CN103257337A

CN103257337A - 一种灾后搜救集群定位方法

Info

Publication number: CN103257337A
Application number: CN2012100343924A
Authority: CN
Inventors: 施浒立; 孙希延; 吕子平; 邓中亮; 纪元法; 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

本发明公开了一种灾后搜救集群定位方法，涉及定位技术，该设备包括手机、一台主生命探测仪、至少三台副生命探测仪，各生命探测仪的位置由几何定位精度因子最小优化布局确定。方法是：a)在应急时，危难用户以手机发送生命求救信号；b)所有生命探测仪接收该信号，信号经放大、下变频、基带信号处理和测量信息提取；c)每台副生命探测仪将测量信息经通信链路传到主生命探测仪；d)主生命探测仪融合各台副生命探测仪的测量信息和信号功率等进行定位解算，得用户的三维位置；e)主生命探测仪将信息经通信链路传给应急中心，供搜救人员使用。本发明方法可完成地震后大范围被埋人员位置定位，提高搜救成功率和减少人员伤亡。

Description

一种灾后搜救集群定位方法

技术领域

本发明涉及定位测量领域，具体涉及一种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、探测距离近、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灾后搜救集群定位测量方法，以解决灾后废墟搜救技术受环境影响大、探测距离和范围小、定位精度低等问题，实现灾后废墟被埋人员的高精度定位。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种灾后搜救集群定位方法，其包括步骤：

a)在受灾废墟周围布设一台主生命探测仪、至少三台副生命探测仪；

b)用户手机内装有温度传感器；

c)在应急时，危难用户以手机发送生命求救信号；

d)所有生命探测仪同时接收被埋手机发出的生命求救信号，信号经放大、下变频、基带信号处理和测量信息提取；

e)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)主生命探测仪完成信息的组合解算，获得用户的三维位置；

h)主生命探测仪把定位信息经通信链路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是遵循几何精度因子最小的准则布置。

所述的方法，其所述a)步中，至少四台生命探测仪的时间统一，是采用短基线卫星共视法实现生命探测仪的时间同步，以利于实现用户的准确定位。

所述的方法，其所述a)步中，各生命探测仪，天线采用有限赋形波束天线，以提高天线的增益，完成弱信号的接收。

所述的方法，其所述c)步中的生命求救信号，调制了用户信息，包括被埋手机号码，温度。

所述的方法，其所述d)步中，面向灾后废墟人员搜救的通信与定位信号，对接收信号进行相干积分与非相干积分相结合的检测技术，在保证信号捕获时间合理的同时，获取更高的信号增益，以提高集群定位装备的信号接收灵敏度，保障求救信息的正确接收。

所述的方法，其所述d)步中，各生命探测仪针对多台生命探测手机终端信号进行集群并行检测，完成多通道生命探测手机的并行检测和多于20通道的信号并行跟踪。

所述的方法，所述e)步中，副生命探测仪把测量的信息通过通信链路，传给主生命探测仪，这时测量信息在主生命探测仪处汇总。

所述的方法，其所述c)至f)步中：

至少四台生命探测仪探测到的求救手机信号，汇总至生命探测仪处，这时便可以实现联合定位；采用高精度卫星导航接收机已对生命探测仪本身定位，设备生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i＝1，2，3，4…)，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，假定至少四台生命探测仪时间统一，无相对时间误差，并在同一时刻已测量到手机至探测仪的距离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}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{1} = \sqrt{{(X_{1} - X)}^{2} + {(Y_{1} - Y)}^{2} + {(Z_{1} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(X_{2} - X)}^{2} + {(Y_{2} - Y)}^{2} + {(Z_{2} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{3} = \sqrt{{(X_{3} - X)}^{2} + {(Y_{3} - Y)}^{2} + {(Z_{3} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{4} = \sqrt{{(X_{4} - X)}^{2} + {(Y_{4} - Y)}^{2} + {(Z_{4} - Z)}^{2}} + CΔt \end{matrix}

此公式求解采用牛顿迭代及其线性化方法，可以得到求救手机的位置。

所述的方法，其所述h)步中，主生命探测仪把求救手机的测量位置、高程、生命迹象信息通过通信传输给灾情和应急救助信息集成服务中心，供搜救人员使用；其中所述的通信传输链路，为有线的或无线的通信链路。

本发明方法简单易行，可完成地震后大范围被埋人员位置定位，提高搜救成功率和减少人员伤亡。

附图说明

图1为本发明的一种灾后搜救集群定位设备结构组成示意图；

图2为本发明的一种灾后搜救集群定位方法中副生命探测仪定位工作原理示意图；

图3为本发明的一种灾后搜救集群定位方法中主生命探测仪定位工作原理示意图。

具体实施方式

本发明的一种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，布设四台或四台以上生命探测仪；

b)每台生命探测仪配置高精度晶振或原子钟(如，铷原子钟或CTP原子钟)，用于提供生命探测仪时间基准，并采用短基线卫星共视法实现生命探测仪的时间同步；

c)在应急状态，手机发送调制了用户信息的生命求救信号。生命探测仪接收手机发出的信号，信号经放大、下变频、基带信号处理和测量信息提取，并把测量信息打上时间标签；

d)主生命探测仪不但直接接收手机信号，而且接收经通信传输链路传输的副生命探测仪的测量信息，并根据测量信息的时间标签完成手机用户的定位解算；

e)主生命探测仪把用户的定位结果通过通信链路传送到全域灾情与应急救助信息服务中心。

本发明方法中，根据一般灾害现场的情形，利用按基站分布形成的几何精度因子(DOP)最小化，指导四台或四台以上生命探测仪位置的布设。

本发明方法中，根据集群设备的短基线布站特点以及短基线之间误差强相关的特性，在单向授时的基础上，利用多个基准站共视时间比对实现生命探测仪时间同步。

本发明方法中，搜救工作中，生命探测仪可能收到多台手机信号，为了保证快速检测到所有信号，采用多个捕获引擎并行工作，同步搜索多个信号；也可以用一个捕获引擎，快速实现信号的捕获，捕获后由跟踪通道进行信号的跟踪和解调。

穿透多面墙体的手机信号到达定位装备时信号强度已十分微弱，为了解决这个问题，可以采取如下三种措施：①采用有限赋形波束天线来提高天线增益；②根据对手机搜救的设计思想，通过降低手机在紧急情况下的信息速率，可以获得更高的扩频增益和积分时间；③在捕获阶段，结合相干积分和非相干积分方式，获取最优相干次数和非相干次数，并结合批处理方式，减小平方损失；分段相关与Langevin方程型随机共振相结合的弱信号检测方法；在跟踪阶段，先通过长时间非相干积分，获得信息比特翻转点，再进行全比特相干积分，获得最大跟踪增益；获得bit翻转点后，可以先剥离电文，获得纯载波，此时可综合采用FFT方法获得超高灵敏度信号跟踪，优于经典的Costas环路；考虑到本系统为静态系统，信号多普勒频移植很小，采用极窄环路带宽，可以进一步抑制噪声，提高跟踪稳健性和测距精度。

本发明方法中，定位系统不同于典型的GPS(全球定位系统)的定位方式。GPS是多颗卫星同时(GPS系统时，并考虑钟差修正)发射信号，一台定位终端接收多颗卫星信号，进行自主无源定位。而本发明方法是一台手机发射扩频信号，通过4台以上定位装备联合实现定位。跟所有定位系统一样，要求各台装备时间的一致性和位置基准的精确性。

首先，采用高精度的测量型卫星导航接收机实现生命探测仪本身的定位，设4台生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i＝1，2，3，4)，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4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}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(X_{2} - X)}^{2} + {(Y_{2} - Y)}^{2} + {(Z_{2} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{3} = \sqrt{{(X_{3} - X)}^{2} + {(Y_{3} - Y)}^{2} + {(Z_{3} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{4} = \sqrt{{(X_{4} - X)}^{2} + {(Y_{4} - Y)}^{2} + {(Z_{4} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \end{matrix}

此公式求解一般采用牛顿迭代及其线性化方法。

废墟下手机定位系统，包含多项误差源。诸如手机信号的严重多径问题、定位装备的时间、位置基准偏差、微弱信号的测距误差较大等。要实现低于5米的手机定位，必须尽力控制每项误差，在测距定位的同时，考虑其他冗余信号进行多信息融合定位。利用信号到达时间、到达角度及到达强度等多维信息融合算法，实现高精度手机定位。

图1为本发明集群定位系统的结构组成示意图，主要生命求救手机1’、四台或以上的生命探测仪(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组成4’。手机1’内装有温度传感器。

手机在应急状态下，手机发出求救信号，该求救信号采用高扩频增益方式发送携带生命信息的通信与定位信号。

副生命探测仪和主生命探测仪定位工作原理如图2和图3所示，有限赋型波束天线21’或31’接收手机发出的生命求救信号，信号经低噪声放大器(LNA)22’或32’放大后由下变频器23’或33’完成的信号射频到中频转换，中频模拟信号经AD 24’或34’采样后以数字形式输出，数字中频信号经基带信号处理、测量信息提取25’或35’，主生命探测仪联合副生命探测仪和本身的测量信息计算得到被埋用户的位置，主生命探测仪通过通信链路把用户位置传输到灾情与应急救助集成服务中心4’。其中，要完成测量信息的提取和定位解算，不但需要用时间同步装置5’保证所有生命探测仪时间同步，而且还要用卫星导航接收机6’实现生命探测仪位置的精确测定。

生命探测仪要实现用户的精确定位，需要解决如下问题：

a)废墟环境电磁传播特性评估

当信号透过不同材质的墙体(如，木材、沙土、红砖和混凝土)，其信号衰减是不同的。为了给信号接收提供理论依据和技术指标参考，利用Remcom公司研发的XFDTD电磁仿真软件，采用时域有限差分方法实现对不同材料和不同厚度墙体条件下电磁波反射和传输特性的估评，分析墙体的介电常数影响电磁波反射系数和传输系数、不同电导率对电磁波的衰减影响，而且重点分析3G频段。

b)高增益有限赋形波束天线

当信号穿透多堵墙体后，信号已经非常微弱。为了提高信号接收灵敏度，天线采用有限赋形波束天线，通过调整天线方向图使其可以实现指向性发射和接收，特指根据参数计算最优权重矢量的过程，其目的是控制天线口径内场的幅度分布、提高口径面利用率，实现低旁瓣特性。波束赋形即可以依靠射频硬件实现，也可以依靠中频或者基带的数字信号处理来实现。

c)废墟环境弱信号的快速检测与接收

搜救工作分秒必争，因此，不但要完成弱信号的捕获，而且要求信号捕获速度要快。

弱信号捕获思路是：在捕获阶段，结合相干积分和非相干积分方式，获取最优相干次数和非相干次数，并结合批处理方式，减小平方损失；分段相关与Langevin方程型随机共振相结合的弱信号检测方法；在跟踪阶段，先通过长时间非相干积分，获得信息比特翻转点，再进行全比特相干积分，获得最大跟踪增益；获得bit翻转点后，可以先剥离电文，获得纯载波，此时可综合采用FFT方法获得超高灵敏度信号跟踪，优于经典的Costas环路；考虑到本系统为静态系统，信号多普勒频移很小，采用极窄环路带宽，可以进一步抑制噪声，提高跟踪稳健性和测距精度。

信号快速捕获思路：根据手机信号紧急激活情况下的信息速率和伪码速率，可采用多个捕获引擎并行工作，同步搜索多个信号；也可用一个捕获引擎，快速实现信号的捕获，捕获后由跟踪通道进行信号的跟踪和解调。根据这种思路，并考虑到实际情况下，收发端均为静止，信号多普勒频移很小，可以使用一般伪码捕获中的经典的时域FFT并行捕获算法，几乎不用进行频率搜索，就可以在一个相关周期内捕获信号。

d)生命探测仪时间同步

由于被埋用户的定位是基于测距原理，要求生命探测仪严格时间同步。生命探测仪采用高精度的铷原子或CPT频标作为时频基准，这种时间基准的短期稳定度较好，但是长期稳定度较差。卫星导航系统是一种高准确度和稳定度的时间基准。利用卫星导航系统的授时功能可以显著提高本地时间基准的准确度和稳定度。现在无线通信系统的基站普遍采用卫星导航系统通过单向卫星授时实现站间时间同步。由于卫星导航系统存在星钟、星历、对流层、电离层等各种误差源，这些误差改正的精度直接决定了基准站的时间同步精度，一般其授时精度只能达到50纳秒左右，这种授时精度难以满足废墟人员精确定位。为此，需要探索更加精确的时间同步方法。

根据集群设备的短基线布站特点以及短基线之间误差强相关的特性，在单向授时的基础上，研究多个基准站卫星共视时间比对的时间同步方法。对于短基线卫星共视比对，由于各种误差引起的时延具有极强的相关性，可以通过共视原理加以消除，从而保证基准站之间实现高精度相对时间同步。对于相距100公里以内的基准站，利用短基线共视技术可以实现小于10ns的相对时间同步精度。

e)废墟环境高精度定位

废墟中用户的定位环境与传统的定位有很大不同，由于废墟环境非常复杂，定位信号在传播过程中会发生大量的反射和漫反射效应，近距离的多径和远距离的多径误差都非常严重。在不增加接收端软、硬件复杂度的前提下，设计赋形信号相关法，通过赋形信号形状的选择实现近距离多径抑制的目的。

除此之外，从信号体制上研究抑制多径的信号参数优化，从源头上起到抑制多径的目的。为此，把信号参数设计分析细化为各项信号参数的特性研究和参数对信号性能的影响研究。主要包括载波频率、信道带宽、码速率、码片脉冲赋形、码长、码型、调制方式和信息速率等参数的特性。根据已有的研究结果，诸如调制方式和不同参数对信号的自相关特性、码跟踪噪声、多径误差等都有影响。将这些参数经过优选之后形成各种组合项，可以通过理论综合评估估算出设计的信号体制所能达到的测距精度和跟踪精度，找到能够满足精度要求的参数组合项。

目标定位误差方程为：σ＝GDOP×σ_ρ，其中GDOP值是几何精度因子，σ_ρ是测距误差。从定位误差表达式集群设备的布设方式，即GDOP值，也是影响定位精度的关键因素，通过优化仿真集群设备的布设，寻求最小GDOP的布设规律。同时，本系统中手机晶振是精度不高的通用晶振，其TDOP值较大，采用时间和位置解算分开的原则，并采用目标函数方法，改善几何精度因子。

获得四个集群设备到手机距离、信号强度、信号到达角度、集群设备位置等信息后，通过信息融合，即可进行手机位置的定位解算，可以采用卡尔曼滤波和加权最小二乘法进行信息融合解算，以获得高的定位精度。

Claims

1.一种灾后搜救集群定位方法，其特征在于，包括步骤：

b)用户手机装有温度传感器；

c)在应急时，危难用户以手机发送生命求救信号；

d)所有生命探测仪同时接收求救手机发出的生命求救信号，信号经放大、下变频、基带信号处理获取测量信息；

f)主生命探测仪完成信息解算，获得用户的三维位置；

2.如权利要求1所述的方法，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应遵循几何精度因子最小的准则布置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)步中，至少有四台生命探测仪通过用短基线卫星共视法实现生命探测仪的时间同步，以完成用户定位。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)步中，各生命探测仪，天线采用有限赋形波束天线，以提高天线的增益，完成弱信号的接收。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述c)步中的生命求救信号，应调制用户信息，包括手机号码，温度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述d)步中，面向灾后废墟人员搜救的通信与定位信号，对接收信号进行相干积分与非相干积分相结合的检测技术，在保证信号捕获时间合理的同时，获取更高的信号增益，以提高集群定位装备的信号接收灵敏度，保障求救信息的正确接收。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述d)步中，各生命探测仪针对多台生命探测手机终端信号进行集群并行检测，完成多通道手机的并行检测和多于20通道的信号并行跟踪。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述e)步中，副生命探测仪把测量的信息通过通信链路，传给主生命探测仪，这时测量信息在主生命探测仪处汇总。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述c)至f)步中：

至少四台生命探测仪探测到的求救手机信号，汇总至生命探测仪处，这时实现联合定位；采用高精度卫星导航接收机已对生命探测仪本身定位，设备生命探测仪的坐标分别为(X_i，Y_i，Z_i，i＝1，2，3，4…)，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，假定至少四台生命探测仪时间统一，无相对时间误差，并在同一时刻已测量到手机至探测仪的距离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}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{1} = \sqrt{{(X_{1} - X)}^{2} + {(Y_{1} - Y)}^{2} + {(Z_{1} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(X_{2} - X)}^{2} + {(Y_{2} - Y)}^{2} + {(Z_{2} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{3} = \sqrt{{(X_{3} - X)}^{2} + {(Y_{3} - Y)}^{2} + {(Z_{3} - Z)}^{2}} + {CΔt}_{u} \\ ρ_{4} = \sqrt{{(X_{4} - X)}^{2} + {(Y_{4} - Y)}^{2} + {(Z_{4} - Z)}^{2}} + CΔt \end{matrix}

此公式求解采用牛顿迭代及其线性化方法，得到求救手机的位置。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的h)步中，主生命探测仪把求救手机的测量位置、高程、生命迹象信息通过通信传输给灾情和应急救助信息集成服务中心，供搜救人员使用；其中所述的通信传输链路，为有线的或无线的通信链路。