CN109714822B - 一种灾难区应急组网的定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种灾难区应急组网的定位系统和方法，属于通信定位技术领域。该系统包括GNSS数据模块，用于获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；UWB应急组网模块，用于根据所述基准坐标数据进行灾难区内UWB应急组网的建立；UWB移动标签定位模块，用于获取灾难区内UWB应急组网的定位数据；数据解算模块，用于根据UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；监控端显示模块，用于接收所述救援人员的位置信息并实时显示救援人员的位置。本发明解决了现有技术在建筑物倒塌的灾难现场不能保证通信信号的质量导致无法对救援人员精确定位的问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB/GNSS的灾难现场建筑物倒塌过渡区应急组网的定位系统和方法。
背景技术
地震，火灾，水灾等灾难发生后，往往会伴随着建筑物倒塌、道路堵塞的情况。当救援人员对倒塌建筑物内的人员进行救援时，难以在短时间内确定建筑物内的情况，耽误救援工作的有效进行。在灾难现场，由于指挥员很难在有限时间内对被困人员进行救援，导致被困人员有生命的危险，其主要原因在于：(1)救援路线不明确。灾害现场环境复杂，通视效果不佳，难以在内部确定救援人员的位置信息，使得救援工作遇到困难，威胁人身安全。(2)GNSS卫星信号无法使用。灾害现场，由于GNSS卫星信号难以保证质量，救援人员进去灾害区，无法精确定位，使得救援难度加大，得不到救援人员在内部位置信息，外部指挥调度也很难有效的指挥救援工作，严重威胁了灾区被困人员的生命安全。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种灾难区应急组网的定位系统和方法，有效解决了现有技术在建筑物倒塌的灾难现场不能保证通信信号的质量导致无法对救援人员精确定位的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种灾难区应急组网的定位系统，包括GNSS数据模块，用于获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；UWB应急组网模块，用于根据所述基准坐标数据进行灾难区内UWB应急组网的建立；UWB移动标签定位模块，用于获取灾难区内UWB应急组网的定位数据；数据解算模块，用于根据UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；监控端显示模块，用于接收所述救援人员的位置信息并实时显示救援人员的位置。
进一步，所述UWB移动标签定位模块包括用于和UWB应急组网的基站相互发送测距数据的UWB移动标签；其中，所述UWB移动标签由救援人员佩戴进入并更新所述灾难区内UWB应急组网；所述测距数据通过数据解算模块的解算后得到佩戴UWB移动标签的救援人员的位置信息。
进一步，所述UWB应急组网的基站根据所述GNSS数据模块向所述UWB应急组网模块提供的基准坐标预先布设。
进一步，所述UWB移动标签在指定时间内自动切换成基站模式，切换成功后进行相互测距。
进一步，所有切换成基站模式的所述UWB移动标签和所述UWB应急组网的基站根据指定的空间布局组成覆盖灾害区的三维测距网络。
进一步，所述三维测距网络包括所述UWB移动标签和所述UWB移动标签之间以及所述UWB移动标签和所述UWB应急组网的基站之间相互测距。
本技术方案有益效果如下：本发明公开了一种灾难区应急组网的定位系统包括GNSS数据模块，用于获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；UWB应急组网模块，用于根据所述基准坐标数据进行灾难区内UWB应急组网的建立；UWB移动标签定位模块，用于获取灾难区内UWB应急组网的定位数据；数据解算模块，用于根据UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；监控端显示模块，用于接收所述救援人员的位置信息并实时显示救援人员的位置。本发明基于UWB/GNSS相结合的定位技术，有效解决了现有技术中灾难区倒塌建筑物内无定位信号的问题，利用UWB发射纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输信号，相较于传统的载波通讯技术，UWB具有传输速率高的优点，同时UWB还具有高强的抗干扰能力和超强的穿墙能力，使得UWB在灾难区内复杂环境下也可以发射和接收测距信号，从而实现倒塌建筑物内高精度定位。
另一方面，本发明提供了一种灾难区应急组网的定位方法包括以下步骤：通过GNSS获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；根据灾难区内UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；将所述救援人员的位置信息对外输出并显示。
进一步，所述灾难区内UWB应急组网的定位数据包括所述UWB应急组网的基站和UWB移动标签之间的测距数据以及UWB移动标签和UWB移动标签之间的测距数据；所述UWB移动标签由救援人员佩戴进入并更新所述灾难区内UWB应急组网；根据所述测距数据得到佩戴UWB移动标签的救援人员的位置信息。
进一步，所述UWB应急组网的基站根据所述基准坐标数据进行预先布设。
进一步，所述UWB移动标签在指定时间内自动切换成基站模式，切换成功后进行相互测距。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例提供的一种灾难区应急组网的定位系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的UWB应急组网的三维测距网络结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种灾难区应急组网的定位方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的技术构思：针对灾难现场环境复杂及通视效果不佳，使得救援工作遇到困难，同时由于GNSS卫星信号难以保证质量，救援人员进入灾难区后无法精确定位，使得救援难度加大，得不到救援人员在灾难区内部的位置信息。本发明基于GNSS/UWB相结合的定位技术，可以有效解决救援人员进入灾难区无法精确定位的问题。
图1为本发明的一种灾难区应急组网的定位系统结构示意图。
根据本发明的一个具体实施例，如图1所示，一种灾难区应急组网的定位系统，包括GNSS数据模块101，用于获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；UWB应急组网模块102，用于根据所述基准坐标数据进行灾难区内UWB应急组网的建立；UWB移动标签定位模块103，用于获取灾难区内UWB应急组网的定位数据；数据解算模块104，用于根据UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；监控端显示模块105，用于接收所述救援人员的位置信息并实时显示救援人员的位置。与现有技术相比，基于GNSS/UWB相结合的定位技术，解决现有技术中倒塌建筑物内无定位信号的问题，并实现建筑物倒塌过渡区的室外到室内无缝衔接的定位技术，可保证一定的定位精度。
可以理解，GNSS数据模块确定灾难区外部基准点的坐标信息，为向灾难区环境内传递坐标确定基准；UWB应急组网模块负责在灾难区建立网状的应急基站定位网络，覆盖灾难区空间，为救援人员携带的UWB移动标签提供坐标基准；救援人员携带的UWB移动标签与应急基站相互发送测距信息，通过坐标解算确定位置信息后传送服务器，在外部监控端实时显示，方便外围调度人员的指挥工作。
需要说明的是，所述GNSS数据模块，主要是确定灾难区外围基准点的坐标数据，并传送给UWB应急组网的基站，为向灾难区内环境传递坐标提供了基准参考。
所述UWB应急组网模块，主要是确定灾难区应急定位的快速组网，利用UWB超强的穿墙能力在灾难区内发射测距信息，UWB相互测距后通过数据解算模块解算测距信息，得到每个UWB移动标签的坐标信息，在灾区内组成网状结构，UWB测距信号覆盖整个倒塌建筑区，UWB应急组网模块是该组网定位系统的核心部分，为救援人员随身佩戴的UWB移动标签的位置信息提供坐标基准。
所述UWB移动标签定位模块，主要是解算并输出救援人员的位置信息，救援人员自身佩戴的UWB移动标签可与UWB应急组网的基站相互发送测距信息，并通过数据解算模块解算出救援人员的位置信息，再把救援人员的位置信息发送外部监控端显示模块，可以实时显示救援人员的位置信息，方便外部人员的指挥调度，提高救援效率。
所述数据解算模块是整个应急组网定位方法的数据处理部分，所有的UWB测距数据都由所述数据解算模块来解算处理。
所述监控端显示模块，主要是实时显示应急组网的基站和救援人员的具体位置，便于统一指挥。
本发明的一个具体实施例，所述UWB移动标签定位模块包括用于和UWB应急组网的基站相互发送测距数据的UWB移动标签；其中，所述UWB移动标签由救援人员佩戴进入并更新所述灾难区内UWB应急组网；所述测距数据通过数据解算模块的解算后得到佩戴UWB移动标签的救援人员的位置信息。也就是说，UWB应急组网覆盖灾难区空间，为救援人员携带的UWB移动标签提供位置基准，也即，救援人员携带的UWB移动标签与UWB应急组网的基站相互发送测距信息，通过数据解算模块进行坐标解算确定位置信息。参见图2，所述UWB应急组网的基站系统用以实现信号传输和应急定位功能，由救援人员在地震倒塌建筑群现场临时布置，救援人员携带UWB移动标签进入倒塌区内，从而逐步形成并更新UWB应急组网。
本发明的一个具体实施例，所述UWB应急组网的基站根据所述GNSS数据模块向所述UWB应急组网模块提供的基准坐标预先布设。
需要说明的是，实际应用中在灾难区的外围空旷地带布设三个或者三个以上的GNSS基站点，得到基准站点的坐标，以UWB接收GNSS的坐标数据为基准设置UWB应急组网的基站系统。
本发明的一个具体实施例，所述UWB移动标签在指定时间内自动切换成基站模式，切换成功后进行相互测距。也就是说，UWB移动标签在所述UWB应急组网内静止放置一段时间后可切换为基站模式，救援人员可将所述UWB移动标签随意放置在建筑物内，使用方便，组网简单，提高救援工作的效率。
本发明的一个具体实施例，如图2所示，所有切换成基站模式的所述UWB移动标签和所述UWB应急组网的基站根据指定的空间布局组成覆盖灾害区的三维测距网络。也就是说，随着佩戴UWB移动标签的救援人员深入灾难区内，每间隔30-40米放置一个UWB移动标签，移动标签和移动标签，移动标签和UWB应急基站都可以相互测距，它们之间组成覆盖灾难区的三维测距网络，通过解算可以得到救援人员在灾难区的位置信息。
本发明的一个具体实施例，如图2所示，所述三维测距网络包括所述UWB移动标签和所述UWB移动标签之间以及所述UWB移动标签和所述UWB应急组网的基站之间相互测距。也即，随着佩戴UWB移动标签的救援人员的深入，切换成基站的移动标签相互发射测距信号以网状结构覆盖整个灾难区，并继续为救援人员佩戴的UWB移动标签提供坐标基准。
需要说明的是，本发明充分利用UWB发射纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输信号，相较于传统载波通讯技术，UWB具有传输速率高的优点，同时UWB还具有高强的抗干扰能力和超强的穿墙能力，使得UWB在灾难区复杂环境下也可以发射和接收测距信号，为实现倒塌建筑室内的高精度定位提供了必要的条件。
图3为本发明的一种灾难区应急组网的定位方法流程图。
本发明的一个具体实施例，如图3所示，公开了一种灾难区应急组网的定位方法，包括以下步骤：
S301，通过GNSS获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；
S302，根据灾难区内UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；
S303，将所述救援人员的位置信息对外输出并显示。
与现有技术性比，本发明基于GNSS/UWB相结合的定位技术，解决了因GNSS卫星定位信号难以保证质量导致无法对建筑物倒塌过渡区内救援人员精准定位的问题。
需要说明的是，在实际应用中，本发明实施例一种灾难区建筑物倒塌过渡区应急组网的定位方法包括：
步骤一：在灾难区的外围空旷地带布设三个或者三个以上的GNSS基站点，得到基准点坐标，UWB接收GNSS的基准坐标数据，设置UWB应急组网的基站系统，救援人员携带UWB移动标签进入倒塌区内。
步骤二：救援人员进入倒塌区，自身携带的UWB移动标签和UWB应急组网的基站相互发送测距信息，通过解算可得到UWB移动标签的位置信息，把UWB移动标签静止一段时间后，可自动切换成基站模式，切换成功后，同时激活测距信号，为下一个UWB移动标签的位置信息提供坐标解算基准点，随着救援人员的不断深入，切换成基站的UWB移动标签相互发射测距信号以网状结构覆盖整个灾难区，为救援人员佩戴的UWB移动标签提供坐标基准。
步骤三：灾难区内UWB应急组网的基站系统组建完成后，救援人员佩戴的UWB移动标签在灾区的任何地方都可以实时定位，并通过服务器的传输，在外部监控端实时显示救援人员的位置，统一指挥调度。
本发明的一个具体实施例，所述灾难区内UWB应急组网的定位数据包括所述UWB应急组网的基站和UWB移动标签之间的测距数据以及UWB移动标签和UWB移动标签之间的测距数据；所述UWB移动标签由救援人员佩戴进入并更新所述灾难区内UWB应急组网；根据所述测距数据得到佩戴UWB移动标签的救援人员的位置信息。也就是说，救援人员进入建筑物倒塌区，通过自身携带的UWB移动标签和UWB应急组网的基站相互发送测距信息，此时不断有救援人员携带UWB移动标签进入倒塌区内，从而逐步形成并更新UWB应急组网，并通过解算可得到UWB移动标签的位置信息。
本发明的一个具体实施例，所述UWB应急组网的基站根据所述基准坐标数据进行预先布设。也即，以UWB接收GNSS的坐标数据为基准设置UWB应急组网的基站系统。
需要说明的是，灾难区内UWB应急组网的基站系统布设完成后，救援人员佩戴的UWB移动标签在灾难区的任何地方都可以实时定位。
本发明的一个具体实施例，所述UWB移动标签在指定时间内自动切换成基站模式，切换成功后进行相互测距。也就是说，UWB移动标签在UWB应急组网内静止一段时间后，可自动切换基站模式，切换成功后，同时激活测距信号，为下一个UWB移动标签的位置信息提供坐标解算基准点。随着救援人员的深入，切换成基站的标签相互发射测距信号以网状结构覆盖整个灾害区，为救援人员佩戴的移动标签提供坐标基准。
综上所述，本发明实施例的一种灾难区应急组网的定位系统包括GNSS数据模块，用于获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；UWB应急组网模块，用于根据所述基准坐标数据进行灾难区内UWB应急组网的建立；UWB移动标签定位模块，用于获取灾难区内UWB应急组网的定位数据；数据解算模块，用于根据UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；监控端显示模块，用于接收所述救援人员的位置信息并实时显示救援人员的位置。同时公开了与上述定位系统构成同一技术构思的定位方法，包括以下步骤：获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；根据灾难区内UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；将所述救援人员的位置信息对外输出并显示。本发明基于GNSS/UWB相结合的定位技术，有效解决现有技术中倒塌建筑物内GNSS卫星定位信号难以保证质量的问题，充分利用了UWB发射纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输信号具有传输速率高、高强的抗干扰能力和超强的穿墙能力的特点，使得UWB在灾难区复杂的环境下也可以发射和接收测距信号，实现了建筑物倒塌过渡区室外到室内无缝衔接定位技术，并可以达到一定的定位精度要求。
总之，本发明实施例灾难区建筑物倒塌过渡区UWB/GNSS应急组网定位系统和方法的关键保护点和技术效果如下：
(1)可实现在灾难区复杂环境下应急定位的快速组网。确定灾难区外围基准点坐标，通过UWB之间的测距传输，可实时解算其位置信息，随着救援人员佩戴UWB移动标签进入灾害区，实现UWB测距信号在灾难区环境的三维网络覆盖，为救援人员提供坐标基准。
(2)利用UWB超强的穿墙能力，结合GNSS定位技术进行组网，可大幅提高定位精度，解决了GNSS卫星定位信号被建筑物遮挡的问题，更适合于地震倒塌建筑群的实际环境。
(3)UWB移动标签可自由切换基站模式，救援人员可将UWB移动标签随意放置在建筑物内，使用方便，组网简单，提高了救援工作的效率。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术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 (4)
1.一种灾难区应急组网的定位系统，其特征在于，包括：
GNSS数据模块，用于获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；
UWB应急组网模块，用于根据所述基准坐标数据进行灾难区内UWB应急组网的建立，包括：利用UWB超强的穿墙能力在灾难区内发射测距信息，UWB移动标签相互测距后通过数据解算模块解算测距信息，得到每个UWB移动标签的坐标信息，在灾区内组成网状结构，UWB测距信号覆盖整个倒塌建筑区；其中，所述UWB应急组网的基站根据所述GNSS数据模块向所述UWB应急组网模块提供的基准坐标预先布设；
UWB移动标签定位模块，用于获取灾难区内UWB应急组网的定位数据，包括用于和UWB应急组网的基站相互发送测距数据的UWB移动标签；所述UWB移动标签由救援人员佩戴进入并更新所述灾难区内UWB应急组网；所述测距数据通过数据解算模块的解算后得到佩戴UWB移动标签的救援人员的位置信息；其中，所述UWB移动标签在指定时间内自动切换成基站模式，切换成功后进行相互测距；
数据解算模块，用于根据UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息；
监控端显示模块，用于接收所述救援人员的位置信息并实时显示救援人员的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所有切换成基站模式的所述UWB移动标签和所述UWB应急组网的基站根据指定的空间布局组成覆盖灾害区的三维测距网络。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述三维测距网络包括所述UWB移动标签和所述UWB移动标签之间以及所述UWB移动标签和所述UWB应急组网的基站之间相互测距。
4.一种灾难区应急组网的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过GNSS获取灾难区外围基准点的坐标数据，并向灾难区内UWB应急组网提供基准坐标数据；
根据灾难区内UWB应急组网的定位数据以及所述基准坐标数据解算出救援人员的位置信息，包括：利用UWB超强的穿墙能力在灾难区内发射测距信息，UWB移动标签相互测距后通过数据解算模块解算测距信息，得到每个UWB移动标签的坐标信息，在灾区内组成网状结构，UWB测距信号覆盖整个倒塌建筑区；其中，所述UWB应急组网的基站根据所述基准坐标数据预先布设；
所述灾难区内UWB应急组网的定位数据包括所述UWB应急组网的基站和UWB移动标签之间的测距数据以及UWB移动标签和UWB移动标签之间的测距数据；所述UWB移动标签由救援人员佩戴进入并更新所述灾难区内UWB应急组网；根据所述测距数据得到佩戴UWB移动标签的救援人员的位置信息；其中，所述UWB移动标签在指定时间内自动切换成基站模式，切换成功后进行相互测距；
将所述救援人员的位置信息对外输出并显示。
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