CN113038376B - 基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，包括以下步骤：所述航空器绕建筑物的外围飞行，所述GNSS定位装置实时获得航空器的位置坐标；所述二维测向设备接收定位标签发出的信号，从而获得该信号的来源方向的偏航角和俯仰角，进而根据航空器的位置坐标得到该信号的来源方向；所述室内目标的定位标签测量该室内目标位置的气压，所述气压计实时获得航空器位置的气压值，得到该室内目标所处的水平面；计算该信号的来源方向与室内目标所处的水平面之间的相交点，得到该室内目标的位置坐标，从而实现室内目标的定位。本发明不需要部署室内定位基站，不但定位精度高，而且稳定性和抗干扰性好。

Description

基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，属于无线定位技术领域。
背景技术
公安、应急、消防等部门在建筑物（特别是高层建筑）发生警情、灾情、火情等情况时，需要对进入现场的人员进行实时定位。
现有的室内定位主要方法有Wi-Fi、蓝牙、UWB（Ultra-Wideband，超宽带）等，其中Wi-Fi、蓝牙方法可借助移动设备等现有硬件进行定位，但是定位精度较低，稳定性和抗干扰性也比较差；而UWB定位精度虽然可达10cm级，但信号穿透性比较差，因此需要部署比较多的定位基站，且需要携带特定的UWB标签。可见，现有的室内定位方法均需要提前在室内部署大量定位基站，且对携带的定位设备有特殊要求。但是在灾害现场，即使部署了室内定位基站，也会因损毁导致无法使用。
另外，目前的室外目标定位主要依靠GNSS实现，但是在室内GNSS信号会因建筑物遮蔽导致几乎不可用，导致定位困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可以通过一个航空器辅助对室内目标进行准确定位的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，所述航空器配备GNSS定位装置和第一气压计，所述航空器携带有二维测向设备，所述室内目标携带有第二气压计和定位标签；所述方法包括以下步骤：
所述航空器绕建筑物的外围飞行，所述GNSS定位装置实时获得航空器的位置坐标；
所述二维测向设备接收定位标签发出的信号，从而获得该信号的来源方向的偏航角和俯仰角，进而根据航空器的位置坐标得到该信号的来源方向；
所述第二气压计测量该室内目标位置的气压值，所述第一气压计实时获得航空器位置的气压值，根据每上升9米大气压降低100Pa的原理、两个气压值之差以及航空器的位置坐标，得到该室内目标所处的水平面；计算该信号的来源方向与室内目标所处的水平面之间的相交点，得到该室内目标的位置坐标。
本发明带来的有益效果是：本发明通过一个航空器辅助对建筑物室内目标定位,不需要部署室内定位基站,相比通过借助移动设备等现有硬件进行定位,不但定位精度高,而且提高了稳定性和抗干扰性,即使在火灾等灾害现场,依然能够对现场人员等室内目标进行准确定位,提高了安全性。
附图说明
图1是本发明实施例的示意图。
附图标记：航空器1；室内目标4；建筑物6。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本实施例中航空器1自身通常会配备GNSS定位装置和第一气压计,用于实时测量航空器的位置和气压。如航空器自身没有配备GNSS定位装置和第一气压计，可在航空器上增加GNSS定位装置和第一气压计，其中GNSS定位装置可采用现有的GPS定位装置或北斗定位装置等。所述航空器可以采用无人机或载人直升机等，随着无人机技术的发展，可采用无人机对室内目标进行定位，使用方便且操作更安全。
因为无线电信号辐射是有方向性的，因此通过测向设备可以确定无线电信号辐射源方向。本实施例中所述航空器1携带一个二维测向设备，二维测向设备可以使用幅度比较法、多普勒方法、相位干涉方法、相关干涉方法或到达时间差方法等来测量信号来源方向的偏航角和俯仰角，此为现有技术，可参考相关文献，不再赘述。本实施例中，二维测向设备采用德国R&S公司的DDF155型号的测向机，其测向频段为20MHz-6GHz，针对不同频段采用相关干涉方法等不同的测向方法，并搭载型号为ADD107的有源天线系统。由于其紧凑轻便性以及低耗电量，能够快速便捷地应用在航空器上。
所述室内目标4携带有第二气压计，用于测量室内目标4位置处的气压值。定位标签有非合作式定位标签与合作式定位标签两种，其中非合作式定位标签只能发射无编码的无线信号，即可以在任何单频点上发送无线电信号，类似于对讲机等，因此只能用于检测信号方向，而在传输第二气压计测得的气压值时，需要通过其他现有的通讯方式将气压值传输至数据处理终端。而合作式定位标签在非合作式定位标签的基础上增加了信号调制功能，首先将定位标签与第二气压计连接，这样就可以在定位标签发射的信号中调制编码ID、气压值等信息，而所述测向设备具有相对应的信号解调制功能，可以直接通过测向设备接收测得的气压值，然后由测向设备将相关数据传输至数据处理终端，更加方便管理，因此本实施例优选合作式定位标签。信号调制和解调制均为现有技术，不再赘述。
本实施例中的基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，包括以下步骤：
所述航空器绕建筑物的外围飞行，所述GNSS定位装置实时获得航空器的位置坐标
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，并传送至数据处理终端；
所述二维测向设备接收定位标签发出的信号，从而获得该信号的来源方向的偏航角yaw，信号的来源方向的俯仰角为pitch，并传送至数据处理终端，进而由数据处理终端根据航空器的位置坐标得到该信号的来源方向，具体方法如下：
首先确定信号的来源方向的向量为：
Figure 911312DEST_PATH_IMAGE003
，
上式中，m、n、p分别为该向量在x轴、y轴、z轴方向上的分量；
从而得到信号的来源方向的参数方程为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
。
所述第二气压计测量该室内目标位置的气压，所述第一气压计实时获得航空器位置的气压值，根据每上升9米大气压降低100Pa的原理、两个气压值之差以及航空器的位置坐标，得到该室内目标所处的水平面；假设航空器位置的气压值为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，室内目标位置的气压值为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
,气压的单位为kPa，根据高度每上升9米大气压降低100Pa的原理，得到室内目标的高度为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
，所以室内目标所处的水平面方程为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
。
数据处理终端计算该信号的来源方向与室内目标所处的水平面之间的相交点，即将
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
带入信号的来源方向的参数方程，即可求出信号的来源方向与室内目标所处的水平面的相交点，从而得到室内目标的位置坐标，实现该室内目标的定位。
本实施例航空器1和室内目标4测得的各种数据均传送至（优选无线传输方式）数据处理终端，由数据处理终端进行定位运算。本实施例不需要在室内部署定位基站，仅仅依靠航空器上的测向设备、两个气压计以及室内目标的定位标签来实现目标的定位，不但简单可靠，而且定位精度较高。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，所述航空器配备GNSS定位装置和第一气压计，所述航空器携带有二维测向设备，所述室内目标携带有第二气压计和定位标签；所述方法包括以下步骤：
所述航空器绕建筑物的外围飞行，所述GNSS定位装置实时获得航空器的位置坐标；
所述二维测向设备接收定位标签发出的信号，从而获得该信号的来源方向的偏航角和俯仰角，进而根据航空器的位置坐标得到该信号的来源方向；
所述第二气压计测量该室内目标位置的气压值，所述第一气压计实时获得航空器位置的气压值，根据每上升9米大气压降低100Pa的原理、两个气压值之差以及航空器的位置坐标，得到该室内目标所处的水平面；计算该信号的来源方向与室内目标所处的水平面之间的相交点，得到该室内目标的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，其特征在于，计算室内目标的位置坐标的方法如下：
假设航空器的位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，信号的来源方向的偏航角为yaw，信号的来源方向的俯仰角为pitch，则信号的来源方向的向量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
上式中，m、n、p分别为该向量在x轴、y轴、z轴方向上的分量；
从而得到信号的来源方向的参数方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
假设航空器位置的气压值为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，室内目标位置处的气压值为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
,单位均为kPa，根据每上升9米大气压降低100Pa的原理，得到室内目标的高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，所以室内目标所处的水平面方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
将
Figure DEST_PATH_IMAGE013
带入信号的来源方向的参数方程，即可求出信号的来源方向与室内目标所处的水平面的相交点，从而得到室内目标的位置坐标。
3.根据权利要求1或2所述的基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，其特征在于：所述航空器为无人机或载人直升机。
4.根据权利要求1或2所述的基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，其特征在于：所述定位标签与第二气压计相连接，所述定位标签具有信号调制功能，所述定位标签发射的信号中调制有第二气压计测得的气压值；所述测向设备具有相对应的信号解调制功能。
5.根据权利要求1或2所述的基于一个航空器辅助的建筑物室内目标定位方法，其特征在于：所述测向设备使用幅度比较法、多普勒方法、相位干涉方法、相关干涉方法或到达时间差方法测量信号来源方向的偏航角和俯仰角。
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