一种战术定位装置及其工作方法

1.本发明涉及通讯设备定位技术领域，尤其涉及一种战术定位装置及其工作方法。


背景技术：

2.特警作战对于队员之间的时间协同和空间协同要求越来越来高，目前主要通过警用手持电台进行语音指挥，在某些高协同要求的任务下，传统手段难以精确达到战术目的，行动过程也难以数字化记录，不利于后期对战术行动进行评估和改进。在巷战、室内外侦查搜索等场景，尤其是黑暗条件下陌生地域，当不同位置的队友在行动中无意中接近时，由于无法提前预知队友位置，且没有敌我识别系统，突然的碰面可能让本来就紧绷的神经进一步紧张引发开火，容易造成误伤队友；碰面后停下来确认身份或先躲避后再确认，又会导致敌方先行开火和我方失去先机。
3.一些警用手持电台带有gps或其它卫星导航模块，可以了解其所在的位置信息，但卫星导航系统一般只能用于空旷的室外，适用于野外作战中的警力部署等。在工业或消费等领域中的定位，很多需要预先在一定范围结构内布置定位基站，如基于激光、wi
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fi、蓝牙、红外线、超宽带、rfid、zigbee或超声波等方案的定位，像红外、激光、超声波一般不能穿透墙壁通信和定位。
4.现有基础中有一种基于地磁的定位方法无需布设基站，但需要预先在目标地点不同地点采集地磁场信息。而在特警作战中，案发地点不特定，现场可能是包含有地上地下连通空间、主楼群楼的复杂城市综合体，或是高层超高层、大空间大跨度等复杂结构，一般不具备预先布置定位基站或采集地磁信息等先决条件。另外有些定位装备采用惯性导航技术，无需预先布置定位基站，但惯性导航的误差容易累积，尤其是特警在行动中摸爬滚打等战术动作多样，误差累积容易导致无法使用。


技术实现要素：

5.本发明提供一种战术定位装置及其工作方法，无需预先设置定位装置，通过随身携带的定位装置即能进行队友定位和敌我识别功能，定位准确快捷。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种战术定位装置，包括：无线通信单元、无线测距单元、imu惯性测量单元、三轴磁罗盘、气压计、处理器、显示单元、安全运算单元。
7.战术定位装置之间采用自组网模式通信，无线通信单元用于构建无线自组网并实现各个战术定位装置间的无线数据通信。
8.无线测距单元用于测量各个战术定位装置，即不同佩戴人之间的距离，处理器根据不同佩戴人之间的距离确定位置关系。
9.imu惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于检测佩戴人的位姿。
10.三轴磁罗盘用于检测佩戴人正面所面向的方向，即朝向。
11.气压计用于采集大气压力值，并且含有温度检测电路，能够采集当前环境的温度。
气压受温度影响较大，从开放空间来观测，温度升高空气膨胀，使得空气的密度变小，大气压力变小；从封闭空间来观测，封闭空间的温度升高导致空气膨胀，但由于是密闭空间其体积受限变化不了，大气压力变大。
12.本发明从战术定位应用角度，将气压值换算为高度值。如果队员所在的高度不变时，局部温度变化会导致一个虚假的高度数值变化，这样会造成误判。所以对可能存在的局部温度变化的应用环境，在气压计算时考虑温度变化十分必要。
13.处理器对气压计采集到的大气压力值及当前环境温度进行温度补偿，并通过气压－高度公式计算得到当前环境气压高度值。从较长时间维度看，同一天的气压也会有较大的波动变化导致计算的高度数值变化，在这一方面，我们考虑两种场景，一是利用队员之间高度差信息（两者在较近的范围区域）进行战术标高的显示，便于战术协同；另一种是，指挥终端在地面采集气压高度，用作参考值，队员获取的气压高度跟这个参考值作差分，得到与地面的真高，用于辅助指挥决策。对于实战中，会遇到更多复杂情况，如室内有空调、暖气，或是有雷阵雨、火灾等造成的气压大幅度变化等，具体情况需要具体分析，用相应的战术对应。
14.安全运算单元用于不同战术定位装置之间信息的认证、加密。认证的主要目的是确认对方身份，操作方法是在安全运算单元中用消息认证码、数字签名等方式实现双向认证。认证失败则不进行机密信息的传输，同时警示对方可能是敌方，实现敌我识别。
15.加密主要目的是保持信息的机密性，安全运算单元中用公钥或对称密码对信息进行加密，信息中加入变化的序列号、时间戳等，可以同时对信息的散列进行数字签名。
16.显示单元用于显示佩戴人定位信息、位姿、朝向、指挥命令、敌我识别认证信息。
17.一种战术定位装置的工作方法，适用于所述的一种战术定位装置，包括：两个战术定位装置分别为a、b，a、b初始时刻所在位置为a点、b点，通过无线测距单元采集ab点间的距离；a装置静止，b装置移动至b’点，惯性测量单元采集bb’点间的距离，无线测量单元采集ab’点间的距离；a装置静止，b装置采用与上一次移动方向不同的朝向移动至b”点，惯性测量单元采集bb”点间的距离，无线测量单元采集ab”点间的距离；根据气压计采集的气压数据，判断a、b、b’、b”点是否在同一水平面，若在统一水平面，则分别以b、b’、b”为圆心，ab、ab’、ab”为半径画圆，三个圆交点即为点a的位置；若不在统一水平面，则分别以b、b’、b”为圆心，ab、ab’、ab”为半径画球，三个球的相交区域即为点a所在的位置。
18.本发明的有益效果是：本发明装置随身佩戴，无需预先部署定位基站，仅需两个定位装置即可相互协同定位，快速实现队员之间的室内外相对定位，因此提高了作战空间和时间的精确协同能力，增强了战斗力；本发明通过消息认证码、数字签名等方式实现敌我识别，一方面避免在黑暗条件、陌生地域巷战、室内外侦查搜索等场景造成误伤，降低误伤事故；另一方面，也利用定位信息对遇险队员进行搜救。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1是本发明装置的系统图；图2是实施例中两点定位方法的示意图；图3是实施例中两点定位法在实际应用中利用外围环境辅助定位的示意图。
具体实施方式
21.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
22.本发明实施例提供一种战术定位装置，如图1所示，包括：无线通信单元、无线测距单元、imu惯性测量单元、三轴磁罗盘、气压计、处理器、显示单元、操作单元、安全运算单元、io接口和电源部分组成。
23.将定位装置标记为节点，各节点之间以自组网模式进行通信。无线通信单元用于构建无线自组网并实现节点间的无线数据通信；无线测距单元用于节点间距离的测量；imu惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于测量位姿；三轴磁罗盘用于节点检测方向；气压计内含有温度检测电路，处理器对气压计读取的大气压力值进行温度补偿，并通过气压－高度公式计算得到气压高度值；处理器根据imu惯性测量单元、三轴磁罗盘及气压计数据，计算得到本节点装置行进的距离、方位和高度，结合无线测距单元的测得的与周边节点的距离，计算得到与周边节点的相对位置关系，并通过无线通信单元与周边节点进行定位信息共享；安全运算单元用于信息的认证、加密。显示单元用于显示定位信息、节点姿态朝向、指挥命令、敌我识别认证等信息；操作单元用于人机交互，操作单元一般采用键盘或触摸屏；io接口用于和外部设备连接；电源用于设备供电。
24.本实施例所适用的工作方法，至少需要两个节点即可实现相互协同定位，具体步骤如下：1）两个战术定位装置分别为a、b，a、b初始时刻所在位置为a点、b点，通过无线测距单元采集ab点间的距离；2）a装置静止，b装置移动至b’点，惯性测量单元采集bb’点间的距离，无线测量单元采集ab’点间的距离；3）a装置静止，b装置采用与上一次移动方向不同的朝向移动至b”点，惯性测量单元采集bb”点间的距离，无线测量单元采集ab”点间的距离；4）根据气压计采集的气压数据，判断a、b、b’、b”点是否在同一水平面，若在统一水平面，则分别以b、b’、b”为圆心，ab、ab’、ab”为半径画圆，三个圆交点即为点a的位置；若不在统一水平面，则分别以b、b’、b”为圆心，ab、ab’、ab”为半径画球，三个球的相交区域即为点a所在的位置。实际无线测距或惯性测量中，由于测量误差等影响，三个圆或球可能并不能交于一点，而只是三个圆或球有共同包含的一个区域，此时需要用其它算法进行估计，比如最小二乘法等。
25.以上展示了至少2个节点情况下的定位方法，核心思路在于利用节点间的静态与动态变化，通过惯性测量行进距离和无线测量节点间距离的手段，以节点移动测量模拟出多个基站对其它节点的位置确定，通过无线网络共享定位信息。
26.当周边节点有更多个，可采用多边测距定位方法，如最小二乘法、卡尔曼滤波等。
27.为了便于描述定位方法原理，前述都是假定a静止，b移动并测距等情况下的分析。实际过程中a、b等节点都可以实施测距和将相关信息通过无线通信网络共享。实战过程中，所有节点队员并不一定会同时移动，也不会时刻持续移动，故相邻近的队员在一定通信范围内自动完成定位并显示，实现敌我识别、战术协同等，并不一定要求某队员静止等待其他队员移动并测距。
28.本实施例在实战应用中，根据场景不同，并不一定都需要从b、b’、b”三个位置点才能对a定位，也可以通过外围环境辅助判断，如图3所示，b利用建筑墙体情况辅助判断，只需要移动1次到b’，两个圆的左边相交点即为a的位置（墙体遮挡），两个圆的右边相交点由于无遮挡可视，直接排除右边相交点。或者当a在一层以上楼层或地下空间中，两个圆的相交点在楼外无依托的空中，或是在地下空间之外的土层中，这些位置人工判断即可快速排除，从而更快确定a所在位置。
29.当无线定位网络中已经有多个节点实现了相互定位，当新节点加入并且可以与3个或3个以上已定位节点无线测距时，则可直接利用三边或多边定位，无需再通过节点移动并惯性测距来辅助实现定位。由于各节点属于合作目标，新加入的节点还可以通过无线方式获取其它已定位节点定位信息。
30.无线测距需要可穿透墙体的方案，不能用激光测距、超声波等方式，由于城市作战多在复杂结构建筑中，故基于rssi（received signal strength indication接收的信号强度指示）形式的测距误差较大一般也不能单独使用，比如可采用tof（time of flight飞行时间）测距方案。如选用sx1280等芯片，则可通信与测距为一体化结构。安全去除单元用于信息通信中的认证、数据加密签名、加时间戳等，防止敌方干扰、窃听、伪造或重放信息等。
31.惯性测量器件虽然有误差累积的固有特性，但在本实施例中，惯性测量器件仅测量较短的距离供定位解算使用，后续测量又会重新开始，故不会一直累积。利用惯性测量单元及气压计，可判断出队员处于静止、走、跑、卧倒、上下电梯、上下楼梯、跌落等姿态。
32.队员姿态的判断方法包括：当惯性测量单元和气压计变化范围小于一定阈值，判定队员处于静止状态；若惯性测量单位基本静止，而高度有较快速度增加或减少，则可判定队员在坐电梯上下；惯性测量单元垂直于地面的轴上出现某低频节奏和一定强度的冲击波形，且有对应的水平运动行程，则判定队员在行走；若在走的判定基础上，频率、强度和对应行程增加，则认为队员在跑动。在走或跑的基础上，若高度发生对应的高低变化，则可判定队员在上下楼梯或坡道。利用惯性测量单元的数值，也可判定队员是否处于卧倒状态，如俯卧、仰卧或左右侧卧；当惯性测量单元某一轴数值变化率超过一定阈值，则判断队员跌落。
33.一天中大气压力本身就存在变化，直接通过气压计算得到的高度值会随气压变化，而此时节点相对于地面的相对高度可能并没有变，但由于战术定位装置主要比较邻近节点间的相对高度，这个高度基本是同步变化的，通过滤波计算后基本不受影响。战术定位装置连接平板等，设置相应权限，可以作为指挥终端使用，指挥终端在地面时，其计算的气压高度可作为其它战术定位终端气压高度的参考值，与该参考值作差分得到战术定位终端
相对于地面的高度，根据层高则可判断其所在楼层，便于协同作战与指挥。
34.在使用时，战术定位装置需要按特定的方向佩戴，磁罗盘数据除了参与惯导计算，其方位角表示队员的朝向，在屏幕上显示朝向，便于协同指挥作战。队员行进航向通过惯导、磁罗盘综合计算判断，根据需要显示行进轨迹，用于导航或战评等。
35.战术定位装置中的显示单元能够显示一定距离内队员之间相对位置关系，包括水平距离、垂直距离、队员的方位朝向和姿态，进行敌我识别认证，显示指挥命令等，并可在指挥终端协调下实现时间同步、倒计时等。
36.本发明的有益效果：本发明实施例采用节点间无线测距、惯性测量、磁罗盘测定朝向、计算航向、气压计测量计算高度，通过节点间无线通信实现战术定位信息共享，无需预先布置定位基站，采用动静态组合的方式进行相对定位，并图形化显示定位效果。
37.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。