CN105158728A - 一种无线测向定位搜救装置及搜救方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线测向定位搜救装置，所述无线测向定位搜救装置包括信号处理模块以及分别连接所述信号处理模块的测向天线模块、人机交互模块、通讯模块、电源，所述测向天线模块能够确定遇险人员方位，所述信号处理模块基于信号达到时间的定位原理确定遇险人员的位置坐标，所述人机交互模块能够直观地显示遇险人员的方位和距离。本发明还提供一种应用所述无线测向定位搜救装置的搜救方法，能够即时接收遇险人员的求救信号，并直观地指示出遇险人员的方位，实现对因地形复杂，目力不能及或被障碍物遮挡、黑暗等恶劣情况下的遇险人员的应答式搜寻，方便救援人员快速准确的实施救援。

Description

一种无线测向定位搜救装置及搜救方法

技术领域

本发明涉及遇险人员搜救技术领域，尤其涉及一种无线测向定位搜救装置及搜救方法。

背景技术

我国幅员广阔，地理、气象条件复杂，自然灾害时有发生，广大的野外工作者包括地质、矿山、地理勘察、大地测绘、工程设计等人员的工作，属于野外涉险作业，另外，随着国民经济和社会的发展与进步，我国隧道等基础建设以及海上运输等活动变得频繁，相关的工作也属于涉险作业。这些涉险作业的周围环境一旦出现意外，遇险人员被困后，往往需要借助外界人员的救助才能有效脱离险境。然而由于遇险人员所处的环境地形复杂或面积太大或被障碍物遮挡，造成搜救人员目力不能及，很难施救，所以除了目力搜寻外，搜救人员通常需要借助无线搜救装置来对对遇险人员发出的无线报警信号进行搜索定位，以准确找到遇险人员。目前，无线搜救装置所采用的无线信号定位技术可以分为五种：基于信号强度(signalstrengthofArrival，SSOA)、基于信号到达时延(timeofarrival，TOA)、基于信号到达时延差(timeDifferenceofArrival,TDOA)、基于信号到达角度(AngleofArrival，AOA)以及混合定位。

(1)基于信号强度的定位

基于信号强度的基本定位技术是通过测量接收信号的场强值，利用已知信道衰落模型以及发射信号的场强值估算出移动终端到多个发射基站之间的距离，通过求解收发信机之间的距离方程组，即能确定目标移动台位置。场强定位的一个关键问题是无线电信号强度(功率)衰落(损耗)数学模型的建立。有许多相关研究工作者对电波传播模型进行了深入的研究。建立了许多不同种类、适用于不同环境的电波传播损耗模型。在无线电覆盖预测和场强衰减定位时，通常使用的是Okumura模型，Hata模型，Okumura-Hata模型。但是由于实际无线电传播环境非常复杂，一般而言，这种方法只有在无线电波传播模型与地理环境匹配得比较好时，定位精度才较高。在实际运用时，通常需要用实际测量的方法来修正模型，提高定位精度。基于信号强度的定位方法相对来说容易实施，费用较小，不需要对移动终端和基站硬件进行修改，只要对通信软件做一些修改就可以了，但是其定位精度受多径衰落和阴影效应的影响，精度较差；

(2)基于信号到达时间的定位

基于信号到达时间定位的基本方法是同时从多个基站测量同一个移动终端的发射信号到达的时间，根据到达时间计算移动终端到基站的距离，再根据多个距离估计值估计移动终端的位置。当存在视距传播的情况下，若信号在移动终端和第i个基站之间的传播时间t_i，无线电信号传播速度为c，则信号到达时间和电波的传播速度的乘积就是移动终端与基站之间的距离R_i，即R_i＝c×t_i。若移动台位置坐标为(x₀,y₀)，第i个基站的位置坐标为(x_i,y_i)，则移动台被定位在以基站i所在位置(x_i,y_i)为圆心、R_i为半径的圆周上。即TOA方程组为：若测得信号在移动终端与三个基站间的传播时间，那么3个圆的交点就是移动台的位置。同步精度和时间测量误差是影响TOA定位精度的关键。应用TOA定位时，要求接收信号的基站/移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站和移动终端之间有非常精确的时钟，这一点实现起来是相当困难，这也是TOA基本定位技术的主要缺点。因为移动终端的位置是不确定的，而它与基站之间的传播时间本来就是被测参数，基站控制的移动终端同步一定存在较大的误差。因此，要使基站间、基站和移动终端间，特别是基站和移动终端间保持高精度的时间同步，就必须在基站和移动终端添加高精度的时钟，在基站添加还可以实施，在移动终端就相当不方便了，这不仅要增加移动终端的体积，而且要增加移动终端的成本。另外，TOA定位至少要求三个基站同时参与定位计算，在大区制蜂窝系统，受Hearability因素的影响，很难实现三个基站同时收到同一个终端的信号。由于同步误差、NLOS误差等影响，会使圆无法交汇，或者交汇处不是一个点而是一个区域。因此，在实际定位时，可以利用GPS对基站进行校时，提高同步精度，降低同步误差，并利用其他补偿算法来抑制NLOS误差，降低TOA测量误差，提高算法的定位精度。但同时也增加了系统开销和算法复杂程度。基于信号到达时间定位技术虽然系统设备相对复杂，但其基站和移动终端间能够保持高精度的时间同步，定位精度较高。

(3)基于信号到达时间差的定位

TDOA是通过检测信号到达两个基站的传播时间差，而不是像TOA定位一样测量到达的绝对时间来确定移动终端的位置，降低了时间同步要求。移动终端定位于以两个基站为焦点的双曲线上。当已知基站BS1和基站BS2与移动台之间的距离差R₂₁＝R₂-R₁时，移动台必定位于以两基站为焦点，与两个焦点的距离差恒为R₂₁的以实线表示的双曲线对上。当同时又知道基站BS1和基站BS3与移动台之间的距离差R₃₁＝R₃-R₁时，可以得到另一组以两基站BS1和BS3为焦点，与该两个焦点的距离差恒为R₃₁的以虚线表示的双曲线对上。于是，两组双曲线的交点代表对移动台位置的估计：

$\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}-\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2={R_{21}}^2\\ {(\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2}-\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2={R_{31}}^2\end{array}\right.$

其中，移动台的位置坐标为(x₀,y₀)，已知基站BS1的位置坐标为(x₁,y₁)，基站BS2的位置坐标为(x₂,y₂)，基站BS3的位置坐标为(x₃,y₃)。

基于信号到达时间差定位，只要求基站间同步，而不要求基站与移动终端间同步。基站位置是固定的，基站间实施同步比移动终端与基站间同步要容易。因此，TDOA定位比TOA定位更容易实现，更具有适用性，应用非常广泛，许多传统定位系统如雷达、声纳和GPS等都采用这种基本定位技术。

(4)基于信号到达角度的定位

基于信号到达角度的定位是在视距传播的情况下，基站接收机通过天线阵列测出移动台发射电波信号的入射角度，从而形成一根从接收机到移动台的径向连线，即方位线，由2个基站得到的2个方位线的交点就是移动台的位置。

假设基站BS1和BS2分别测得移动台发出信号得到达角度分别为θ1和θ2，则下式成立：

其中，移动台的位置坐标为(x₀,y₀)，已知基站BS1的位置坐标为(x₁,y₁)，基站BS2的位置坐标为(x₂,y₂)。

通过求解上述非线性方程，可以得到移动台位置(x₀,y₀)。AOA算法只需要2个基站就可以确定位置，而2条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象，即定位的模糊性。但为了测量信号的入射角度，接收机的天线需要改进，必须配备方向性强的天线阵列。当移动终端距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差，而且完全不适用于非视距传播的情况，这就大大限制了该方法在蜂窝移动通信网络的运用。

(5)混合定位技术

这种方法是利用上述两种或多种不同类型的信号特征测量值如TOA/AOA、TDOA/AOA、TDOA/TOA进行定位估计。例如，如果一个基站(x₁,y₁)能够同时测得移动台发出信号以直射路径到达基站的时间t₁和角度θ则移动台相对于基站的距离R₁＝c·t₁和方位角θ已知，于是由下式信息编码与传输可以解出移动台位置(x₀,y₀)，即

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{tan\θ}}_1=\frac{x_0-x_1}{y_0-y_1}\\ {(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2={(c\·t_1)}^2\end{array}\right.$

混合定位技术虽然可以综合上述几个技术的定位信号测量优点，但是需提供不同的信号特征测量值，仍要依赖地面其它通信系统才能达成系统功能，系统生存能力差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线测向定位搜救装置及搜救方法，能够实现对因地形复杂，目力不能及或被障碍物遮挡、黑暗等恶劣情况下的遇险人员的应答式搜寻，快速准确地定位到这些遇险人员，以实施快速准确的救援。

为解决上述问题，本发明提出一种无线测向定位搜救装置，包括信号处理模块以及分别连接所述信号处理模块的测向天线模块、人机交互模块、通讯模块、电源，其中：

所述测向天线模块包括用于对遇险人员的方向进行解算的天线阵列电路，天线阵列电路主要由多支天线电路构成，每支天线电路包括依次电连接的测向天线、低噪声放大器、带通滤波器、限幅放大器以及A/D采样器；

所述通讯模块用于接收遇险人员发送的求救信号以及向遇险人员发射所述信号处理模块产生的询问信号，所述通讯模块包括收发天线、与收发天线分别连接的信号接收器和信号发射器以及与信号处理模块、信号接收器、信号发射器分别连接的收发开关；

所述信号处理模块连接各个接收A/D采样器以及信号接收器和信号发射器，并用于根据所有A/D采样器接收的各个天线信号以及通讯模块收发的信号进行测向计算以定位出遇险人员的方位，显示在人机交互模块；

所述人机交互模块包括方位测向显示器以及电源开关，所述方位测向显示器用于显示遇险人员与救援人员之间的相对方位角，所述电源开关连接电源以及信号处理模块，用于开关机；

所述电源用于为无线测向定位搜救装置供电。

进一步的，所述方位测向显示器主要由多盏均匀分布的LED灯组成，所有LED灯平分360°，每盏LED灯用于指示遇险人员的方位，且其中一盏LED灯还用于显示无线测向定位搜救装置的自身位置坐标。

进一步的，所述人机交互模块还包括频率选择键、声光报警器、音量调节键、距离指示器以及复原按钮，其中：

频率选择键连接所述通讯模块，用于为通讯模块选择信号收发频率；

声光报警器连接所述通讯模块，用于在通讯模块接收到遇险人员发出的求救信号时进行声光报警，所述声光报警器包括扬声器；

所述音量调节键连接扬声器并用于调节扬声器的音量大小；

所述距离指示器主要由多盏顺序排列的LED指示灯组成，用于以顺序排列的LED指示灯的亮起顺序以及亮起数量表示所述测向天线模块接收信号的强弱以及遇险人员与救援人员之间的距离；

所述复原按钮用于在完成一次搜救任务后，复原无线测向定位搜救装置的状态；

进一步的，所述人机交互模块还包括频率信号检测键，用于检测收到的频率信号是否为遇险人员发出的求救信号。

进一步的，所述人机交互模块还包括靠近目标信号指示器，用于当靠近遇险人员时提醒救援人员不要撞到遇险人员。

进一步的，所述人机交互模块中的电源开关和音量调节键分别为多功能复用按键，配合使用时用于调节所述无线测向定位搜救装置中相应的LED灯的亮度。

进一步的，所述人机交互模块还包括前进方向指向器，包括GPS定位单元以及指向箭头。

本发明还提供一种应用上述无线测向定位搜救装置的搜救方法，包括以下步骤：

打开电源开关，无线测向定位搜救装置开机，通讯模块实时监测求救信号，并在接收到遇险人员发来的求救信号时发出询问信号，继续监测遇险人员发回的应答信号；

测向天线模块的天线阵列电路监测所述应答信号，并确定应答信号的来波方向；

信号处理模块根据询问信号的发出时间t₀、询问信号的传播速度v＝λf、救援人员向来波方向的移动速度v₀、应答信号的时延T以及通讯模块收到应答信号的时间t₂，计算出遇险人员与救援人员的距离d₁：

λ、f分别表示询问信号的波长和频率；

所述信号处理模块根据测向天线模块确定的方位以及救援人员的自身坐标(x₀,y₀)，计算出遇险人员与救援人员之间的相对方位角θ以及遇险人员的位置坐标(x₁,y₁)：

$\left\{\begin{array}{c}tan\mathrm{\θ}=\frac{x_0-x_1}{y_0-y_1}\\ {(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2={d_1}^2\end{array}\right.;$

所述人机交互模块的方位测向显示器显示遇险人员与救援人员之间的相对方位角θ，距离以及遇险人员的位置坐标(x₁,y₁)。

进一步的，所述方位测向显示器主要由多盏均匀分布的LED灯组成，所有LED灯平分360°，当测向天线模块确定应答信号的来波方向时，亮起来波方向对应的LED灯，以显示遇险人员与救援人员的相对角度。

进一步的，所述人机交互模块还包括频率选择键、频率信号检测键、声光报警器、音量调节键、距离指示器以及复原按钮，所述搜救方法还包括：

通过频率选择键为通讯模块选择监测信号的频率；

通过频率信号检测键来检测通讯模块接收的信号的频率，以确定通讯模块接收的信号是否为求救信号或应答信号，以屏蔽干扰信号；

在通讯模块接收到遇险人员发出的求救信号时，通过声光报警器向救援人员进行声光报警；

所述距离指示器主要由多盏顺序排列的LED指示灯组成，通过顺序排列的LED指示灯的亮起顺序以及亮起数量来显示所述测向天线模块接收信号的强弱以及遇险人员与救援人员之间的距离；

通过音量调节键连接扬声器并用于调节扬声器的音量大小；

按住电源开关不放，人机交互模块上的所有的LED灯亮起，进入各个LED灯亮度调节模式，使用音量调节键调节相应的LED灯亮度，调节完成后，松开电源开关；

在完成一次搜救任务后，按下所述复原按钮来复原无线测向定位搜救装置的状态。

与现有技术相比，本发明提供一种无线测向定位搜救装置及搜救方法，所述无线测向定位搜救装置包括信号处理模块以及分别连接所述信号处理模块的测向天线模块、人机交互模块、通讯模块、电源，所述测向天线模块能够确定遇险人员方位，所述信号处理模块基于信号达到时间的定位原理确定遇险人员的位置坐标，所述人机交互模块能够直观地显示遇险人员的方位和距离。利用该无线测向定位搜救装置的搜救方法，能够即时接收遇险人员的求救信号，并直观地指示出遇险人员的方位，实现对因地形复杂，目力不能及或被障碍物遮挡、黑暗等恶劣情况下的遇险人员的应答式搜寻，方便救援人员快速准确的实施救援。

附图说明

图1是本发明具体实施例的无线测向定位搜救装置的系统电路图；

图2是本发明具体实施例的人机交互模块的控制面板结构示意图；

图3是本发明具体实施例的测向天线模块的结构示意图；

图4是本发明具体实施例的搜救方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

请参考图1和图2，本发明提出一种无线测向定位搜救装置，包括信号处理模块1以及分别连接所述信号处理模块1的测向天线模块2、人机交互模块4、通讯模块3、电源5。本发明的无线测向定位搜救装置可以制作成便携式装置，例如制作成与遇险人员所携带的求救信号发射器匹配的便携式追踪器，其测向天线模块2可作为手持模块，用于探测遇险人员的方向，而信号处理模块1、人机交互模块4、通讯模块3、电源5集成为箱式壳体(例如长300mm、宽200mm、高260mm的箱体)，人机交互模块4主要用作控制显示面板，接收救援人员指令以及向救援人员显示信息。

信号处理模块1主要由具有数据计算处理功能的微处理芯片构成，例如DSP芯片或者FPGA与DSP芯片搭建的系统，用于发射询问信号并接收通讯模块3接收到的求救信号，计算遇险人员的位置坐标，信号处理模块1采用基于信号达到时间的定位原理进行遇险人员位置坐标定位，具体地：

救援人员携带本发明的无线测向定位搜救装置，当遇险人员遇险后迅速启动报警信号发射器(发射信号频率与通讯模块3的收发天线接收的频率匹配)，发出求救信号，通讯模块3接收受到求救信号后，信号处理模块1迅速产生询问指令，通讯模块3将该询问指令转换为无线询问信号发出，询问信号发出的时刻标记为t₀，该时刻遇险人员与救援人员之间的距离为d，遇险人员的报警信号发射器在t₁时刻接收到询问信号后，延时T(一般为几秒钟，可以忽略)后，并往通讯模块3发射应答信号，应答信号到达通讯模块3的时刻为t₂，此时遇险人员与救援人员之间的变为d₁，则存在的关系式如下：

d＝v(t₁-t₀)

d₁＝v(t₂-T-t₁)

d-d₁＝v₀(t₂-t₀)

式中，v＝λf表示询问信号(即无线电波)传播速度，λ、f分别表示无线电波的波长和频率(求救信号与询问信号的频率相等)，v₀表示救援人员速度，救援人员朝向遇险人员方向航行时v₀为正值，否则v₀为负值，由上述三式可知：

$d_1=\frac{v(t_2-T-t_0)-v_0(t_2-t_0)}{2}$

因此测量出通讯模块发出询问信号与接收到应答信号的时间差t₂-t₀，就可确定接收到应答信号时救援人员与遇险人员间的距离d₁。

当已知救援人员的坐标信息以及遇险人员的方向信息后，就可根据下面的公式确定遇险人员的确切坐标：

$\left\{\begin{array}{c}tan\mathrm{\θ}=\frac{x_0-x_1}{y_0-y_1}\\ {(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2={d_1}^2\end{array}\right.$

式中，(x₀,y₀)是救援人员的自身坐标，可以通过GPS定位单元定位获知；(x₁,y₁)是遇险人员的位置坐标；θ是遇险人员与救援人员之间的相对方位角，通过测向天线模块2获得。

请参考图3，本实施例的测向天线模块2主要由天线阵列电路组成，天线阵列电路主要由三支天线电路构成，测向天线模块2利用三天线阵列多普勒测向方法对遇险人员的方向进行解算。每支天线电路包括依次电连接的测向天线20、低噪声放大器(LNA)21、带通滤波器(BPF)22、限幅放大器(AMP)23以及A/D采样器24，每个测向天线，全长(即高度)为55cm，三个测向天线固定安装在等边三角形手持支架200上，优选安装等边三角形的顶角处，等边三角形每边边长为35cm，使得测向天线模块2及其手持支架200的总重量(例如为重0.3Kg)和体积适宜，可随身携带，且测向天线的均匀安装可以实现360°无死角工作，保证监测的无线信号不丢失。每个测向天线20接收的无线信号均依次经过低噪声放大器21的低噪放大、带通滤波器22的带通滤波、限幅放大器23的限幅放大以及A/D采样器24的模数转换后输入到信号处理模块1中进行测向运算。在搜救工作中，测向天线模块2通过电缆与便携式的箱式壳体相连接，同时尽量通过手持支架200的手杆201将测向天线模块2平稳地安放在高处，以更好地接收信号。本实施例的测向天线模块1的各个测向天线20的工作温度为–20℃～+70℃，天线增益为1.4dBi，灵敏度(目标方位分辨率阈值)为3dBuV/m，最佳方位分辨率为10dBuv/m，测向天线20连接电缆用的匹配阻抗为75Ω，匹配电容为60pF/m，信号衰减性能为：信号频率为1.5MHz时，损耗系数为0.028dB/m，信号频率为100MHz时，损耗系数为0.2dB/m，信号频率为500MHz，损耗系数为0.47dB/m。

所述通讯模块2包括收发天线34、信号接收器31和信号发射器32以及与收发天线34、信号处理模块1、信号接收器31、信号发射器32分别连接的收发开关33。收发开关33用于接受信号处理模块1的控制信号，对收发天线34进行信号收发切换。信号接收器31包括依次连接的低噪声放大器(LNA)311、下变频器313、限幅放大器(AMP)314、带通滤波器(BPF)315、解调器316(连接至信号处理模块1的一个输入端)以及输入端连接BPF315、输出端连接信号处理模块1和AMP314的信号增益器(AGC)312，信号增益器(AGC)312受信号处理模块1的直接控制，自动调整增益效果。收发天线34从外界接收的求救信号等无线信号依次经过LNA311的低噪放大、下变频器313的低频率变换、AGC312的自动增益、AMP314的限幅放大、BPF315的带通滤波以及解调器316的调制解调后输入到信号处理模块1中进行检验和使用。信号发射器32包括连接信号处理模块1的一个输出端的调制器321、连接调制器321的放大器322，信号处理模块1在确定信号接收器31接收到的信号为遇险人员发来的求救信号时，会产生询问信号，并通过调制器321的调制以及放大器322的放大后变换为收发天线34能够向外无线发射的信号，收发天线34在收发开关33的控制下，从信号接收状态切换为信号发射状态，将询问信号发射出去。

请参考图1和图2，本实施例的人机交互模块4主要包括与信号处理模块1电连接的控制显示面板4000，用于根据信号处理模块1的控制，显示相应的信息。控制显示面板4000上有：方位测向(DF)显示器41、频率选择键42、音量调节键43、距离指示器44(即信号强度指示器)、靠近目标距离指示器45、复位按钮46、频率信号检测键47、电源开关48、前进方向指向器(指向箭头)49。其中：

方位测向显示器41，用于将测向天线模块2测出的遇险人员的方向进行显示，本实施例中，方位测向显示器41由24盏LED灯圆形排列组成，其中指向救援人员前进方向的(即遇险人员与救援人员的前进方向的夹角为0°)的LED灯是橙色的，其余23盏LED灯为红色，4盏LED灯平分圆周角360°，相邻两盏LED灯之间的夹角15°，当测向天线模块2测定出遇险信号的来波方向，即遇险人员相对救援人员前进方向的方向时，则该方向(即相对的角度上)的LED灯会亮起红色或闪烁红色，从而显示遇险人员相对救援人员前进方向的方向和角度。在本发明的其他实施例中，方位测向显示器可以采用其他数目的LED灯沿圆周均匀布设，例如3盏LED灯、4盏LED灯、10盏LED灯、20盏LED灯等，数目越多，指示方位越精确，但耗电量也会也大。

频率选择键，连接信号处理模块1，用来为通讯模块3选择信标频率，本实施例中，共有3个频率可供选择，121.500MHz为通讯模块3的收发天线能够接收的求救信号的值班信标频率，121.650MHz和121.775MHz为测试频率，用来测试通讯模块3性能，频率选择键42每按一次转换一个频率，正常开机情况下，频率处在121.500MHz的值班信标频率，用户可根据需要进行频率选择。

音量调节键43，用来调节声光报警器41中扬声器声音的大小，电源开关48开启后，扬声器音量处在中间值，按音量调节键“+”或“-”可调节音量增大或减小。其中，扬声器的最大输出功率为8w(扬声器阻抗＞8Ω)

距离指示器44用来指示离遇险人员的大致距离，本实施例中有两排横向排列的绿色LED指示灯组成，第一排的4盏绿色LED指示灯组成水平排列在靠近目标信号指示器45下方，从左到右亮灯显示接收信号从弱到强，第二排由8盏绿色LED指示灯水平排列而成，从左到右亮灯显示探测距离从远到近，可以设置救援人员距离遇险人员一定距离(例如1千米)时，第二排最左侧绿色LED指示灯亮起，每缩短一定距离后，右边的一个绿色LED指示灯亮起，由此来直观地告诉救援人员到达遇险人员的近似距离。

靠近目标信号指示器45，用来指示已经靠近遇险人员，靠近目标信号指示器45包括“SOS”标志及“SOS”标志内的一个小的红色遇险人标志LED灯，当救援人员非常靠近遇险人员时，红色遇险人标志LED灯将突然亮起，以提醒救援人员不要撞到遇险人员。

复原按钮46，用来在一次搜救结束后恢复初始设定数值，即当一次搜救工作结束后，救援人员按下复原按钮，这时本发明的无线测向定位搜救装置将恢复到警戒值班模式，即求救信号的监测模式。

频率信号检测键47，用于检测通讯模块3收到的频率信号是否为特定的报警信号发射器发出，即通讯模块3仅对特定的报警信号发射器发出的频率信号作出反应，能自动屏蔽不是来自遇险人员的报警信号发射器发出的信号(即频率不匹配的干扰信号)，当频率信号检测键47检测到正确的求救信号时将自动启动声光报警器，声光报警器的报警LED灯(未图示)会亮起，扬声器会同时发出警报声音，此时按下复原按钮46，系统就进入定向搜救状态。

电源开关48连接在电源5和信号处理模块1之间，对电源5想系统的供电、断电进行控制，实现系统开关机。电源开关48为功能复用的开关，配合音量调节键43使用还可以调节相应的LED灯亮度，按一下电源开关，开关机指示灯(未图示)亮起，表示本发明的无线测向定位搜救装置处于开启状态，再按一下电源开关48，开关机指示灯灯熄灭，表示本发明的无线测向定位搜救装置处于关闭状态；按住电源开关不放，控制显示面板4000上所有的LED灯亮起,此时进入LED灯亮度调节模式，救援人员可以使用音量调节键43“+”和“–”，调节相应地LED灯亮度，调节完成后，迅速松开电源开关48。在本发明的其他实施例中，也可以设置电源开关和音量调节键的配合使用仅能控制人机交互模块4中的LED灯。

前进方向指向器49可以由超声波传感器、指南针等构成，用来显示救援人员的前进方向，例如在隧道中搜索时，该前进方向指向器49可以指示隧道延伸方向，指引救援人员有效地实施搜救。

此外，人机交互模块4还包括用于显示遇险人员身份信息以及位置坐标的显示屏400以及与信息处理模块1进行信息交互的控制器401。

本实施例的电源5为充电电池，充电电池采用锂电池，电压为12VDC，标准状态(即待机状态)的工作电流为300mA，跟踪信号状态(即搜救的工作状态)的工作电流为850mA，声、光同时报警的报警状态的工作电流为1300mA，仅声报警的报警状态的工作电流为400mA，由此根据不同的状态，调节电源的工作电流，能够延长电源连续工作的时间，经测试，在没有外部供电的情况下，可以连续工作达70个小时。

为了更好的实施搜救，无线测向定位搜救装置包括配件充电器、防水旅行袋，配件充电器供锂电池充电使用，防水旅行袋用于包裹机身，实现防水防雨等，并便于救援人员随身携带。

本发明的无线测向定位搜救装置包括信号处理模块以及分别连接所述信号处理模块的测向天线模块、人机交互模块、通讯模块、电源，所述测向天线模块能够确定遇险人员方位，所述信号处理模块基于信号达到时间的定位原理确定遇险人员的位置坐标，所述人机交互模块能够直观地显示遇险人员的方位和距离，可制作成易于随身携带的外形大小，放置在救援人员身上、隧道、地震现场、塌方现场、救生艇、舰载搜救直升飞机以及海岛、海滩、码头等救援值班场所，实现对因地形复杂，目力不能及或被障碍物遮挡、黑暗等恶劣情况下的遇险人员的应答式搜寻，方便救援人员快速准确的实施救援。

请参考图4，本发明还提供一种应用上述无线测向定位搜救装置的搜救方法，包括以下步骤：

S400，打开电源开关，无线测向定位搜救装置开机；

S401，通讯模块实时监测求救信号，并在接收到遇险人员发来的求救信号时发出询问信号，继续监测遇险人员发回的应答信号；

S402，测向天线模块的天线阵列电路监测所述应答信号，并确定应答信号的来波方向；

S403，信号处理模块根据询问信号的发出时间t₀、询问信号的传播速度v＝λf、救援人员向来波方向的移动速度v₀、应答信号的时延T以及通讯模块收到应答信号的时间t₂，计算出遇险人员与救援人员的距离d₁：

λ、f分别表示询问信号的波长和频率；

所述信号处理模块根据测向天线模块确定的方位以及救援人员的自身坐标(x₀,y₀)，计算出遇险人员与救援人员之间的相对方位角θ以及遇险人员的位置坐标(x₁,y₁)：

$\left\{\begin{array}{c}tan\mathrm{\θ}=\frac{x_0-x_1}{y_0-y_1}\\ {(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2={d_1}^2\end{array}\right.;$

S404，所述人机交互模块的方位测向显示器显示遇险人员与救援人员之间的相对方位角θ，距离以及遇险人员的位置坐标(x₁,y₁)。

步骤S402中，所述方位测向显示器主要由多盏均匀分布的LED灯组成，所有LED灯平分360°，当测向天线模块确定应答信号的来波方向时，亮起来波方向对应的LED灯，以显示遇险人员与救援人员的相对角度。

步骤S404中，所述人机交互模块还包括频率选择键、频率信号检测键、声光报警器、音量调节键、距离指示器以及复原按钮，所述搜救方法还包括：

通过频率选择键为通讯模块选择监测信号的频率；

通过频率信号检测键来检测通讯模块接收的信号的频率，以确定通讯模块接收的信号是否为求救信号或应答信号，以屏蔽干扰信号；

在通讯模块接收到遇险人员发出的求救信号时，通过声光报警器向救援人员进行声光报警；

所述距离指示器主要由多盏顺序排列的LED指示灯组成，通过顺序排列的LED指示灯的亮起顺序以及亮起数量来显示所述测向天线模块接收信号的强弱以及遇险人员与救援人员之间的距离；

通过音量调节键连接扬声器并用于调节扬声器的音量大小；

按住电源开关不放，人机交互模块上的所有的LED灯亮起，进入各个LED灯亮度调节模式，使用音量调节键调节相应的LED灯亮度，调节完成后，松开电源开关；

在完成一次搜救任务后，按下所述复原按钮来复原无线测向定位搜救装置的状态。

由上所述，本发明提供的应用本发明的无线测向定位搜救装置的搜救方法，通过所述测向天线模块能够确定遇险人员方位，通过所述信号处理模块基于信号达到时间的定位原理确定遇险人员的位置坐标，通过所述人机交互模块直观地显示遇险人员的方位和距离，因此能够即时接收遇险人员的求救信号，并直观地指示出遇险人员的方位，实现对因地形复杂，目力不能及或被障碍物遮挡、黑暗等恶劣情况下的遇险人员的应答式搜寻，方便救援人员快速准确的实施救援。

显然，本领域的技术人员可以对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 (10)

1.一种无线测向定位搜救装置，包括信号处理模块以及分别连接所述信号处理模块的测向天线模块、人机交互模块、通讯模块、电源，其特征在于：

所述测向天线模块包括用于对遇险人员的方向进行解算的天线阵列电路，天线阵列电路主要由多支天线电路构成，每支天线电路包括依次电连接的测向天线、低噪声放大器、带通滤波器、限幅放大器以及A/D采样器；

所述通讯模块用于接收遇险人员发送的求救信号以及向遇险人员发射所述信号处理模块产生的询问信号，所述通讯模块包括收发天线、与收发天线分别连接的信号接收器和信号发射器以及与信号处理模块、信号接收器、信号发射器分别连接的收发开关；

所述信号处理模块连接各个接收A/D采样器以及信号接收器和信号发射器，并用于根据所有A/D采样器接收的各个天线信号以及通讯模块收发的信号进行测向计算以定位出遇险人员的方位，显示在人机交互模块；

所述人机交互模块包括方位测向显示器以及电源开关，所述方位测向显示器用于显示遇险人员与救援人员之间的相对方位角，所述电源开关连接电源以及信号处理模块，用于开关机；

所述电源用于为无线测向定位搜救装置供电。

2.如权利要求1所述的无线测向定位搜救装置，其特征在于：所述方位测向显示器主要由多盏均匀分布的LED灯组成，所有LED灯平分360°，每盏LED灯用于指示遇险人员的方位，且其中一盏LED灯还用于显示无线测向定位搜救装置的自身位置坐标。

3.如权利要求1所述的无线测向定位搜救装置，其特征在于：所述人机交互模块还包括频率选择键、声光报警器、音量调节键、距离指示器以及复原按钮，其中：

频率选择键连接所述通讯模块，用于为通讯模块选择信号收发频率；

声光报警器连接所述通讯模块，用于在通讯模块接收到遇险人员发出的求救信号时进行声光报警，所述声光报警器包括扬声器；

所述音量调节键连接扬声器并用于调节扬声器的音量大小；

所述距离指示器主要由多盏顺序排列的LED指示灯组成，用于以顺序排列的LED指示灯的亮起顺序以及亮起数量表示所述测向天线模块接收信号的强弱以及遇险人员与救援人员之间的距离；

所述复原按钮用于在完成一次搜救任务后，复原无线测向定位搜救装置的状态。

4.如权利要求1所述的无线测向定位搜救装置，其特征在于：所述人机交互模块还包括频率信号检测键，用于检测收到的频率信号是否为遇险人员发出的求救信号。

5.如权利要求1所述的无线测向定位搜救装置，其特征在于：所述人机交互模块还包括靠近目标信号指示器，用于当靠近遇险人员时提醒救援人员不要撞到遇险人员。

6.如权利要求3所述的无线测向定位搜救装置，其特征在于：所述人机交互模块中的电源开关和音量调节键分别为多功能复用按键，配合使用时用于调节所述无线测向定位搜救装置中相应的LED灯的亮度。

7.如权利要求1所述的无线测向定位搜救装置，其特征在于：所述人机交互模块还包括前进方向指向器，包括GPS定位单元以及指向箭头。

8.一种应用权利要求1至7任一项无线测向定位搜救装置的搜救方法，其特征在于，包括：

打开电源开关，无线测向定位搜救装置开机，通讯模块实时监测求救信号，并在接收到遇险人员发来的求救信号时发出询问信号，继续监测遇险人员发回的应答信号；

测向天线模块的天线阵列电路监测所述应答信号，并确定应答信号的来波方向；

信号处理模块根据询问信号的发出时间t₀、询问信号的传播速度v＝λf、救援人员向来波方向的移动速度v₀、应答信号的时延T以及通讯模块收到应答信号的时间t₂，计算出遇险人员与救援人员的距离d₁：

λ、f分别表示询问信号的波长和频率；

所述信号处理模块根据测向天线模块确定的方位以及救援人员的自身坐标(x₀,y₀)，计算出遇险人员与救援人员之间的相对方位角θ以及遇险人员的位置坐标(x₁,y₁)：

所述人机交互模块的方位测向显示器显示遇险人员与救援人员之间的相对方位角θ，距离以及遇险人员的位置坐标(x₁,y₁)。

9.如权利要求8所述的搜救方法，其特征在于，所述方位测向显示器主要由多盏均匀分布的LED灯组成，所有LED灯平分360°，当测向天线模块确定应答信号的来波方向时，亮起来波方向对应的LED灯，以显示遇险人员与救援人员的相对角度。

10.如权利要求8所述的搜救方法，其特征在于，所述人机交互模块还包括频率选择键、频率信号检测键、声光报警器、音量调节键、距离指示器以及复原按钮，所述搜救方法还包括：

通过频率选择键为通讯模块选择监测信号的频率；

通过频率信号检测键来检测通讯模块接收的信号的频率，以确定通讯模块接收的信号是否为求救信号或应答信号，以屏蔽干扰信号；

在通讯模块接收到遇险人员发出的求救信号时，通过声光报警器向救援人员进行声光报警；

所述距离指示器主要由多盏顺序排列的LED指示灯组成，通过顺序排列的LED指示灯的亮起顺序以及亮起数量来显示所述测向天线模块接收信号的强弱以及遇险人员与救援人员之间的距离；

通过音量调节键连接扬声器并用于调节扬声器的音量大小；

按住电源开关不放，人机交互模块上的所有的LED灯亮起，进入各个LED灯亮度调节模式，使用音量调节键调节相应的LED灯亮度，调节完成后，松开电源开关；

在完成一次搜救任务后，按下所述复原按钮来复原无线测向定位搜救装置的状态。