一种适用于灾害救援的探测系统及其协作通讯定位方法_3

文档序号:9597641阅读:来源:国知局
装成邻小区,然后提高功率,触发手机重选,类似通信中的切换过程;二是采用干扰机,发射白噪声,屏蔽除紧急救援基站外的其他基站的BCCH信号,手机无法识别现存BCCH信道,别无选择下会自动连入紧急救援基站。
[0053]连入区域内手机后,紧急救援基站利用受害者管理模块,及时剔除工作人员、无关人员与已获救人员的手机MSI码登记信息。
[0054]空闲模式下,手机几乎不发射信号。因此,当成功迫使手机连入救援网络后,紧急救援基站需诱发手机发射信号。手机在以下几种情况发射信号:开关机、拨打/接听电话、收发短信息、数据服务、小区重选、位置更新等。若受害者清醒且可以应答时,可以通过打电话或者数据服务等建立TCH信道(Traffic Channel,业务信道),语音或者数据上传时会有信号发出方便检测,甚至可以让受害者上报位置。当受害者无法应答时,可通过发短信、打电话、位置更新等方式建立SDCCH(Standalone Dedicated Control Channel,独立专用控制信道),此时无需受害者参与,手机会自动发射信号。
[0055]图3是紧急救援基站、手机与手持探测终端直接的通信流程。紧急救援基站需要与手机、手持式探测设备进行通信,因此,除一般与手机通信功能与上述的救援网络建立模块外,紧急救援基站还需要
[0056]a)终端通信模块,配置并建立与手持探测终端的通信连接,提供一个频率作为默认的随机接入信道,手持中继设备可在该频率发送随机接入请求,接着根据请求分配一个时隙作为与其通信的专用通信信道,并分配一个频率或时隙作为对所有手持探测终端的广播信道;
[0057]b)定位模块,获取自身的位置信息,可利用GPS模块获得自身坐标;
[0058]c)数据分析定位模块,根据获得的手机信号信息与手持式中继探测器的位置信息,通过多锚点优化定位方法对手机进行定位分析。
[0059]d)调度模块,根据各个手持探测终端与区域内手机估测位置,对手持探测终端进行调度,合理配置救援资源。根据区域内所有目标手机与手持探测终端的分布,指定优先探测顺序发送到手持探测终端以优化配置救援资源,如优先搜寻密集区域的手机。结合⑶0P(Geometric Dilut1n of Precis1n,几何精度因子)等规划各个手持探测终端的探测路径或区域,以最小的资源实现对各个目标手机的最优探测,如将探测终端均匀分布在待测手机四周,避免分布在同一方向造成的精度骤降。救援人员可根据调度模块发送过来的调度信息在救援进行工作。
[0060]上述模块可采用SDR (Software Defined Rad1,软件无线电)开发的方法对传统基站进行改进,配置与设计好外围硬件后,利用可编程模块(FPGA或DSP)实现基带信号处理、数据分析等功能。在软件上,对传统基站增加救援网络建立模块、终端通信模块、数据分析定位模块等;在硬件上增加GPS模块、功率放大旋钮或干扰机等功能模块。
[0061]手持探测终端需具有:
[0062]A)中继模块,对接收到的来自基站和手机的信号进行解调译码后,再经调制放大发射出去;
[0063]B)通信模块,建立与紧急救援基站之间的专用通信连接,发射接入请求以连接紧急救援网络,并接收来自紧急救援基站的广播信息,包括目标手机发射信号所在的信道信息、目标手机的估测位置信息等,监听目标手机信号,并实时上传自身的位置信息、目标手机的信号强度或角度等信息;
[0064]C)数据处理模块,提取目标手机信号的信号强度、角度等数据;
[0065]D)定位模块,采用GPS定位模块获取自身位置,以便上传到紧急救援基站分析目标手机位置,同时利用惯性测量模块跟踪以提高精度,并增强在隧道、室内等复杂环境下的定位;
[0066]E)显示模块,将紧急救援基站下传的目标手机位置与调度信息显示在显示屏上,如在地图上显示区域内的所有目标手机,大大提高探测效率。
[0067]图4是本发明手持探测终端的的位架构与方法示意图,具体实施中手持探测终端利用SDR开发的方式实现功能。硬件上,可采用全向天线组、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器、显示屏、GPS定位模块、加速度计和陀螺仪等惯性测量模块、存储器、高性能FPGA、专用S頂卡、电源等器件。通过软件模块实现手持探测终端的通信模块等功能,利用专用S頂卡的身份信息建立专用通信信道,上传或下载各类信息如广播信息、接入请求信息、手机信号信息、地图数据、路径规划信息、手机位置信息等。
[0068]本实施例中,可采用全向天线组,以便分集接收,削弱小尺度衰落影响;基站广播信号和手机信号经天线组后进入双工器,依次经第一滤波器、低噪声放大器、第二滤波器、混频器、第三滤波器后连接到FPGA的接收端。FPGA连接有存储器、专用S頂卡、显示屏以及包括GPS模块、加速度计、陀螺仪等定位组件;FPGA的输出端经调制器、功率放大器和发射滤波器后再通过双工器的另一路连接到天线发射。FPGA模块基于软件开发实现包括解调译码等的基带信号处理,综合GPS模块与惯性测量模块定位信息获取手持探测终端自身的位置,并实现上述手持探测终端的通信模块、数据处理模块,支持中级模块与显示模块等。
[0069]如图2所示,紧急救援基站间歇发起再次更新,可设置间隔为1分钟,待救援人员移动足够距离后更新探测,以保证测量样本之间的独立性。
[0070]由于灾害现场散射体比较多,造成角度定位误差极大,故本发明实施例中,采用SS0A定位方法,对定位精度进行分析。本实施定位依据多场地的实地测试模型,大尺度传播损耗与距离之间的关系如下:
[0071]PLi= PL o+101g ((xi~x) 2+ (yj-y)2) +Le+ni
[0072]其中,PQ为手持探测终端探测得到的路径损耗,PL。是距离发射源一一手机lm处的损耗,(Xl,yi)是手持探测终端的坐标,(x,y)是目标手机的位置坐标,U是接收损耗与自由传播损耗之前的差值,即额外损耗,&为白噪声,根据实测,废墟环境下慢衰落可用白噪声描述。本实施中已采用全向天线组通过空间分集大幅削弱小尺度随机快衰落的影响,作为辅助,但也可以基于跳频采用频率分集提高抗快衰落性能或者其他方式。
[0073]由于非视距效应、大尺度衰落效应的影响,单个手持探测终端的定位精度误差极大,因而本发明采用协作定位方式。本发明实例中,探测区域内手持探测终端将接收到的手机信号强度信息和自身位置信息上传到紧急救援基站,基站的数据分析模块根据所有信息对手机进行定位。场强定位的一大优势是设备简单,无需复杂而昂贵的时钟同步模块。
[0074]针对探测区域内多个手持探测终端协作定位的多锚点传感方式,本实施例采用基于迭代SDP法(Semidefinite Programming,半定规划)的方式对目标位置进行优化。该法有且只有一个全局最优点,避免了其他方法的干扰问题。图6是定位精度与手持探测终端数量之间的函数关系图。定位精度与理论上的精度极限--CRLB(Cramer Rao Lower
Bound,克拉美罗极限)非常接近,大大缩小了搜救范围。
[0075]本发明实施例是间歇性更新位置,即救援人员携带手持探测终端逐步靠近受害者。在此过程中,利用新的手持探测终端位置和手机强度信息对目标手机位置再估计。随着搜索区域的减小,定位精度也相应逐步提高。上述示
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