CN103576122A

CN103576122A - 一种基于猝发求救信号的救援定位方法

Info

Publication number: CN103576122A
Application number: CN201310537657.7A
Authority: CN
Inventors: 徐颖; 袁洪; 何智力; 陈夏兰; 来奇峰; 唐阳阳
Original assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明提供一种基于猝发求救信号的救援定位方法，步骤1，求救人员通过手持式发射器将猝发求救信号经处理后发射给接收机，处理过程为：首先要将所述猝发求救信号利用扩频调制方式，将所述猝发求救信号的原始数据和伪随机码进行模二加运算，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后将此猝发求救信号调制到射频发射出去；其中猝发求救信号具有周期性，授权的接收终端能获得确切的信号发射时间、持续时间和调制伪码；步骤2，所述接收机接收猝发求救信号，解调猝发求救信号，实现救援定位。本发明利用猝发求救信号进行导航定位，具有低成本、抗干扰能力强的优势，是一种有效的搜救导航定位方法，能为地震、矿难等应急搜救提供技术支持。

Description

一种基于猝发求救信号的救援定位方法

技术领域

本发明属于安全搜救技术领域，尤其涉及一种基于猝发求救信号的救援定位方法。

背景技术

遇到地震、海啸等重大自然灾害时，一般的移动通信设备都被破坏而无法使用，受灾受困人员不能通过任何方式向外界发送求救信息，且受困受灾人员往往处于救援人员不易发现的地方，这将严重影响对其进行救援，尤其在灾后一天甚至几个小时内，是救援的黄金时期。因此，快速获取求救人员的位置信息并派出救援队伍实施快速救援成为救援的关键。

现有的救援措施，都是单向式的救援方法，即搜救人员对受灾人员进行搜救，常常都是采用救援犬或者生命探测仪对被困受灾人员进行搜救，但是这些救援方法速度慢，严重影响救援效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于猝发求救信号的救援定位方法，该方法利用求救人员的手持式发射器播发非周期性的、非连续的猝发方式求救信号，并通过不少于4个地面站接收信号、测算伪距，从而实现对求救人员的定位，进行搜救。在井下作业情况下，每个工人都带有一个求救信号发射器，当遇到险情时，打开求救信号发射开关，地面接收站接收求救信号处理后得到求救人员的位置和姓名，方便救援人员展开救援。而在危险系数不高的场所，平时可将求救信号发射器存放在保护箱中，遇到火灾、地震等险情时，敲碎保护箱玻璃，求救人员摘取一个求救信号发射器，并打开信号发射开关发射求救信号。接收站接收求救信号并定位出求救人员位置，快速对求救人员展开救援。

本发明的一种基于猝发求救信号的救援定位方法包括：

步骤1，将通过手持式发射器猝发求救信号经处理后发射给接收站，处理过程为：首先要将所述猝发求救信号利用扩频调制方式，将所述猝发求救信号的原始数据和伪随机码进行模二加运算，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后将此猝发求救信号调制到射频发射出去；

其中，所述猝发求救信号具有周期性，授权的接收终端能获得确切的信号持续时间和调制伪码；

步骤2，所述接收站接收猝发求救信号，解调猝发求救信号，实现救援定位；

进一步的，所述步骤2包括：

步骤121，接收站通过天线接收发来的猝发求救信号，对其进行同步，记录下所述接收站接收到各个猝发求救信号同步头的时刻，并把这些时刻发送给主站。

步骤122，所述主站根据接收站发送来的同一个求救信号的接收时刻，利用到达时间差计算伪距，同时结合各个接收站的坐标，利用公式

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x^{(1)} - x)}^{2} + {(y^{(1)} - y)}^{2} + {(z^{(1)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(1)} + δ t_{u} \\ \sqrt{{(x^{(2)} - x)}^{2} + {(y^{(2)} - y)}^{2} + {(z^{(2)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(2)} + δ t_{u} \\ . . . \\ \sqrt{{(x^{(n)} - x)}^{2} + {(y^{(n)} - y)}^{2} + {(z^{(n)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(n)} + δ t_{u} \end{matrix}

算出求救人员的三维位置坐标，其中(x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾,z⁽ⁿ⁾)为接收站n的空间位置在ECEF坐标系中的坐标，(x，y，z)为求救人员的位置坐标，ρ⁽ⁿ⁾为接收站测得其本身到求救人员的伪距，为各个接收站对同一个求救信号的公共时间延迟。

进一步的，所述猝发求救信号的短时不连续性通过时钟控制，发送时隙随机分布，每个时隙的数据发送前要先发送一段同步头，以进行扩频码的识别、扩频码的同步、帧同步和频差估计。

进一步的，所述猝发求救信号的同步包含位、帧同步和载波同步以及PN码的同步。

进一步的，所述接收机的本地扩频序列与接收信号的扩频序列同步；

所述扩频序列的同步包括捕获和跟踪两个阶段，所述捕获阶段进行扩频序列的粗同步，将所述接收机的本地扩频序列与接收信号的扩频序列的相位差限制在半个码片内；所述跟踪进行所述接收机的本地扩频序列与接收信号的扩频序列的精确同步，使本地参考信号的相位精确跟随接收信号的相位变化。

进一步的，所述猝发求救信号包括单脉冲猝发求救信号与基于多脉冲调制的猝发求救信号，所述单脉冲猝发求救信号是基于现在连续信号体制的非连续接收所产生的猝发求救信号；所述基于多脉冲的猝发求救信号又分为等间隔周期性猝发求救信号和非等间隔周期性猝发求救信号，等间隔周期性猝发求救信号的发射间隔和持续时间相等；非等间隔周期性猝发求救信号的持续时间相等，发射间隔不相等。

进一步的，所述步骤2还包括：

步骤221，所述接收站通过伪码直接获得伪距，并将伪距发送给主站；

步骤222，所述主站利用所述伪距和所述接收站坐标利用公式

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x^{(1)} - x)}^{2} + {(y^{(1)} - y)}^{2} + {(z^{(1)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(1)} + δ t_{u} \\ \sqrt{{(x^{(2)} - x)}^{2} + {(y^{(2)} - y)}^{2} + {(z^{(2)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(2)} + δ t_{u} \\ . . . \\ \sqrt{{(x^{(n)} - x)}^{2} + {(y^{(n)} - y)}^{2} + {(z^{(n)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(n)} + δ t_{u} \end{matrix}

算出求救人员的三维位置坐标，其中(x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾，z⁽ⁿ⁾)为接收站n的空间位置在ECEF坐标系中的坐标，(x，y，z)为求救人员的位置坐标，ρ⁽ⁿ⁾为接收站测得其本身到求救人员的伪距，δt_u为各个接收站对同一个求救信号的公共时间延迟。

本发明的有益效果在于：

本发明的基于猝发求救信号的救援定位方法利用猝发求救信号进行定位，具有低成本、抗干扰能力强、发射信号强的优势，是一种有效的搜救导航定位方法，能为地震、矿难等应急搜救提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的基于猝发求救信号的救援定位方法的应用装置示意图；

图2是本发明的基于猝发求救信号的救援定位方法的定位原理示意图。

具体实施方式

本系统由手持式信号发射器、至少4个地面接收站和1个地面总处理站组成。求救人员利用手持式信号发射器发射求救信号，地面接收站接收该信号并记录下接收到该求救信号的接收时刻并发送给总处理站，地面总处理站利用各个接收站的接收时刻计算伪距，解算出求救人员的三维坐标，并将其提供给救援人员。基于猝发求救信号的救援定位方法的应用装置如图1所示。

由于同一时刻可能会有多个于持式发射器在发射信号，地面接收站需要对不同信号源进行识别，才能针对每个信号源进行定位。

在井下遇难、地震后被掩埋、火灾等情况下，手持设备采用电池供电，其功率有限，发射连续信号信号强度将不能被地面接收站准确接收，采用猝发求救信号来播放求救信号。猝发式信号由于具有高的发射功率，因此具有比发射功率低的连续信号具有更好的抗干扰性能和穿透力。

猝发求救信号是指短时非连续信号，其信号具有“猝发”的特征。猝发求救信号又分为等间隔周期性猝发求救信号和非等间隔周期性猝发求救信号这两类，等间隔周期性猝发求救信号是指猝发求救信号的发射间隔和持续时间保持相等，具有周期性；非等间隔周期性猝发求救信号是指猝发求救信号的持续时间和发射间隔不相等但具有伪随机特性。其中，等间隔周期性猝发求救信号是非等间隔周期性猝发求救信号的特例。

本发明涉及的猝发求救信号是指非等间隔周期性猝发求救信号，非等间隔周期性猝发求救信号可以尽量防止各个发射源之间的信号互干扰，提高接收站的接收灵敏度，同时接收站确切知道各个信号源的伪码和信号发射间隔的伪码映射表(知道各个信号源对应的发射信号间隔延迟)。

接收站通过接收多段猝发求救信号，解调猝发求救信号的信息，实现对求救人员的定位。

信号的发射首先要将原始数据通过编码转换成二进制代码，以利于数据的传输和存储；本发明中信号采用的是扩频调制方式，原始数据和伪随机码(PN码)进行模二加运算以后，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列，原有的信号被扩展到一个很宽的频带上，然后将此信号调制到射频发射出去。采用扩频系统主要有以下儿点目的：

1)频带的扩展降低了信号的发射功率。根据香农定理C=Blog₂(1+S／N)，C为信道容量，B为信号的频带宽度，S／N为信噪比。当C一定时，B变大，则所需要的S／N会相应变小，即发射信号的功率可以很低，甚至低于噪声功率。

2)将伪随机码作为标识可以区分不同的手持式发射器信号。由于每个手持式发射器都拥有各自唯一的伪随机码，且伪随机码具有很强的自相关性，所以即使所有手持式发射器发出的信号频谱混杂在一起，接收站也不会产生严重的同频干扰。同时每个信号源根据不同的伪码，其信号持续时间和空闲时间也呈现伪随机分布，这将减小信号源间的互干扰。

3)扩频信号的码片相位为定位提供了必要的测距信号。码片相位直接与信号的传输距离有关，接收站可以通过检测伪随机码相关峰的位置来确定伪距观测量，从而实现定位。

猝发求救信号的短时不连续性主要通过时钟来控制，发送时隙随机分布，每个时隙的数据发送前要先发送一段同步头，用来完成扩频码的识别、扩频码的同步、帧同步等任务。

在接收端，接收站要从接收信号中恢复所传输的信息，必须对接收信号进行解扩。解扩的实现依靠在本地产生与发送端相同的扩频序列，并且要求本地扩频序列与接收信号的扩频序列同步。

和普通数字通信系统相比，猝发求救信号体制下的同步不仅包含位、帧同步和载波同步，同时还必须进行伪码的同步。扩频序列的同步包括捕获和跟踪两个阶段。捕获阶段完成扩频序列的粗同步，将接收端和发送端扩频序列的相位差限制在半个码片或更小的范围内；另一个阶段是跟踪，实现收、发端扩频序列的精确同步，使本地参考信号的相位精确跟随接收信号的相位变化。

本发明的定位方法主要包括以下两个步骤。

(1)坐标已知的接收站通过天线接收求救人员利用手持式发射器发来的求救信号，对这些信号进行同步，记录下接收站接收到各个求救信号的接收时刻和信号的位置，并把这些信息发送给主站，且各个接收站之间通过卫星导航接收机来进行精确的时间同步。

(2)主站根据4个或大于4个接收站发送来的同一个求救信号发射源的接收时刻和信号位置，通过这些信息推算求救信号发射源发射时刻对于和个接收站的不同接收时刻，并以最小的接收时刻作为参考站，利用其它接收站与参考站的接收时刻差计算各个站的伪距，同时利用接收站的坐标计算出求救人员的三维位置坐标。第二种获得伪距的方法：各个接收站同一时刻接收到同一个求救发射机的信号，通过调制的伪码获得此求救发射机到各个接收站的距离，各个接收站将伪距发送给主站，主站结合伪距和接收站的坐标计算出求救人员的三维位置坐标。

如图2所示，若接收站n的空间位置在一直角坐标系中的坐标为(x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾，z⁽ⁿ⁾)，求救人员位置坐标为(x，y，z)，接收站测得其本身到求救人员的伪距为ρ⁽ⁿ⁾，各个接收站对同一个求救信号的公共时间延迟为δt_u，则可列出以下四元非线性方程组：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x^{(1)} - x)}^{2} + {(y^{(1)} - y)}^{2} + {(z^{(1)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(1)} + δ t_{u} \\ \sqrt{{(x^{(2)} - x)}^{2} + {(y^{(2)} - y)}^{2} + {(z^{(2)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(2)} + δ t_{u} \\ . . . \\ \sqrt{{(x^{(n)} - x)}^{2} + {(y^{(n)} - y)}^{2} + {(z^{(n)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(n)} + δ t_{u} \end{matrix}

如果主站计算机能获取四个或四个以上接收站的伪距测量值，那么上式就至少由四个方程式组成，就可以求解出方程组中的四个未知量，从而实现求救人员定位。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于猝发求救信号的救援定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，求救人员通过手持式发射器将猝发求救信号经处理后发射给接收机，处理过程为：首先要将所述猝发求救信号利用扩频调制方式，将所述猝发求救信号的原始数据和伪随机码进行模二加运算，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后将此猝发求救信号调制到射频发射出去；

其中，所述猝发求救信号具有周期性，授权的接收终端能获得确切的信号发射时间、持续时间和调制伪码；

步骤2，所述接收机接收猝发求救信号，解调猝发求救信号，实现救援定位；

进一步的，所述步骤2包括：

步骤121，接收站通过天线接收发来的猝发求救信号，对其进行同步，记录下所述接收站接收到各个猝发求救信号同步头的时刻，并将该些时刻发送给主站；

步骤122，所述主站根据所述接收站发送来的同一个求救信号的接收时刻，利用到达时间差计算伪距，同时结合各个接收站的坐标，利用公式

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x^{(1)} - x)}^{2} + {(y^{(1)} - y)}^{2} + {(z^{(1)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(1)} + δ t_{u} \\ \sqrt{{(x^{(2)} - x)}^{2} + {(y^{(2)} - y)}^{2} + {(z^{(2)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(2)} + δ t_{u} \\ . . . \\ \sqrt{{(x^{(n)} - x)}^{2} + {(y^{(n)} - y)}^{2} + {(z^{(n)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(n)} + δ t_{u} \end{matrix}

算出求救人员的三维位置坐标，其中(x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾，z⁽ⁿ⁾)为接收站n的空间位置在ECEF坐标系中的坐标，(x，y,，z)为求救人员的位置坐标，ρ⁽ⁿ⁾为接收站测得其本身到求救人员的伪距，δt_u为各个接收站对同一个求救信号的公共时间延迟。

2.如权利要求1所述的基于猝发求救信号的救援定位方法，其特征在于，所述猝发求救信号的短时不连续性通过时钟控制，发送时隙随机分布，每个时隙的数据发送前要先发送一段同步头，以进行扩频码的识别、扩频码的同步、帧同步和频差估计。

3.如权利要求1所述的基于猝发求救信号的救援定位方法，其特征在于，所述猝发求救信号的同步包含位、帧同步和载波同步以及PN码的同步。

4.如权利要求1所述的基于猝发求救信号的救援定位方法，其特征在于，所述接收机的本地扩频序列与接收信号的扩频序列同步；

所述扩频序列的同步包括捕获和跟踪两个阶段，所述捕获阶段进行扩频序列的粗同步，将所述接收机的本地扩频序列与接收信号的扩频序列的相位差限制在一个码片内；所述跟踪进行所述接收机的本地扩频序列与接收信号的扩频序列的精确同步，使本地参考信号的相位精确跟随接收信号的相位变化。

5.如权利要求1所述的基于猝发求救信号的救援定位方法，其特征在于，所述猝发求救信号包括单脉冲猝发信号与基于多脉冲调制的猝发信号，所述单脉冲猝发信号是基于现在连续信号体制的非连续接收所产生的猝发信号；

所述基于多脉冲的猝发求救信号又分为等间隔周期性猝发求救信号和非等间隔周期性猝发求救信号，等间隔周期性猝发求救信号的发射间隔和持续时间相等；非等间隔周期性猝发求救信号的持续时间相等，发射间隔不相等。

6.如权利要求1所述的基于猝发求救信号的救援定位方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

步骤221，所述按收站通过伪码直接获得伪距，并将伪距发送给主站；

步骤222，所述主站利用所述伪距和所述接收站坐标利用公式

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x^{(1)} - x)}^{2} + {(y^{(1)} - y)}^{2} + {(z^{(1)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(1)} + δ t_{u} \\ \sqrt{{(x^{(2)} - x)}^{2} + {(y^{(2)} - y)}^{2} + {(z^{(2)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(2)} + δ t_{u} \\ . . . \\ \sqrt{{(x^{(n)} - x)}^{2} + {(y^{(n)} - y)}^{2} + {(z^{(n)} - z)}^{2}} = {ρ_{c}}^{(n)} + δ t_{u} \end{matrix}