMA频段(800MHz左右)，探测距离50米处，空间链路损耗约65dB。

一般的无线信号穿透墙体的衰减情况如下表所示：

在被困人员位置定位后，由于被困人员被废墟掩盖，我们无法判断其在废墟内具体位置。在挖掘救援前，为了进行被埋位置和深度定位，在此，我们可以以废墟为中心点，尽量等距的情况下在不同方向设置几个节点，使用相关设备对每个节点收到的发送求救信号的强度进行检测。由于终端求救信号的发射功率已经被设定(或由终端发送的求救信号中携带发射功率信息)，再加上空间距离的损耗可以根据衰减对应关系得出，信号的穿透障碍物的损耗根据设计的方法得出，在每个节点都会测到一个固定的求救信号功率值强度。

各个节点测得功率值强度后对其进行比较，所得值最大的方向表明其信号损耗程度最小，即空间上和穿透衰耗综合最小，与此同时由于在空间上各监测点距离被困地点距离几乎一样，即空间衰耗几乎一样，这就可以根据测得的功率值强度算出每个方向上的穿透损耗，再根据已经得出的穿透每层障碍物的损耗可以得到被困人员到底被几层障碍物掩埋。至此，被困人员的被埋位置和深度可以确定出来，被埋位置和深度定位探测基本完成。

特别的，无线信号的穿透损耗检测方法如下：虽然信号在固定频率下穿透不同材质的损耗有着固定的对比关系，但是在实际情况下由于相同材质的厚薄、形状以及湿度等环境因素的影响，信号的损耗有可能发生一定变化。为了使计算时的穿透损耗更加准确，测试人员可在现场进行实际测试，手持发射终端和信号强度监测端分别位于待测材料(即掩埋被困人员的材料)两端，由此可得出此材料的实际穿透损耗。

较佳地，本发明的另外一个实施例中，假设一次地震后，一名人员被废墟困住，所携带的手机正常信号无法联系外界，于是被困人员用手机终端通过搜救系统进行求救，搜救系统接收到信号并对其进行了定位。救援人员对其进行定位后找到被困人员的废墟，肉眼无法判断出被困人员在废墟内部的深浅。

假设在被困人员方向A有一堵水泥墙阻碍，方向B有两堵水泥墙，方向C有四堵水泥墙。可知在CDMA频段(约为800MHz)信号穿透水泥墙的损耗以及通过现场进行试验监测得出一层水泥墙的穿透损耗为23.8dBm。

下行链路穿透废墟余量为：

下行链路废墟穿透余量＝定位设备发射功率+发射天线增益+接收天线增益-生命探测手机终端接收灵敏度-空间路径损耗-穿透损耗。

生命探测终端定位设备发射功率：40dBm(10W)；

发射天线增益：20dBi；

接收天线增益：2dBi；

空间路径损耗：50米时约65dB，5米时约45dB；

生命探测手机终端接收灵敏度：-146dBm(设发射信号速率为1Mb，相关时间为10ms)。

监测点测得各方向功率为(监测点以废墟为中心达到5米距离时)：

A方向：139.2dB＝40+20+2-45+146-穿透损耗；

B方向：115.4dB＝40+20+2-45+146-穿透损耗；

C方向：67.8dB＝40+20+2-45+146-穿透损耗。

根据每层水泥墙损耗23.8dB以及以上三个方向总穿透损耗，计算得出A方向有一层水泥墙阻碍，B方向有两层，C方向有四层。至此被埋位置和深度完成，得出A方向被埋位置和深度最浅，只有一层水泥墙，可从A方向进行挖掘救援。

相应地，本发明实施例还提供了一种灾后搜救终端被埋位置和深度定位系统，如图5所示，该系统包括终端100、服务器300以及至少一个生命探测仪200，终端100通过无线信号与生命探测仪200建立连接，生命探测仪200与服务器300连接，具体如下：

终端100，用于发送求救信号。

终端100由被困人员携带，一般与被困人员一通被困在废墟中。被困人员在被困后，通过终端100发送求救信号，以告知自身所在位置，等待救援。

生命探测仪200，用于设置于待测区域周边若干节点，激活所述终端100发送求救信号，根据终端100发送的求救信号确定终端100被埋的区域位置，在每个节点对接收到的求救信号的时延和强度进行检测，并将检测结果发送服务器300。

这里，生命探测仪200可以向终端100发送激活信号，终端100收到激活信号后，启动应急机制，发送求救信号。或者，终端根据自身的判断，在无法接收到正常的无线通信信号时，启动应急模式，发送求救信号。

生命探测仪200用于接收终端100发射的求救信号，根据求救信号确定终端100所在的区域位置，也就是终端100被埋的废墟的位置。在这个区域位置的周边不同方向上，设置多个节点，在每个节点上对接收到的求救信号的时延和强度进行检测。

这里，系统中如果只有一个生命探测仪200，可以将生命探测仪200分别在不同的节点接收求救信号并进行时延和强度检测。系统中也可以包括多个生命探测仪200，典型值为4个，多个生命探测仪200分别位于不同的节点进行接收和检测。

服务器300，用于根据检测的结果确定终端100的被埋位置和深度。

这里，服务器300可以单独设置，也可以与某一个生命探测仪200一同设置。服务器300用于将生命探测仪200检测的结果进行比较和计算，得到终端100被埋的位置和深度。

这里的终端100被埋位置和深度可以是对检测结果进行比较，得到信号强度最大的一个节点所在的方向，这个方向可以认为是终端100被埋比较浅的方向，据此方向进行救援，可以较快的挖掘到被困人员和终端100。

另外，可以对终端100发射的求救信号的发射功率强度进行设定，并由终端100在发射的求救信号中携带求救信号的发射功率强度信息。在获知终端100发射求救信号的发射功率强度信息后，服务器300可以将在不同的节点接收到的求救信号的强度跟求救信号发射功率强度进行比较，可以准确的得到信号强度损耗值。这个信号强度损耗值就是求救信号穿透埋压物所需要的无线衰减损耗。而现有的各种材料的信号穿透损耗是已知的，因而，据此不仅可以计算出终端被埋的深度，而且，可以计算出终端被埋的材料种类和厚度。

较佳地，上述实施例中的系统还用于测试不同材料的信号穿透损耗，其中，

终端100和生命探测仪200分别位于现场废墟墙体被测材料的两面，生命探测仪200接收终端100发送的求救信号，检测求救信号的强度，并发送服务器300；

服务器300将检测到的求救信号的强度与设定的发射信号功率强度比较，得到现场废墟墙体被测材料信号穿透损耗。得到现场废墟墙体信号穿透损耗后，即可通过检测的信号穿透损耗除以现场废墟墙体信号穿透损耗，获知待救人员被埋于几层墙体之下。

综上所述，本发明实施例提供的方案，根据终端发送的求救信号确定终端被埋的大致区域，在区域周围设置多个生命探测仪进行求救信号的接收，检测不同方向的生命探测仪接收到的求救信号的时延和强度，比较可以得到终端被埋的位置和深度。通过本发明实施例提供的方案，可以准确有效的进行终端被埋位置和深度的定位，及时高效的判断出被埋终端的各方向被埋位置和深度，为灾后搜救救援人员提供有效的救援指导，大大提高救援效率，能尽最大可能保证被困人员的存活率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种灾后搜救终端定位方法，其特征在于，该方法包括：

选取待探测的区域位置；

在所述区域位置周边不同方向设置若干生命探测仪；

每个所述生命探测仪对接收到的终端发送的求救信号的时延与强度进行检测；

根据检测的结果确定所述终端的被埋位置和深度；

设定所述终端发射求救信号的发射功率强度以及所述生命探测仪接收天线增益；生命探测仪根据终端位置与生命探测仪位置，计算出所述求救信号的空间衰减值；

根据下述公式计算信号穿透损耗：

信号废墟穿透损耗＝求救信号发射功率+终端天线增益+生命探测仪接收天线增益-生命探测仪检测到的信号强度-信号空间衰减值；

根据得到的穿透损耗，除以信号单个墙体的穿透损耗，计算所述终端被埋的深度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述区域位置周边不同方向设置若干生命探测仪，包括：

以所述区域位置中心点为中心，在所述区域位置周边不同方向距离所述中心大致等距离的位置设置所述生命探测仪。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据检测的结果确定所述终端的被埋位置，包括：

待搜救终端的待定坐标为(X，Y,Z)，k个生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i=1，2，3，…，k，k≥4)，生命探测仪与终端的相对时钟偏差为Δt_u，c为电波传播速度，t_i为每个生命探测仪同一时刻测量到终端的求救信号到达时延，则

$t_i*c=\sqrt{{(X_i-X)}^2+{(Y_i-Y)}^2+{(Z_i-Z)}^2}+c{\mathrm{\Δt}}_u,(i=\mathrm{1,2}\·\·\·,k,k\≥4)$

计算得到终端的三维信息的被埋位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据检测的结果确定所述终端的被埋深度，包括：

将在各个所述生命探测仪检测到的求救信号的强度进行比较，检测信号强度最大的生命探测仪位置指向终端位置的方向上废墟遮挡最轻，该方向即为所述终端被埋深度最浅的方向。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号单个墙体的穿透损耗通过现场对不同材料的信号穿透损耗估计或测试获得。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述终端发射求救信号时，携带所实际发送的求救信号的发射功率强度。

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