CN109839651A - 一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，包括控制器、WIFI路由器和相控阵天线单元，所述控制器通过WIFI路由器与多个相控阵天线单元连接，用于在户外无基站信号覆盖区域进行网络连接，便于数据的传输和卫星定位；所述控制器与定位计算模块互通，用于对接收的卫星信号进行处理，计算出使用者的精确三维坐标；所述控制器通过LoRa无线传输模块与云平台连接，且云平台连接远程接收端，用于将定位计算模块处理后的精确三维坐标通过LoRa无线传输模块传输到云平台，并在云平台连接的远程接收端上显示。本发明结构新颖，构思巧妙，定位精确，有效的保障了户外探险者的安全，大大提升了户外探险者生存几率。

Description

一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统

技术领域

本发明涉及应急管理技术领域，具体为一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统。

背景技术

户外探险在国内比较普及、流行，并且有一定认知度的各类户外活动，如野外露营、登山、滑雪、自驾车、骑马等等。同时也为读者推荐和推广一些更加新颖刺激的户外运动，如滑翔伞、潜水等等。从上个世纪80年代尧茂书漂流长江开始，国人迅速投入到各类探险活动中。相对于10年前只是专业人士的活动，探险现在也成为很多普通人的爱好。越来越多的人认为这是一种时尚而刺激的游戏，视探险为一种人生的乐趣，甚至个人价值的体现。然而，频发的事故却为探险游敲响了警钟。

在中国专利CN109121076A一种户外人员定位装置、定位系统及定位方法，该户外人员定位装置包括多个天线单元组成的天线阵列，相邻天线单元的辐射范围相接且对地投影辐射角覆盖360度；还包括至少一个无线网络接入设备和控制器，每个天线单元分别连接一个独立无线网络接入设备或一个无线网络接入设备通过控制器分时切换连接在多个天线单元或切换的同时相邻天线组成相控阵，控制器分别与无线网络接入设备和天线单元连接，控制连接到同一无线网络接入设备上的天线单元轮询工作；同一时刻，每一个无线网络接入设备连接的天线单元均有一个或几个在工作。本发明通过在户外设置户外人员定位装置通过无线网络接入设备实现了用户的定位，结构简单、利于推广应用。但是均存在定位精确度不高，无法使救援人员快速找到探险者的位置，影响救援效率。因此，设计一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统是很有必要的。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括控制器、WIFI路由器和相控阵天线单元，所述控制器通过WIFI路由器与多个相控阵天线单元连接，用于在户外无基站信号覆盖区域进行网络连接，便于数据的传输和卫星定位；

所述控制器与定位计算模块互通，用于对接收的卫星信号进行处理，计算出使用者的精确三维坐标；

所述控制器通过LoRa无线传输模块与云平台连接，且云平台连接远程接收端，用于将定位计算模块处理后的精确三维坐标通过LoRa无线传输模块传输到云平台，并在云平台连接的远程接收端上显示；

所述控制器的输出端分别于数据存储模块和界面显示单元，用于数据信息的存储和导航信息的显示。

根据上述技术方案，所述相控阵天线单元包括多个天线单元组成的天线阵列，相邻天线单元的辐射范围相接且对地投影辐射角覆盖360度，所述天线阵列中天线单元的连接线为圆形且相邻夹角为360/n，所述n为天线单元的数量。

根据上述技术方案，所述LoRa无线传输模块包括核心服务器、LoRa网关、LoRa节点和数据加密单元，核心服务器的输出端与多个LoRa网关的输入端连接，LoRa网关的输出端与多个LoRa节点连接，LoRa节点分别于终端指示模块连接，数据加密单元的输出端电性连接核心服务器。

根据上述技术方案，所述定位计算模块包括北斗定位计算方法，还包括Docker容器，用于将云端训练好的数据处理算法快速推送到定位计算模块中，而避免再在定位计算模块上操作部署算法，实现了远程作业。

根据上述技术方案，所述北斗定位计算方法包括用户每应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理站可测得以下两个距离：

ρ₁＝2(R₁+S₁)＝c×Δt₁

ρ₂＝R₁+S₁+R₂+S₂＝c×Δt₂ (1)

式中，S₁和S₂是中心控制站到卫星S₁和卫星S₂的距离，R₁和R₂是用户到卫星S₁和S₂的距离，Δt₁是地面中心控制站发出的信号经卫星S₁到达用户又通过卫星S₁回到控制中心的出入站信号的时间差，Δt₂是地面中心控制站发出的信号经卫星S₁到达用户而通过卫星S₂回到控制中心的出入站信号的时间差，c是电磁波在空气中的传播速度；

在ECEF坐标系中，设卫星S1和S2的坐标分别为S1(x1，y1，z1)和S2(x2，y2，z2)，地面控制中心的坐标为(x0，y0，z0)，用户的坐标为(x，y，z)，则：

其中i＝1或2，将(1)式代入(2)式可以得到含有x，y，z三个未知数的两个观测方程，因此需要借助用户的高程值来求解，若已知用户的高程值为H，则可以得到第三个方程：

联立(1)和(3)式可解出用户的坐标值(x，y，z)。

根据上述技术方案，所述北斗定位计算方法中卫星的位置在ECEF坐标系的位置坐标由下式计算：

首先将Xs，Ys，Zs坐标系绕Zs轴转-ω角度(顺时针方向为负，逆时针方向为正)，此时地心、升交点N与卫星近地点在同一直线上，而卫星轨道平面与赤道平面的相对位置没有发生变化，第二步将卫星轨道直角坐标系Xs，Ys，Zs绕Xs轴转动-i角度，此时卫星轨道平面与赤道平面重合，即Xs，Ys，Zs坐标系的Zs轴与XYZ坐标系的Z轴重合，第三步将Xs，Ys，Zs坐标系绕Zs轴旋转-Ω角度，这样，卫星轨道直角坐标系Xs，Ys，Zs和地心地固坐标系XYZ就重合了。

根据上述技术方案，所述户外探险应急管理系统还包括供电模块，用于为户外探险应急管理系统供电。

本发明使用时，通过设置的WIFI路由器和相控阵天线单元进行网络连接，使其可以在户外无网络覆盖区域进行使用，从而保证了信息传递的通畅，使其可以利用卫星进行精确定位，不仅可以指示使用者导航行走，而且也可以将接收的定位信息通过云平台传递给远程接收端，便于进行快速救援，有效的保障了户外探险者的安全，大大提升了户外探险者生存几率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明基于LoRa技术的户外探险应急管理系统结构方框图；

图2是本发明LoRa无线传输模块组成结构方框图；

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

由图1-2给出，本发明包括控制器、WIFI路由器和相控阵天线单元，控制器通过WIFI路由器与多个相控阵天线单元连接，用于在户外无基站信号覆盖区域进行网络连接，便于数据的传输和卫星定位；

控制器与定位计算模块互通，用于对接收的卫星信号进行处理，计算出使用者的精确三维坐标；

控制器通过LoRa无线传输模块与云平台连接，且云平台连接远程接收端，用于将定位计算模块处理后的精确三维坐标通过LoRa无线传输模块传输到云平台，并在云平台连接的远程接收端上显示；

控制器的输出端分别于数据存储模块和界面显示单元，用于数据信息的存储和导航信息的显示。

根据上述技术方案，相控阵天线单元包括多个天线单元组成的天线阵列，相邻天线单元的辐射范围相接且对地投影辐射角覆盖360度，天线阵列中天线单元的连接线为圆形且相邻夹角为360/n，n为天线单元的数量。

根据上述技术方案，LoRa无线传输模块包括核心服务器、LoRa网关、LoRa节点和数据加密单元，核心服务器的输出端与多个LoRa网关的输入端连接，LoRa网关的输出端与多个LoRa节点连接，LoRa节点分别于终端指示模块连接，数据加密单元的输出端电性连接核心服务器。

根据上述技术方案，定位计算模块包括北斗定位计算方法，还包括Docker容器，用于将云端训练好的数据处理算法快速推送到定位计算模块中，而避免再在定位计算模块上操作部署算法，实现了远程作业。

根据上述技术方案，北斗定位计算方法包括用户每应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理站可测得以下两个距离：

ρ₁＝2(R₁+S₁)＝c×Δt₁

ρ₂＝R₁+S₁+R₂+S₂＝c×Δt₂ (1)

式中，S₁和S₂是中心控制站到卫星S₁和卫星S₂的距离，R₁和R₂是用户到卫星S₁和S₂的距离，Δt1是地面中心控制站发出的信号经卫星S₁到达用户又通过卫星S₁回到控制中心的出入站信号的时间差，Δt₂是地面中心控制站发出的信号经卫星S₁到达用户而通过卫星S₂回到控制中心的出入站信号的时间差，c是电磁波在空气中的传播速度；

在ECEF坐标系中，设卫星S₁和S₂的坐标分别为S1(x₁，y₁，z₁)和S2(x₂，y₂，z₂)，地面控制中心的坐标为(x₀，y₀，z₀)，用户的坐标为(x，y，z)，则：

其中i＝1或2，将(1)式代入(2)式可以得到含有x，y，z三个未知数的两个观测方程，因此需要借助用户的高程值来求解，若已知用户的高程值为H，则可以得到第三个方程：

联立(1)和(3)式可解出用户的坐标值(x，y，z)。

根据上述技术方案，北斗定位计算方法中卫星的位置在ECEF坐标系的位置坐标由下式计算：

首先将Xs，Ys，Zs坐标系绕Zs轴转-ω角度(顺时针方向为负，逆时针方向为正)，此时地心、升交点N与卫星近地点在同一直线上，而卫星轨道平面与赤道平面的相对位置没有发生变化，第二步将卫星轨道直角坐标系Xs，Ys，Zs绕Xs轴转动-i角度，此时卫星轨道平面与赤道平面重合，即Xs，Ys，Zs坐标系的Zs轴与XYZ坐标系的Z轴重合，第三步将Xs，Ys，Zs坐标系绕Zs轴旋转-Ω角度，这样，卫星轨道直角坐标系Xs，Ys，Zs和地心地固坐标系XYZ就重合了。

根据上述技术方案，户外探险应急管理系统还包括供电模块，用于为户外探险应急管理系统供电。

本发明使用时，通过设置的WIFI路由器和相控阵天线单元进行网络连接，使其可以在户外无网络覆盖区域进行使用，从而保证了信息传递的通畅，使其可以利用卫星进行精确定位，不仅可以指示使用者导航行走，而且也可以将接收的定位信息通过云平台传递给远程接收端，便于进行快速救援，有效的保障了户外探险者的安全，大大提升了户外探险者生存几率。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，包括控制器、WIFI路由器和相控阵天线单元，其特征在于，所述控制器通过WIFI路由器与多个相控阵天线单元连接，用于在户外无基站信号覆盖区域进行网络连接，便于数据的传输和卫星定位；

所述控制器与定位计算模块互通，用于对接收的卫星信号进行处理，计算出使用者的精确三维坐标；

所述控制器通过LoRa无线传输模块与云平台连接，且云平台连接远程接收端，用于将定位计算模块处理后的精确三维坐标通过LoRa无线传输模块传输到云平台，并在云平台连接的远程接收端上显示；

所述控制器的输出端分别于数据存储模块和界面显示单元，用于数据信息的存储和导航信息的显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，其特征在于，所述相控阵天线单元包括多个天线单元组成的天线阵列，相邻天线单元的辐射范围相接且对地投影辐射角覆盖360度，所述天线阵列中天线单元的连接线为圆形且相邻夹角为360/n，所述n为天线单元的数量。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，其特征在于，所述LoRa无线传输模块包括核心服务器、LoRa网关、LoRa节点和数据加密单元，核心服务器的输出端与多个LoRa网关的输入端连接，LoRa网关的输出端与多个LoRa节点连接，LoRa节点分别于终端指示模块连接，数据加密单元的输出端电性连接核心服务器。

4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，其特征在于，所述定位计算模块包括北斗定位计算方法，还包括Docker容器，用于将云端训练好的数据处理算法快速推送到定位计算模块中，而避免再在定位计算模块上操作部署算法，实现了远程作业。

5.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，其特征在于，所述北斗定位计算方法包括用户每应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理站可测得以下两个距离：

ρ₁＝2(R₁+S₁)＝c×Δt₁

ρ₂＝R₁+S₁+R₂+S₂＝c×Δt₂ (1)

式中，S₁和S₂是中心控制站到卫星S₁和卫星S₂的距离，R₁和R₂是用户到卫星S₁和S₂的距离，Δt₁是地面中心控制站发出的信号经卫星S₁到达用户又通过卫星S₁回到控制中心的出入站信号的时间差，Δt₂是地面中心控制站发出的信号经卫星S₁到达用户而通过卫星S₂回到控制中心的出入站信号的时间差，c是电磁波在空气中的传播速度；

在ECEF坐标系中，设卫星S₁和S₂的坐标分别为S₁(x₁，y₁，z₁)和S2(x₂，y₂，z₂)，地面控制中心的坐标为(x₀，y₀，z₀)，用户的坐标为(x，y，z)，则：

其中i＝1或2，将(1)式代入(2)式可以得到含有x，y，z三个未知数的两个观测方程，因此需要借助用户的高程值来求解，若已知用户的高程值为H，则可以得到第三个方程：

联立(1)和(3)式可解出用户的坐标值(x，y，z)。

6.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，其特征在于，所述北斗定位计算方法中卫星的位置在ECEF坐标系的位置坐标由下式计算：

首先将Xs，Ys，Zs坐标系绕Zs轴转-ω角度(顺时针方向为负，逆时针方向为正)，此时地心、升交点N与卫星近地点在同一直线上，而卫星轨道平面与赤道平面的相对位置没有发生变化，第二步将卫星轨道直角坐标系Xs，Ys，Zs绕Xs轴转动-i角度，此时卫星轨道平面与赤道平面重合，即Xs，Ys，Zs坐标系的Zs轴与XYZ坐标系的Z轴重合，第三步将Xs，Ys，Zs坐标系绕Zs轴旋转-Ω角度，这样，卫星轨道直角坐标系Xs，Ys，Zs和地心地固坐标系XYZ就重合了。

7.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，其特征在于，所述户外探险应急管理系统还包括供电模块，用于为户外探险应急管理系统供电。