CN105044670B - 一种消防员应急室内定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种消防员应急室内定位系统。系统由位于室外的同步站点、定位站点和位于室内的消防员随身携带的定位终端构成。同步站点向每个定位站点发送测距信号；定位站点将测距信号调制在本机载波上，生成抑制载波双边带调幅信号，向室内定位终端辐射；定位终端接收混合信号，识别出信号分别来自于哪个定位站点，然后计算出来自于各定位站点的测距信号相位差，根据双曲定位原理计算定位终端的3维坐标，实现消防员实时定位与导航。本系统具有如下优点：(1)定位站点与定位终端无需同步电路；(2)低频信号穿墙特性好；(3)电路简单，易于实现，成本较低；(4)定位终端功耗低，体积小；(5)无需基础设施，可快速布站，投入使用。

Description

一种消防员应急室内定位系统
技术领域
本发明属于室内定位与导航技术领域，涉及一种消防员应急室内定位系统。
背景技术
近年来，随着高层建筑的增多，火灾事故时有发生，消防员由于对楼层结构不熟悉和受烟雾弥漫影响等原因，很难对自身进行定位，场外指挥人员也无法摸清室内消防员的行踪，这不利于指挥人员做出正确的判断，当消防员出现受伤或意外时，消防员自身无法找到撤离路线，场外营救人员也无法快速到达现场，消防员的生命安全受到极大威胁，从而错失最佳自救营救时机，如何实现对消防员的实时定位与跟踪成为一个迫切需要解决的问题。
消防员定位系统是一个特殊的室内定位系统，现有的各种室内定位方法并不能直接用于消防员定位。这是因为：(1)工作环境恶劣：烟雾弥漫，可见度低，声音嘈杂，秩序混乱，属于应急定位场合。(2)基础设施损坏：如首先要关掉电源，这就使得原有的安装在室内的辅助定位设施失效，如要重新布置这些辅助设施，一是需要时间，二是有可能再次被损坏，不能回收利用，既费人力又费财力。(3)室内信号较弱，误差大：室内GPS导航信号较弱，无法实现室内定位，辅助惯性自主导航系统，可在一定程度上实现室内导航，但惯性自主导航系统累积误差大，定位精度不高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种消防员应急室内定位系统，系统由同步站点、定位站点、定位终端构成；同步站点和定位站点均位于建筑物外，定位终端由位于建筑物内的消防员随身携带，依据双曲定位原理，通过测量室外各定位站点到达定位终端的距离差来实现对消防员的实时定位。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种消防员应急室内定位系统，属于室内定位与导航技术领域。定位系统由位于室外的同步站点、定位站点和位于室内的定位终端构成。同步站点向每个定位站点发送测距信号；定位站点将测距信号调制在本机载波上，生成抑制载波双边带调幅信号，向室内定位终端辐射；定位终端接收混合信号，识别出信号分别来自于哪个定位站点，然后计算出测距信号的相位差，根据双曲定位原理计算出消防员的3维坐标，实现消防员实时定位与导航。
进一步，所述定位站点的工作过程为：将低频正弦波测距信号调制在本机载波上，生成抑制载波双边带调幅信号，经带通滤波和功率放大后由发射天线辐射出去。每个定位站点载波信号频率不同，生成的双边带调幅信号频率也不能相同。
进一步，所述定位站点的载波频率使用无线电频谱中的低频段(如警用对讲机频段350-390MHz)，这个频段的信号穿墙能力强。
进一步，所述定位终端的工作过程为：将收到的各定位站点发射过来的混合信号，经低噪声放大后，与本振信号进行混频，下变频到低中频信号，然后进行模数转换，使用快速傅里叶变换得到信号的幅度谱和相位谱，计算出来自于每个定位站点上下边带信号的相位差，即为低频正弦波测距信号的相位，计算来自于不同站点的低频正弦波测距信号的相位差，从而得到各定位站点到达定位终端的距离差，根据双曲定位原理，构造方程组，求解出每个定位终端的3维位置坐标。
进一步，所述同步站点的工作过程为：同步站点将低频正弦波信号调制在射频本振上，然后经过带通滤波和功率放大后向各定位站点辐射。
进一步，所述定位站点的测距信号接收过程为：定位站点在收到同步站点发来的射频信号后，经低噪声放大后，通过平方电路，滤除高频分量，经过带通滤波器，提取出定位站点所需的低频正弦波测距信号。
本发明的有益效果在于：(1)定位站点之间同步电路简单，定位站点与定位终端之间无需同步电路；(2)定位站点所用载波信号频段低，穿墙特性好，定位精度高；(3)电路结构简单，易于实现，系统构建成本低；(4)参考站点可使用大功率，接收终端可工作于小功率，定位终端设备体积小，功耗低；(5)无需任何基础设施，对环境依赖程度低，可快速布站，立即使用，特别适合于消防应用场合。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为定位系统总体结构框图；
图2为室外定位站点结构框图；
图3为室内定位终端结构框图；
图4为室外同步站点结构框图；
图5为定位站点测距信号发生器结构框图；
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为消防员定位系统总体结构框图，如图所示，本系统包括同步站点4，至少4个定位站点2和定位终端3三部分构成，且同步站点和定位站点都布置在建筑物1外，其位置已知；定位终端3由消防员随身携带，位于建筑物1内。各定位站点使用测距信号即低频正弦波信号对载波信号进行调制，生成抑制载波双边带调幅信号，并向定位终端辐射。各定位站点的低频正弦波测距信号的频率相同，相位差恒定，各定位站点的载波信号的频率不同。定位终端接收信号，估计出各定位站点的低频正弦波测距信号到达定位终端时的相位差，从而估计出各定位站点到定位终端的距离差，进而计算出定位终端的3维位置坐标。
图2为定位站点的结构框图，如图所示，将测距信号发生器21所产生的低频正弦波测距信号调制23到本地振荡器22所产生的载波信号上，生成抑制载波双边带调幅信号，经过带通滤波器24和功率放大器25后，送往发射天线26辐射出去。各定位站点的本地振荡器所产生的载波信号频率不同，否则会产生冲突，定位终端无法区分。
图3为定位终端的结构框图，如图所示，定位终端通过接收天线31接收各定位站点发射过来的混合信号，经低噪声放大器放大后32后，与本地信号33进行混频34，变为低中频信号后，经模数转换ADC模块36变为数字信号，然后使用快速傅立叶变换FFT模块37求解出每个站点的上下边带信号的相位，上下边带信号的相位差为低频正弦波测距信号的相位，它消除了各定位站点载波信号的随机相位的影响；进而求解出各站点低频正弦波测距信号到达定位终端的相位差，进而求解出各定位站点到达定位终端的距离差，从而位置计算模块38可以求解出定位终端的3维位置坐标。
图4为同步站点的结构框图，如图所示，同步站点将低频正弦波信号41调制43在射频本振42上，然后经过带通滤波44和功率放大器45放大后由发射天线46向各定位站点辐射。
图5为定位站点测距信号发生器结构框图，如图所示，定位站点的接收天线210接收到同步站点发来的射频信号后，经低噪声放大器211放大后，通过平方电路212，滤除高频分量，经过带通滤波放大器213提取出定位站点所需的低频正弦波测距信号。
假设第i个定位终端的低频调制信号为：
(公式1)
式中fL为低频正弦波信号的频率，αi为低频正弦波信号的初始相位。
第i个定位终端载波信号为：
(公式2)
式中fHi为第i个定位站点的载波频率，βi为随机初始相位；
假设一共有n个站点，n至少为4，各定位站点的载波频率满足fH1<fH2<…<fHn。
使用低频正弦波信号调制到载波信号则第i个定位站点的发射信号为：
(公式3)
假设第i个定位站点与定位终端之间的距离为di，则第i个站点到达定位终端处的信号为
(公式4)
式中
可以表示成：
(公式5)
定位终端接收到的混合信号为：
(公式6)
为了能区分定位站点，各定位站点的上下两个边带频率不能重合，即满足以下要求：
fHi-fL≠fHi+fL≠fHj-fL≠fHj+fL，0<i≠j≤n
假设接收机的本振信号为：
s5(t)＝2cos(2πfH0t+γ0) (公式7)
式中fH0为本振信号频率，fH0<fH1-fL；γ0为接收机本振信号的随机初始相位。
将接收机接收到的混合信号下变频至低中频，得：
(公式8)
上式中的s6(t)为s4(t)的下变频后的信号，为下变频后的信号；
(公式9)
上式中fIi＝fHi-fH0；
(公式10)
对s6(t)进行模数转换，然后使用快速傅里叶变换或者全相位快速傅里叶变换(all-phase FFT)方法，得到接收机收到的混合信号的幅度谱和相位谱。
估计出第i个定位站点上边带信号的相位，即相位谱中频率分量为(fL+fIi)的信号相位：
φUi＝(β’i-γ0+α‘i) (公式11)
估计出第i个定位站点下边带信号的相位，即相位谱中频率分量为(fL-fIi)的信号相位：
φLi＝(β’i-γ0-α‘i) (公式12)
因而，可估计出第i个定位站点的低频正弦波调制信号到达定位终端时的相位为：
φi＝α’i＝(φUi-φLi)/1 (公式13)
计算出第i个定位站点的低频正弦波调制信号与第1个定位站点的低频正弦波调制信号到达定位终端的相位差；
(公式14)
上式中各个定位站点的低频正弦波调制信号是相干的，来自于同步站点，可令(αi-α1)＝0。
接下来，由相位差Δφi1求出距离差(d1-di)；室外的定位站点位置已知，假设4个定位站点的位置坐标分别为：(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4)，定位终端的位置坐标为(xr,yr,zr)，这4个定位站点到定位终端的距离分别为d1，d2，d3，d4；构造如下方程组：
(公式15)
根据此方程组，就可以求解出定位终端的位置坐标(xr,yr,zr)。
最后需要说明的是：以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种消防员应急室内定位系统，其特征在于：由位于室外的同步站点、定位站点和位于室内的定位终端构成；定位站点与定位终端之间无需同步电路；同步站点向每个定位站点发送低频正弦波测距信号；定位站点将低频正弦波测距信号调制在本机载波上，生成抑制载波双边带调幅信号，向室内定位终端辐射；定位终端接收混合信号，识别出信号分别来自于哪个定位站点，然后计算出低频正弦波测距信号的相位差，根据双曲定位原理计算出消防员的3维坐标，实现消防员实时定位与导航；所述定位终端收到的各定位站点发射过来的混合信号后，经低噪声放大后，与本振信号进行混频，下变频到低中频信号，然后进行模数转换，使用快速傅里叶变换得到信号的幅度谱和相位谱，计算出来自于每个定位站点的上下边带信号的相位差，即为低频正弦波测距信号的相位，计算来自于不同定位站点的低频正弦波测距信号的相位差，从而得到各定位站点到达定位终端的距离差，根据双曲定位原理，构造方程组，求解出每个定位终端的3维位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种消防员应急室内定位系统，其特征在于：所述同步站点产生的低频正弦波信号，通过同轴线缆直接送给各定位站点或者将该低频正弦波信号调制在射频载波上通过天线向各定位站点辐射，定位站点在收到该信号后，通过平方电路和窄带带通滤波器提取出低频正弦波测距信号。
3.根据权利要求1所述的一种消防员应急室内定位系统，其特征在于：所述定位站点将低频正弦波测距信号调制在本机载波上，生成抑制载波双边带调幅信号，经带通滤波和功率放大后由发射天线辐射出去；每个定位站点的载波信号频率不同，生成的双边带调幅信号频率也不能相同。
4.根据权利要求1所述的一种消防员应急室内定位系统，其特征在于：所述定位终端将消防员3维坐标与建筑物的3D模型相结合，识别出消防员所在楼层及房间号以及形成消防员的行进轨迹。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106908757A (zh) * 2017-03-03 2017-06-30 北京航空航天大学 一种单系统实现大范围室内外连续高精度定位的方法
CN110726969B (zh) * 2018-07-16 2022-03-15 刘勉志 消防员定位系统
TWI671539B (zh) * 2018-07-16 2019-09-11 劉勉志 消防員定位系統
CN109975752B (zh) * 2019-03-25 2021-05-04 深圳市联智物联网科技有限公司 一种相位式测距方法
CN109922431B (zh) * 2019-03-25 2021-05-04 深圳市联智物联网科技有限公司 一种基于相位式测距的定位方法
CN113115436B (zh) * 2021-03-10 2023-04-07 清华大学 信标的定位方法、装置、主站、定位系统和存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1281553A (zh) * 1997-12-10 2001-01-24 艾利森公司 用于确定移动式发射机的位置的方法和系统
CN1339879A (zh) * 2000-08-25 2002-03-13 何国瑜 一种无线电通讯、测距及区域定位系统
CN102460202A (zh) * 2009-05-27 2012-05-16 首尔大学校产学协力团 基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法
CN104280716A (zh) * 2014-08-22 2015-01-14 电子科技大学 室内定位装置及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1281553A (zh) * 1997-12-10 2001-01-24 艾利森公司 用于确定移动式发射机的位置的方法和系统
CN1339879A (zh) * 2000-08-25 2002-03-13 何国瑜 一种无线电通讯、测距及区域定位系统
CN102460202A (zh) * 2009-05-27 2012-05-16 首尔大学校产学协力团 基于包括多个天线的无线通信装置的定位系统和方法
CN104280716A (zh) * 2014-08-22 2015-01-14 电子科技大学 室内定位装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《交通出行信息服务平台及其关键技术应用研究》;李晓斌;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20101115(第11期);第119-120页 *

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