CN107607974A - 一种可快速部署的应急物流装备跟踪定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可快速部署的应急物流装备跟踪定位方法，集成应用北斗RNSS、RDSS、UWB和MEMS组合定位技术，实现救援物资的投递过程的室内、室外、通信设施损毁等各类环境下的位置跟踪报告功能，当应急物流物资和装备从物资供应中心到应急配送中心野外运输时，启动GNSS定位模块+MEMS定位模块，实现车辆及物资的跟踪定位，当物资运送至物流配送中心进入室内环境，启动UWB模块+GNSS模块进行定位，启动UWB定位+MEMS模块定位模式，全过程中，数据处理模块将不同定位方式获得的位置信息进行时空基准的统一，编码组帧，启动RDSS模块，通过北斗卫星实现全程位置信息的报告。本发明在环境复杂、基础设施损毁情况下的可快速部署，保证了应急物流装备的全程位置跟踪与监控。

Description

一种可快速部署的应急物流装备跟踪定位方法

技术领域

本发明涉及室内外无缝定位与应急通信集成领域，特别是指应急发生时移动基站损害情况下的物流装备室内外无缝跟踪定位方法。

背景技术

应急物流是指为应对严重自然灾害、突发性公共卫生事件、公共安全事件及军事冲突等突发事件而对物资、人员、资金的需求进行紧急保障的一种特殊物流活动。应急物流系统主要有以下几个环节：应急物流协调指挥中心、物资供给端、物流中心以及物资需求端，各个业务环节之间实现信息的传递，保障应急物资能够在第一时间内从物资供应点精准投送到物资需求人员手中。整个过程经历了从物资供应端物资的在途运输、到达物资配送点的卸货存放、物资分发、灾害现场的精准投送，这些过程中指挥中心需要全程对应急物资全过程进行跟踪监控。目前，物流领域导航定位技术包括北斗/GPS车载终端对于物流车辆的定位、基于RFID是仓储内物流的定位、基于UWB的仓储和人员定位，这些定位方式具有各自的适用范围。

北斗/GPS车载终端适用于野外空旷环境，卫星信号不受遮挡且可见卫星的几何构型比较好的情况，单频接收机的定位精度8米。

RFID定位技术是无限射频定位重要方向，定位精度可到亚米级，但要求读卡器和标签之间距离短，适合于辅助库管人员上架和拣货，需要提前部署读卡器。

UWB是一种无载波通信技术，抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一。

惯性导航系统(INS，Inertial Navigation System)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，近年来发展起来的微惯导技术能够是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，随着成本较低、体积较小的MEMS器件精度越来越高，由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计以及外围电路组合形成微型惯性测量单元(MIMU)己经逐步推广到工业、消费等领域。

北斗RDSS技术是北斗导航区别于GPS系统的重要特征之一，通过北斗卫星GEO 卫星上通信转发器，实现卫星通信功能。在移动基站遭遇破坏时，通过北斗RDSS模块将信息以短报文的方式发送到后方指挥中心。

对于应急发生时，应急物资的快速准确投送全程经历了物资的装车运输、到达应急无论配送中心进行卸货暂存、应急物资的出库分发以及灾害现场的精准投送，整个过程经历了室外运输、室内存放、现场投递几个环节，由于应急发生时，通信基站、基础电力可能遭到破坏，整个物资的定位跟踪过程需要考虑不同环境下的设备快速部署、即到即用，还要考虑位置信息的快速回传，因此整个过程比较复杂，目前尚未相关报导可快速部署的应急物流装备跟踪定位技术。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可快速部署的应急物流装备跟踪定位方法，能够实现定位数据实时传输，保证数据传输的安全性、方便携带，满足在随机性、灾害性、干扰性环境下，能够及时能打开即用，快速实施。

本发明技术解决方案：一种可快速部署的应急物流装备跟踪定位方法，集成应用北斗RNSS、RDSS、UWB和MEMS组合定位技术，实现救援物资的投递过程，即从物资供应中心到物流配送中心、物流配送中心到灾害救援现场的室内、室外、通信设施损毁的各类环境下的位置跟踪报告功能，当应急物流物资和装备从物资供应中心到应急配送中心野外运输时，启动北斗RNSS单元+MEMS定位单元(RNSS单位包括天线和处理器)，实现车辆及物资的跟踪定位；当物资运送至物流配送中心进入室内环境，启动 UWB定位单元+北斗RNSS单元进行定位，当进入应急现场，启动UWB定位单元+ MEMS定位单元进行定位，利用UWB定位标签将信息传输至数据处理单元；全过程中，数据处理单元将不同定位方式获得的位置信息进行时空基准的统一，编码组帧，启动 RDSS模块，通过北斗卫星实现全程位置信息的报告。

具体包括以下步骤：

(1)从物资供应中心出货，北斗RNSS天线+RDSS天线以吸顶的模式固定在应急物资运输车上，接收机模块和MEMS系统放置车内，采用自带能量单元或者车载电源均可，实现车辆在途运输的全程位置跟踪报告功能，实现步骤如下：

(11)北斗定位接收机获得北斗卫星定位信息，进行信号检测与解算，获得位置信P_BD和速度信息V_BD；

(12)MEMS微惯性测量单元通过航向推算算法，获得车辆位置信息P_MEMS、速度信息V_MEMS；

(13)两者所获得的信息在数字处理单元内通过坐标的统一转换、卡曼滤波纠正，获得车辆在WGS84坐标系下的位置最优估计值P、速度的最优估计值V；

(14)数据处理单元对获得的位置最优估计值P、速度的最优估计值V，按照BDRDSS4.2通信协议格式进行编码，组帧后，传输给北斗RDSS单元；

(15)北斗RDSS单元将实时位置信息上传至后天指挥中心；

(2)应急物流配送中心卸货后，应急物资进行存放，待发灾区，北斗RNSS+RDSS 天线部署在室外观测条件好的地方，作为基准点,同时在应急物资包装箱上，快速布撒 UWB移动标签，实现利用UWB+GNSS+RDSS位置跟踪报告功能，实现步骤如下：

(21)GNSS定位设备获取基准点位置，将其中一个UWB标签作为UWB定位基准点，和GNSS定位进行联合测算；

(22)数据处理单元对接收到的UWB锚点进行时空转换，将UWB和GNSS统一到WGS84坐标下；

(23)在室内外交界处，能够观测到的卫星数量小于4时(小于4颗卫星观测量，卫星定位方法失效，不能定位)，利用UWB观测量进行补充；

(24)进入室内环境，数据处理单位采用UWB标签观测量，采用TOA的定位模式对室内物资进行定位解算；

(25)通过UWB将所有观测量，将联合定位结果按照RDSS传输协议格式进行组帧，发送至RDSS单元；

(26)RDSS单元将定位信息通过北斗卫星发送至后方指挥系统，从而实现了应急配送中心货物的跟踪定位；

(3)应急现场救援单兵及投放物资的精确跟踪监控，利用UWB和MEMS联合定位技术，实现整个过程位置监控，实现步骤如下：

(31)在应急出口部署UWB标签设备，UWB作为初始的基准点，作为MEMS的初始位置；

(32)当救援人员或者救援装备通过单兵携带入室内或者应急现场，MEMS传感器获得的信息，通过DR算法，获取到救援人员的步态信息；

(33)数据处理单元获取MEMS系统的数据，同UWB基准点进行校对，从而得到精确的救援人员或者救援装备的位置；

(34)按照RDSS通信协议格式组帧后，发送至RDSS单位，传输至后方指挥系统。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够实现定位数据实时传输，保证数据传输的安全性、方便携带，满足在随机性、灾害性、干扰性环境下，能够及时能打开即用，快速实施。

(2)本发明实现了无缝定位与卫星通信相结合的定位跟踪功能，采用模块化设计、即插即用式装配，实现了在环境复杂、基础设施损毁情况下的可快速部署，保证了应急物流装备的全程位置跟踪与监控。

附图说明

图1为本发明的应急物流全程定位跟踪方法流程图；

图2为从物资供应地到应急配送中心在途定位跟踪流程图；

图3MEMS微惯性测量单元定位原理示意图；

图4应急物流配送中心定位跟踪工作流程图；

图5救援投递现场的定位跟踪工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行了详细说明。

如图1所示，本发明涉及一种应急物流装备全过程跟踪与管理的定位方法，集成应用北斗RNSS、RDSS、UWB和MEMS组合定位技术，实现救援物资的投递过程(从物资供应中心到物流配送中心、物流配送中心到灾害现场)的室内、室外、通信设施损毁等各类环境下的位置跟踪报告功能，当应急物流物资和装备从物资供应中心到应急配送中心野外运输时，启动GNSS定位模块+MEMS定位模块，实现车辆及物资的跟踪定位，当物资运送至物流配送中心进入室内环境，启动UWB模块+GNSS模块进行定位，当进入应急现场，启动UWB定位+MEMS模块定位模式，全过程中，数据处理模块将不同定位方式获得的位置信息进行时空基准的统一，编码组帧，启动RDSS模块，通过北斗卫星实现全程位置信息的报告。本发明实现了无缝定位与卫星通信相结合的定位跟踪功能，装置采用模块化设计、即插即用式装配，实现了在环境复杂、基础设施损毁情况下的可快速部署，保证了应急物流装备的全程位置跟踪与监控。

本发明提供一种应急物流装备定位跟踪方法，应急物流投送过程中，在室内、室外、基础设施损毁等各类复杂环境下的全程定位与跟踪。主要步骤包括以下几步：

1.物资供应中心出货，北斗RNSS天线+RDSS天线以吸顶的模式固定在应急物资运输车上，接收机模块和MEMS系统放置车内，采用自带能量单元或者车载电源均可，实现车辆在途运输的全程位置跟踪报告功能，如图2所示，具体工作步骤如下。

1)北斗RNSS定位单元中的北斗RNSS天线捕获到北斗卫星观测量，在RNSS处理器中进行信号的检测与解算，获得WGS84直角坐标系下车辆的坐标P_BD(x,y,z)。导航解算原理见公式1：

其中，[x,y,z]^T为接收机坐标向量，X^(N)＝[X^(N),Y^(N),Z^(N)]^T为卫星N的位置坐标向量，依据接收到的卫星星历计算得到，ρ_c ^(N)为接收机测量得到的误差校正后的伪距，δt_u为接收机的钟差，当观测到卫星数N大于等于4颗时，由4个以上方程组通过最小二乘法解算出(x,y,z,δt_u)。

2)MEMS单元中，MEMS传感器通过三轴加速度计和陀螺仪获得角速度增量和加速度，利用捷联惯导算法获取位置、姿态信息。其中，初试对准值采用北斗RNSS定位单元位置给出。定位过程如图3所示，其中b表示载体惯性坐标系，ω^b为利用微陀螺仪测得的载体惯性坐标系下的角速度，f^b为加速度计测量的载体惯性坐标系下的比力分量，n表示导航坐标系，一般选为地理坐标系，为从载体惯性坐标系到地理坐标系的转换矩阵，通过ω^b。fⁿ表示导航坐标系下的比力分量，其中，获得，对载体加速度、位置进行积分求解，获得载体在地理系统下的速度V和位置X，表示为(Vⁿ，Xⁿ),在数据处理单元中，将两类数据利用卡曼滤波的方法进行数据融合。从而获得车辆的坐标位置P(x,y,z)和速度v。

3)数据处理单位对获得的P(x,y,z)和v值，按照BDRDSS4.2通信协议格式进行编码，组帧后，传输给北斗RDSS单元。在北斗短报文消息格式中，指令/内容、长度和本机地址是北斗短报文规定好的，在信息内容部分自定义其具体格式和内容。信息内容部分的长度民用卡的信息内容部分预留的长度为120字节。具体内容见下表1。

表1

4)由北斗RDSS单元将实时位置信息上传至后台指挥中心，是后台指挥中心随时掌控应急车辆的位置、状态。

2.应急物流配送中心卸货后，应急物资进行存放，待发灾区。北斗RNSS+RDSS 天线部署在室外能够观测到卫星数量大于等于4颗的点进行观测，部署一个UWB固定标签，同时在应急物资包装箱上，快速布撒UWB移动标签。实现利用UWB+BD+RDSS 位置跟踪报告功能，如图4所示，具体工作步骤如下。

1)GNSS定位单元获取基准点水平位置坐标P(X0,Y0)，在该基准点上放置UWB标签作为一个UWB传感器定位的已知基准点之一,通过短基线测量，获取其他三个固定点作为UWB固定标签位置表示为(x_i,y_i)。利用TOA方法求得其他UWB移动标签的位置。定位原理如下假设某个应急物资包装箱上的部署的第n个UWB移动标签，其位置为坐标为P(x,y)，测量出该点信号到达第i个固定标签的时间为τi,解算下列方程组，求解出(x,y)值，其中，c为光速，

2)在室内外交界处，能够观测到的卫星数量小于4时，利用UWB观测量进行补充。进入室内环境，数据处理单位采用UWB标签观测量，采用TOA的定位模式对室内物资进行定位解算，定位原理见步骤1)。

3)通过UWB将所有观测量，将联合定位结果按照RDSS传输协议格式进行组帧，发送至RDSS单元。见表1。

4)RDSS单元将定位信息通过北斗卫星发送至后方指挥系统，从而实现了应急配送中心货物的跟踪定位。

3.应急现场救援单兵及投放物资的精确跟踪监控，利用UWB和MEMS联合定位技术，实现整个过程位置监控。如图5所示，具体步骤如下：

1)在应急出口部署UWB标签设备，UWB作为初始的基准点，作为MEMS的初始位置。

2)当救援人员或者救援装备通过单兵携带入室内或者应急现场，MEMS微惯性测量单元获得的信息，通过DR算法，获取到救援人员的步态信息。

3)数据处理单元获取MEMS系统的数据，同UWB基准点进行校对，从而得到精确的救援人员或者救援装备的位置。

4)按照RDSS通信协议格式组帧后(同上表1)，发送至RDSS单元，传输至后方指挥系统。

以上所述，仅为本发明部分具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限与此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可快速部署的应急物流装备跟踪定位方法，其特征在于：应急物流投送过程中，在室内、室外、基础设施损毁的各类复杂环境下的全程定位与跟踪，包括以下步骤：

(1)从物资供应中心出货，北斗RNSS天线和RDSS天线以吸顶的模式固定在运输车上，接收机模块和MEMS微惯性测量单元放置在运输车内，采用自带能量单元或者车载电源均可，实现运输车在途运输的全程位置跟踪报告功能，实现步骤如下：

(11)北斗定位接收机获得北斗卫星定位信息，进行信号检测与解算，获得车辆位置信息P_BD和速度信息V_BD；

(12)MEMS微惯性测量单元通过航向推算算法，获得车辆位置信息P_MEMS、速度信息V_MEMS；

(13)两者所获得的信息在数字处理单元内通过坐标的统一转换、卡尔曼滤波纠正，获得车辆在WGS84坐标系下物流车辆的位置最优估计值P、速度的最优估计值V；

(14)数据处理单元对获得的物流车辆的位置最优估计值P、速度的最优估计值V，按照BDRDSS4.2通信协议格式进行编码，组帧后，传输给北斗RDSS单元；

(15)北斗RDSS单元将实时位置信息上传至后天指挥中心；

(2)应急物流配送中心卸货后，应急物资进行存放，待发灾区，北斗RNSS+RDSS天线部署在室外卫星信号无遮挡的地方，作为基准点，同时在应急物资包装箱上，布撒UWB移动标签，实现利用UWB+GNSS+RDSS位置跟踪报告功能，实现步骤如下：

(21)北斗RNSS定位设备获取基准点位置，将其中一个UWB标签作为UWB定位基准点，和北斗RNSS进行联合测算；

(22)数据处理单元对接收到的UWB标签进行时空转换，将UWB和GNSS统一到WGS84坐标下；

(23)在室内外交界处，能够观测到的卫星数量小于4颗时，利用UWB观测量进行补充；

(24)进入室内环境，数据处理单元采用UWB标签观测量，采用AOA的定位模式对室内物资进行定位解算；

(25)通过UWB将所有观测量，将联合定位结果按照RDSS传输协议格式进行组帧，发送至RDSS单元；

(26)RDSS单元将定位信息通过北斗卫星发送至后方指挥系统，从而实现了应急配送中心货物的跟踪定位；

(3)应急现场救援单兵及投放物资的精确跟踪监控，利用UWB和MEMS联合定位技术，实现整个过程位置监控，实现步骤如下：

(31)在应急出口部署UWB标签设备，UWB作为初始的基准点，作为MEMS微惯性测量单元的初始位置；

(32)当救援人员或者救援装备通过单兵携带入室内或者应急现场，MEMS微惯性测量单元获得的信息，通过DR算法，获取到救援人员的步态信息；

(33)数据处理单元获取MEMS微惯性测量单元的数据，同UWB基准点进行校对，从而得到精确的救援人员或者救援装备的位置；

(34)按照RDSS通信协议格式组帧后，发送至RDSS单元，传输至后方指挥系统。