CN103257336A

CN103257336A - 基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法

Info

Publication number: CN103257336A
Application number: CN201210033983XA
Authority: CN
Inventors: 施浒立; 纪元法; 邓中亮; 吕子平; 孙希延; 李萌
Original assignee: BEIJING LEFU TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING LEFU TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-08-21

Abstract

本发明公开了一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法，涉及定位技术，由手机、多台生命探测仪组成，手机和生命探测仪配有温度和气压传感器，各台生命探测仪位置先精确测定。在灾后状态下，受困人员以手机将气压、温度和生命等信息编码调制后发出求救信号，多台生命探测仪同时接收求救信号并处理后得到手机到生命探测仪的距离等测量信息。各副生命探测仪的距离测量、手机高度等信息经通信链路传到主生命探测仪，主、副生命探测仪的测量数据联合手机的气压、手机高度测量数据，经过加权处理得到用户绝对高程，把用户高程作为辅助方程由主生命探测仪处理得手机三维位置。本发明方法简单易行，所得受困人员的三维位置精确，提高了搜救效率。

Description

基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，是一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法。

背景技术

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，而且面临着自然灾害风险加重和灾害损失呈上升趋势的特点，特别是地震、大山洪泥石流灾害等巨灾袭击，给我国造成严重的人员伤亡和财产损失。迫切需要采用先进的定位技术手段，提升灾后废墟埋压人员的搜救能力和效率，最大限度地减少灾害造成的损失。

人口相对稠密的城镇区域一旦发生地震，其地震废墟掩埋空间范围大，伤亡人员数量多。目前，灾后废墟人员的搜救主要采用声波振动探测仪、光学生命探测仪、红外热成像生命探测仪、雷达生命探测仪等技术装备及搜索犬。但这些装备普遍存在探测能力受搜救环境影响大、探测距离小、定位精度低等问题，远远满足不了现场搜救的实际需求。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法，以解决生命探测仪的布局受周围环境和设施限制，垂直方向的几何精度因子差，造成高程定位精度低的问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法，其包括下列步骤：

a)在受灾废墟周围布设一台主生命探测仪、及至少二台副生命探测仪，受困人员持有手机；每台生命探测仪、手机配有气压和温度传感器；

b)主生命探测仪与灾情和应急救助信息集成服务中心电连接；

c)在灾后应急状态下，受困人员用手机发出求救信息；并把气压、温度和生命等信息发出；

d)多台生命探测仪同时接收该求救信息信号，并对信号处理，得到测量信息；

e)每台副生命探测仪把测量信息经通信链路传输到主生命探测仪；

f)主生命探测仪对本身获得的测量信息、及多台副生命探测仪获得的测量信息数据进行加权处理，得到受困人员的绝对高程和平面位置；

g)主生命探测仪经通信链路或网络把定位信息传给灾情和应急救助信息集成服务中心，供搜救人员使用。

所述的搜救集群定位方法，其所述a)步中，在受灾废墟周围布设多台生命探测仪，各生命探测仪的位置，遵循几何精度因子最小的准则确定，用卫星导航接收机精确定位，并基于卫星共视比对原理实现多台生命探测仪的时间同步。

所述的搜救集群定位方法，其所述c)步中发出的求救信息，包括气压、温度、生命信息，气压、温度、生命信息经过编码、扩频调制和载波调制后发出；为了使求救信号能穿透多堵墙或深的废墟堆，求救信息速率取10bps以下，以提高信号的扩频增益。

所述的搜救集群定位方法，其所述d)步中，每台生命探测仪将接收的手机求救信号，经放大、下变频和基带信号处理后，得到受困人员手机到生命探测仪的距离和手机高度信息。

所述的搜救集群定位方法，其所述e)步中，副生命探测仪经专门的通信链路，传输到主生命探测仪。

所述的搜救集群定位方法，其所述f)步中，主生命探测仪得到的距离和手机高度信息，联合所有副生命探测仪的距离和手机高度信息，采用加权最小二乘方法，求得手机的绝对高度和位置。

所述的搜救集群定位方法，其所述b)或g)步中，主生命探测仪通过通信链路或网络，即GPRS或intnet其中之一，与灾情和应急救助信息集成服务中心电连接。

本发明的一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法，克服了现有技术的不足，简单易行，所得受困人员的三维位置精确，提高了搜救效率。

附图说明

图1为本发明一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法的集群定位系统结构示意图；

图2为本发明的一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法中的副生命探测仪定位工作原理图；

图3为本发明的一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法中的主生命探测仪定位工作原理图。

具体实施方式

本发明的一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法，包括如下步骤：

a)针对灾后废墟搜索区域，布设至少三台生命探测仪(一台是主生命探测仪，其余是副生命探测仪)，同时，受困人员持有手机，并且手机和每个生命探测仪都配置温度和气压传感器；主生命探测仪与应急救助信息集成服务中心双向通讯；

b)生命探测仪的位置利用卫星导航接收机精确测定，并基于卫星共视比对原理实现生命探测仪的时间同步；

c)在灾后应急状态下，受困人员手机对气压、温度参数以及其它的生命信息进行编码和调制后发出，所有生命探测仪同时接收该调制的求救信号；

d)每台生命探测仪对接收到的求救信号进行放大、下变频、基带信号处理后得到距离测量量；

e)每台副生命探测仪把这些测量值以及气压、温度传感器的测量信息整理和打包，打包后的信息经通信链路传到主生命探测仪；

f)主生命探测仪对受困人员手机、副生命探测仪和本身的气压和温度参数，联合确定受困人员的绝对高度；

g)多台生命探测仪的距离测量量和手机的高程联立得到基于高程约束的测量方程，该测量方程是非线性方程，对非线性方程线性化后，用最小二乘法求解得到受困人员手机的三维位置，即经度、纬度和高程；

h)主生命探测仪将g)步所得的受困人员三维位置，经通信链路或网络传到灾情和应急救助信息集成服务中心，供搜救人员使用。

本发明方法中，根据一般灾害现场的情形，利用STK等软件建立几何精度因子(DOP)仿真模型，指导至少三个生命探测仪位置的布设。

本发明方法中，利用卫星导航接收机测定生命探测仪的精确位置(纬度，经度和高程)，并利用集群设备的短基线布站特点和短基线之间误差强相关的特性，基于卫星共视时间比对实现生命探测仪时间同步。

本发明方法中，首先对手机编号、气压、温度和人体温度等信息进行编码，其次，编码后的信息与本地产生扩频码进行扩频调制，然后，扩频调制信号再经载波二次调制，最后，调制后的信号经上变频和放大后由天线发射出去。

本发明方法中，生命探测仪基带信号处理主要包括信号捕获、跟踪和信息解码，并得到手机到生命探测仪的距离等信息。

本发明方法中，按照在重力场内的大气压随高度增加而减小的原理，通过使用气压和温度传感器来测量气象参数，计算得到生命探测仪和手机用户的相对高度。

本发明方法中，得到的手机用户高度作为一个辅助方程，联合3条或3条以上的手机到生命探测仪的测距信息，共建立4个以上的测量方程，可以实时求得手机用户的三维位置和手机钟差。

下面结合附图对本发明一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法的主要实现原理、具体实施方式进行详细的阐述。

如图1所示为本发明集群定位系统的结构组成图，主要由生命探测手机1’、三台或三台以上的生命探测仪(一台主生命探测仪3’和若干台副生命探测仪2’)和灾情信息服务中心4’组成。手机和生命探测仪都配备有气压和温度测量传感器。

在灾后应急状态下，手机对气压、温度参数以及其它的生命信息进行编码和调制后发出，主和副生命探测仪同时接收该调制信号；为了保证该调制信号的同时接收，所有生命探测仪都配有高精度原子钟和卫星导航授时接收设备，并通过卫星共视原理实现所有生命探测仪的时间同步，同步精度可以达到10ns以内。

如图2所示，副生命探测仪采用有限赋形天线21’接收求救手机发出的信号，接收到的信号经过低噪声放大器22’进行放大、下变频器23’完成下变频、AD 24’采样后由基带信号处理部分25’处理后得到手机到生命探测仪的距离测量信息；为了实现高精度距离测量，副生命探测仪与其它生命探测仪通过时间同步装置5’实现生命探测仪间的时间同步；为了提高弱信号接收，天线采用有限赋型波束天线来提高天线增益；每个生命探测仪的三维精确位置都由卫星导航接收机6’事先测得；每个生命探测仪都配有气压和温度传感器7’，用于测量副生命探测仪所在地的气压和温度，并得到副生命探测仪相对手机用户的相对高度：

按照在重力场内的大气压随高度增加而减小的原理，通过使用气压和温度传感器来测量气象参数，计算得到生命探测仪和手机用户的相对高度。

h = h_{0} + 18410 \times [1 + \frac{T_{m}}{273.15}] \times \lg \frac{P_{0}}{P}

式中，P为手机用户所测的大气压力；P₀为生命探测仪的大气压；T_m为P和P₀之间大气层中的平均温度，T_m＝(T₀+T)/2，T₀是生命探测仪的温度，T是手机测点温度；为h₀为生命探测仪高程；h为手机用户所在高程。

最后，副生命探测仪把这些距离和高度测量信息整理和打包，打包后的信息通过通信链路传到主生命探测仪。

如图3所示，主生命探测仪都采用有限赋形天线31’接收求救手机发出的信号，接收到的信号经过低噪声放大器32’进行放大、下变频器33’完成下变频、AD 34’采样后由基带信号处理部分35’处理后得到手机到生命探测仪的距离测量信息；主生命探测仪与其它生命探测仪通过时间同步装置5’实现生命探测仪间的时间同步；主生命探测仪通过通信链路接收副生命探测仪的测量信息7’，并联合本身的测量信息实现对手机用户位置的解算：

在上述过程中，三个生命探测仪可以得到三个高度求解方程

h_{1} = h_{01} + 18410 \times [1 + \frac{T_{m 1}}{273.15}] \times \lg \frac{P_{01}}{P}

h_{2} = h_{02} + 18410 \times [1 + \frac{T_{m 2}}{273.15}] \times \lg \frac{P_{02}}{P}

h_{3} = h_{03} + 18410 \times [1 + \frac{T_{m 3}}{273.15}] \times \lg \frac{P_{03}}{P}

式中，h₀₁～h₀₃为三个生命探测仪高程，这些值是由高精度卫星导航接收机测得；T_m1～T_m3为三台生命探测仪与手机之间大气层平均温度；P₀₁～P₀₃为三个生命探测仪的大气压。

对上式加权平均后得到手机测点的高程

h＝k₁h₁+k₂h₂+k₃h₃

式中，k₁～k₃为加权系数，且满足k₁+k₂+k₃＝1。加权系数的大小决定于手机与生命探测仪的相对高度，相对高度差别越大加权系数越小。

设4台生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i＝1，2，3)，并设待搜救手机的待定坐标为(X，Y，Z)，手机钟差为Δt_u，C为电波传播速度，假定3台定位装备时间统一，无相对时间误差，并在同一时刻测量到手机的距离ρ_i，其定位解算方程如下：

\{\begin{matrix} ρ_{1} = \sqrt{{(X_{1} - X)}^{2} + {(Y_{1} - Y)}^{2} + {(Z_{1} - Z)}^{2}} + CΔ t_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(X_{2} - X)}^{2} + {(Y_{2} - Y)}^{2} + {(Z_{2} - Z)}^{2}} + CΔ t_{u} \\ ρ_{3} = \sqrt{{(X_{3} - X)}^{2} + {(Y_{3} - Y)}^{2} + {(Z_{3} - Z)}^{2}} + CΔ t_{u} \end{matrix}

为了提高三维定位精度，对上述方程加高程约束，则上述方程变为

\{\begin{matrix} ρ_{1} = \sqrt{{(X_{1} - X)}^{2} + {(Y_{1} - Y)}^{2} + {(Z_{1} - Z)}^{2}} + CΔ t_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(X_{2} - X)}^{2} + {(Y_{2} - Y)}^{2} + {(Z_{2} - Z)}^{2}} + CΔ t_{u} \\ ρ_{3} = \sqrt{{(X_{3} - X)}^{2} + {(Y_{3} - Y)}^{2} + {(Z_{3} - Z)}^{2}} + CΔ t_{u} \\ \frac{X^{2} + Y^{2}}{{(a + h)}^{2}} + \frac{Z^{2}}{{(b + h)}^{2}} = 1 \end{matrix}

式中，a，b分别为地球基准椭圆的长半轴和短半轴。此公式求解一般采用牛顿迭代及其线性化方法。

主生命探测仪把定位信息打包后通过通信链路或网络传到全域灾情与应急救助集成服务系统4’，以供救灾系统做出救助判断和决策。

Claims

1.一种基于气压测高辅助的灾后搜救集群定位方法，其特征在于，包括下列步骤：

a)在受灾废墟周围布设一台主生命探测仪、及至少二台副生命探测仪，受困人员持有手机；每台生命探测仪、手机都配有气压和温度传感器；

2.如权利要求1所述的搜救集群定位方法，其特征在于，所述a)步中，在受灾废墟周围布设多台生命探测仪，各生命探测仪的位置，遵循几何精度因子最小的准则确定，用卫星导航接收机精确定位，并基于卫星共视比对原理实现多台生命探测仪的时间同步。

3.如权利要求1所述的搜救集群定位方法，其特征在于，所述c)步中发出的求救信息，包括气压、温度、生命信息，气压、温度、生命信息经过编码、扩频调制和载波调制后发出；为了使求救信号能穿透多堵墙或深的废墟堆，求救信息速率取10bps以下，以提高信号的扩频增益。

4.如权利要求1所述的搜救集群定位方法，其特征在于，所述d)步中，每台生命探测仪将接收的手机求救信号，经放大、下变频和基带信号处理后，得到受困人员手机到生命探测仪的距离和手机高度信息。

5.如权利要求1所述的搜救集群定位方法，其特征在于，所述e)步中，副生命探测仪经通信链路，传输到主生命探测仪。

6.如权利要求1所述的搜救集群定位方法，其特征在于，所述f)步中，主生命探测仪得到的距离和手机高度信息，联合所有副生命探测仪的距离和手机高度信息，采用加权最小二乘方法，求得手机的绝对高度和位置。

7.如权利要求1所述的搜救集群定位方法，其特征在于，所述b)或g)步中，主生命探测仪通过通信链路或网络，即GPRS或intnet其中之一，与灾情和应急救助信息集成服务中心电连接。