CN109451580B - 一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利提出一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，该方法针对地震发生后，部分人员受困于楼宇等建筑中，且其手机无法接收GPS信号进行定位的情况，利用移动通信基站向被困人员手机提供通信信号，借助手机内置应用程序以及信号强度值，来对被困人员进行空间定位。该方法是通过利用采集到的被困人员手机的信号强度，通过对数正态阴影模型将信号强度转换为移动通信基站与被困人员手机的距离。有规律地更改移动通信基站的位置以获得多组数据，并借助空间几何公式求得被困人员在待测场地中的三维位置。本发明专利的定位方法的突出优点在于：能够应对地震这样的突发状况，无需被定位人员前期携带其他设备；且定位所需设备少，定位过程计算简单，能够满足震后快速、精准的定位需求。

Description

一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法
技术领域
本发明专利涉及一种针对地震发生后，对受困于建筑内的受灾人员的定位的方法。该方法将借助移动通信基站以及受灾人员手机内置的应用程序，并结合空间定位算法，完成对受困人员三维位置的定位。
背景技术
地震作为一种严重的自然灾害，具有突发性与破坏性。我国国土面积辽阔，但同时容易遭受地震灾害的省市也多，每次地震发生后都会对当地人民的生命安全以及财产安全造成损害。而每次地震发生后的第一要务，就是保证灾区人民群众的生命安全，及时搜寻并抢救灾后受困人员。现阶段对被困人员的搜救主要是借助生命探测仪或是搜救犬进行搜寻，需要的人员以及设备的投入量大，同时对高层建筑被困人员的搜救效果较差。而考虑到如今基本上每个人都会随身携带智能手机，因此可以考虑对智能手机进行定位来间接确定受困人员的位置。而手机通信信号因具覆盖范围广，穿透力强等优势，可以利用移动通信基站提供通信信号，一方面可以为被困入员的手机提供暂时的通信，另一方面则可以利用基站与手机之间信号的信道模型，将信号强度转换成距离，进而可以借助距离计算出被困人员的三维位置。
基于以上信息，本发明专利完成了利用移动通信基站提供通信信号，通过借助对数正态阴影模型，进行信号强度与距离之间的转换，进而完成对被困人员的三维定位。
发明内容
本发明专利提出了一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，该方法利用移动通信基站提供信号覆盖，借助对数正态阴影信道模型，将被困人员手机接收到的来自于移动通信基站的信号强度，换算成两者之间的距离，根据多组距离值通过特定算法定位出被困人员手机的三维位置。
本发明专利所述的定位方法包括：
1.在地震发生后有人员被困的废墟或楼宇内，用移动通信基站对区域内的手机提供手机信号。通信基站覆盖范围内的手机将全部接入该移动通信基站。
进一步的，所述移动通信基站可以是中国移动或中国联通的商用移动通信基站，也可以是利用软件无线电，即在个人笔记本电脑上，在linux系统下，软件部分利用开源的gnuradio和openbts，硬件部分利用usrp或同类型软件无线电外设外加天线，所搭建的个人移动通信基站。
进一步的，定位过程中需要被困人员手机被动切换至该移动通信基站，若地震发生后，当地固定基站已无法正常工作，则当该移动通信基站运行时，被困人员手机可直接接入该移动通信基站；若当地固定基站仍能正常工作，则可提高移动通信基站运行功率，令被困人员手机暂时切换至该移动通信基站。
进一步的，所述待救援区域边缘处在二维平面内应存在两条相交且垂直的线段，与实际中可供移动通信基站移动的道路相对应。同时，待测救援区域应在移动通信基站的信号覆盖范围内，即移动通信基站在每条边上运行的距离长度不超过其信号的覆盖半径。
2.移动通信基站从两条相交且垂直道路的一端，经过折线移动到另一条道路的一端，整个过程所移动的路程长度为两条道路长度总和。同时，在移动过程中，移动通信基站需每隔一段距离对被困人员手机的信号强度进行一次采集，并对采集到的信号强度信息运用对数正态阴影模型，计算出移动通信基站与手机之间的距离，并进行存储。
进一步的，所述移动通信基站若能直接采集手机的信号强度值，则直接依靠移动通信基站对手机的信号强度值进行收集与记录；若不能，则借助被困人员手机内置的应用程序，主动向救援人员发送内容为信号强度的短信。
3.移动通信基站在规定线路中的一条直线路径上运动结束后，对每部手机来说，都会有一组移动通信基站停留点的坐标与在该坐标下移动通信基站与手机的距离的数据。根据这组数据，可以得到在二维平面下，被困人员手机投影到该条运动线路上的位置以及该位置点与被困人员手机的空间距离。同理，移动通信基站在另一条直线路径上运行结束之后执行相同操作可以得到相对应的数据。最后，利用计算所得数据以及勾股定理可求得被困人员手机三维位置。
附图说明
图1代表整个定位方法的三维简化图。
其中点P代表待测区域内被困人员手机的位置，线段 AB、线段BC代表待测区域附近可供移动通信基站运动的道路，空心圆点代表移动通信基站等间隔进行信号强度采集时所在的位置。其他字母或图形意义会在具体实施方式中解释。
具体实施方式
1.首先，在地震发生后有人员被困的废墟或楼宇内，利用移动通信基站对该区域内的手机提供手机信号。在移动通信基站信号覆盖范围内的手机，均可接入该移动通信基站。同时，规定待救援区域边缘处应存在两条垂直且平直的道路，两条道路在图形上可简化成互相垂直且相连的两条线段，如图1中的AB与BC。移动通信基站需从一条道路的一端移动到另一条道路的一端，以图1为例，则为从点A经过点B运动到点 C，且保证两条道路长度均不大于移动通信基站信号覆盖半径，以保证整个定位过程被困人员手机一直接入该移动通信基站。
2.其次，在移动通信基站的移动过程中，每隔一段距离对被困人员手机的信号强度信息做一次采集，并利用对数正态阴影模型将信号强度数据换算成移动通信基站与被困人员手机的距离数据，同时记录下该距离数据以及当前移动通信基站的坐标位置信息。在图1中，PA、PB、PC就分别代表当移动通信基站在点A、B、C时其与被困人员手机P点的距离。其中，对数正态阴影模型为式子 PL(d)＝A+10ηlog10(d)+Xσ。其中d为信号源与接收器之间的距离，PL(d)为距离为d时的信号强度值，A为距离为1m时的信号强度值，η为路径损耗因子，Xσ为均值为0，方差为σ的高斯随机噪声，其中A、η两个参数与定位实际环境有关，需实地测量。根据该式，利用信号强度值即可求得信号源与接收器之间的近似距离。
3.最后，移动通信基站在一条道路上运行结束后，针对某被困人员手机，会有多组移动通信基站测量点位置信息以及与被困人员手机的距离信息。此时，借助平面几何知识，以每个测量点作为圆心，以每个测量点对应的与破困人员手机的距离为圆心画圆。每两个圆的两个交点所构成的直线与该条道路所构成的直线的交点，即为被困人员手机投影到该条道路上的位置。同时，两个圆的两个交点所构成的线段长度的一半，也即是该投影点与被困人员手机的距离。在图1中，以PAB平面为例，分别以点A、点B为圆心，线段PA、线段PB为半径做圆，理想状态下，两圆必交于两点，其中一点为点P，连接此两点，与直线 AB会产生交点D，点D即为点P在直线AB上的投影，可视为点P在AB一维上的坐标，而PD的长度即为点D与点P之间的距离。同理，在另一条道路上也可以得到相应的投影点以及投影点与被困人员手机的距离，如图1中的点E以及线段PE。根据两组数据，结合勾股定理，即可计算出被困人员手机的高度。以图1为例，由于PD与BE长度均已知，假设点P投影到平面ABC上的点为点Q，因此可以利用勾股定位(PQ2+BE2＝PD2)求出点P相对于平面ABC的高度。求解多组可令结果更加准确。

Claims (5)

1.一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，定位过程包括：
步骤一：在地震发生后有人员被困的废墟或楼宇内，用移动通信基站对区域内的手机提供手机信号，通信基站覆盖范围内的手机将全部接入该移动通信基站，若地震发生后，当地固定基站已无法正常工作，则当该移动通信基站运行时，被困人员手机可直接接入该移动通信基站，若当地固定基站仍能正常工作，则可提高该移动通信基站运行功率，令被困人员手机暂时切换至该移动通信基站；
步骤二：在人员被困区域的边缘处，移动通信基站沿既定规划路线的一端运行至另一端，既定规划路线包含两边，两边相交且形成直角，同时，在移动过程中，移动通信基站需每隔一段距离对被困人员手机的信号强度进行一次采集，并对采集到的信号强度信息运用对数正态阴影模型，计算出移动通信基站与手机之间的距离，并进行存储；
步骤三：移动通信基站在既定路线的其中一条直线路径上运动结束后，对每部手机来说，都会有一组移动通信基站停留点的坐标与在该坐标下移动通信基站与手机的距离的数据，根据这组数据，可以得到被困人员手机投影到该条运动线路上的位置以及该位置点与手机的空间距离，同理，移动通信基站在另一条直线路径上运行结束之后执行相同操作可以得到相对应的数据；
其中被困人员手机投影到运动线路上的位置以及该位置点手机的空间距离的计算方法为：当移动通信基站在既定规划路线中的一边运行结束后，对每部被困人员手机来说，都会有一组数据，包含移动通信基站采集手机信号强度时所在位置，即测量点的坐标，以及采集到的信号强度值所转换成的距离值，此时，借助平面几何知识，以每个测量点作为圆心，以每个测量点对应的与手机的距离为半径画圆，每两个圆的两个交点所构成的直线与测量点所在直线的交点，即为被困人员手机投影到运动线路上的位置，同时，两个圆的两个交点所构成的线段长度的一半，也即是该投影点与被困人员手机的距离，由于存在误差，可以借助多组数据的计算结果进行平均来减小误差，同理，在另一条运动线路上也可以得到相应的投影点以及投影点与被困人员手机的距离；
最后，利用计算所得数据以及勾股定理可求得被困人员手机三维位置，其中，计算方法为：移动通信基站在两条运动线路上运动结束后，会分别得到一个手机在两条运动线路上的映射点的位置，以及该位置与手机的直线距离，两组数据外加手机的垂直高度可以在空间中形成两个直角三角形，这样就可以借由勾股定理算出被困人员手机的高度，求解多组可令结果更加准确。
2.根据权利要求1所述的一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，其特征在于，所述移动通信基站可以是中国移动或中国联通等的商用移动通信基站，也可以是利用软件无线电搭建的，即在linux系统下，软件部分利用gnuradio和openbts，硬件部分利用usrp或同类型软件无线电外设外加天线，所搭建的移动通信基站。
3.根据权利要求1所述的一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，其特征在于，所述既定规划路线所处位置为待救援区域边缘处相交且可成直角的两条边，且两条边的长度均应小于移动通信基站信号覆盖半径。
4.根据权利要求1所述的一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，其特征在于，所述手机的信号强度值若移动通信基站可直接获取，则通过移动通信基站直接获取；若移动通信基站不可直接获取，则依靠被困人员手机内置的应用程序，在移动通信基站需要采集手机信号强度值时，通过短信触发手机内置的应用程序，借助该程序向救援人员发送手机信号强度信息。
5.根据权利要求1所述的一种用于在三维场景中震后被困人员的定位方法，其特征在于，所述对数正态阴影模型公式为PL(d)＝A+10ηlog10(d)+Xσ，其中d为信号源与接收器之间的距离，PL(d)为距离为d时的信号强度值，A为距离为1m时的信号强度值，η为路径损耗因子，Xσ为均值为0，方差为σ的高斯随机噪声，其中A、η两个参数与定位实际环境有关，需实地测量根据该式，利用信号强度值即可求得信号源与接收器之间的近似距离。
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