一种无线测向定位搜救装置及搜救方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及遇险人员搜救技术领域，尤其涉及一种无线测向定位搜救装置及搜救 方法。
【背景技术】
[0002] 我国幅员广阔，地理、气象条件复杂，自然灾害时有发生，广大的野外工作者包括 地质、矿山、地理勘察、大地测绘、工程设计等人员的工作，属于野外涉险作业，另外，随着国 民经济和社会的发展与进步，我国隧道等基础建设以及海上运输等活动变得频繁，相关的 工作也属于涉险作业。这些涉险作业的周围环境一旦出现意外，遇险人员被困后，往往需要 借助外界人员的救助才能有效脱离险境。然而由于遇险人员所处的环境地形复杂或面积太 大或被障碍物遮挡，造成搜救人员目力不能及，很难施救，所以除了目力搜寻外，搜救人员 通常需要借助无线搜救装置来对对遇险人员发出的无线报警信号进行搜索定位，以准确找 到遇险人员。目前，无线搜救装置所采用的无线信号定位技术可以分为五种：基于信号强 度（signal strength of Arrival，SS0A)、基于信号到达时延（time of arrival，Τ0Α)、基 于信号到达时延差（time Difference of Arrival, TDOA)、基于信号到达角度（Angle of Arrival，Α0Α)以及混合定位。
[0003] (1)基于信号强度的定位
[0004] 基于信号强度的基本定位技术是通过测量接收信号的场强值，利用已知信道衰落 模型以及发射信号的场强值估算出移动终端到多个发射基站之间的距离，通过求解收发信 机之间的距离方程组，即能确定目标移动台位置。场强定位的一个关键问题是无线电信号 强度（功率）衰落（损耗）数学模型的建立。有许多相关研究工作者对电波传播模型进行 了深入的研究。建立了许多不同种类、适用于不同环境的电波传播损耗模型。在无线电覆 盖预测和场强衰减定位时，通常使用的是Okumura模型，Hata模型，Okumura-Hata模型。但 是由于实际无线电传播环境非常复杂，一般而言，这种方法只有在无线电波传播模型与地 理环境匹配得比较好时，定位精度才较高。在实际运用时，通常需要用实际测量的方法来修 正模型，提高定位精度。基于信号强度的定位方法相对来说容易实施，费用较小，不需要对 移动终端和基站硬件进行修改，只要对通信软件做一些修改就可以了，但是其定位精度受 多径衰落和阴影效应的影响，精度较差；
[0005] ⑵基于信号到达时间的定位
[0006] 基于信号到达时间定位的基本方法是同时从多个基站测量同一个移动终端的发 射信号到达的时间，根据到达时间计算移动终端到基站的距离，再根据多个距离估计值估 计移动终端的位置。当存在视距传播的情况下，若信号在移动终端和第i个基站之间的传 播时间h，无线电信号传播速度为c，则信号到达时间和电波的传播速度的乘积就是移动终 端与基站之间的距离R 1，即R1= CXt i。若移动台位置坐标为（X。，y。），第i个基站的位置坐 标为（Xi, Yi)，则移动台被定位在以基站i所在位置（Xi, yj为圆心、Ri为半径的圆周上。即 CN 105158728 A 仇 叱 卞> 2/10 页 TOA方程组为：
。若测得信号在移动终端与三个基站间的传播 时间，那么3个圆的交点就是移动台的位置。同步精度和时间测量误差是影响TOA定位精 度的关键。应用TOA定位时，要求接收信号的基站/移动台知道信号的开始传输时刻，并要 求基站和移动终端之间有非常精确的时钟，这一点实现起来是相当困难，这也是TOA基本 定位技术的主要缺点。因为移动终端的位置是不确定的，而它与基站之间的传播时间本来 就是被测参数，基站控制的移动终端同步一定存在较大的误差。因此，要使基站间、基站和 移动终端间，特别是基站和移动终端间保持高精度的时间同步，就必须在基站和移动终端 添加高精度的时钟，在基站添加还可以实施，在移动终端就相当不方便了，这不仅要增加移 动终端的体积，而且要增加移动终端的成本。另外，TOA定位至少要求三个基站同时参与定 位计算，在大区制蜂窝系统，受Hearability因素的影响，很难实现三个基站同时收到同一 个终端的信号。由于同步误差、NLOS误差等影响，会使圆无法交汇，或者交汇处不是一个点 而是一个区域。因此，在实际定位时，可以利用GPS对基站进行校时，提高同步精度，降低同 步误差，并利用其他补偿算法来抑制NLOS误差，降低TOA测量误差，提高算法的定位精度。 但同时也增加了系统开销和算法复杂程度。基于信号到达时间定位技术虽然系统设备相对 复杂，但其基站和移动终端间能够保持高精度的时间同步，定位精度较高。
[0007] (3)基于信号到达时间差的定位
[0008] TDOA是通过检测信号到达两个基站的传播时间差，而不是像TOA定位一样测量到 达的绝对时间来确定移动终端的位置，降低了时间同步要求。移动终端定位于以两个基站 为焦点的双曲线上。当已知基站BSl和基站BS2与移动台之间的距离差R 21= 1?2-札时，移 动台必定位于以两基站为焦点，与两个焦点的距离差恒为R21的以实线表示的双曲线对上。 当同时又知道基站BSl和基站BS3与移动台之间的距离差R 31= R3-RJt，可以得到另一组 以两基站BSl和BS3为焦点，与该两个焦点的距离差恒为R31的以虚线表示的双曲线对上。 于是，两组双曲线的交点代表对移动台位置的估计：
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[0010] 其中，移动台的位置坐标为（X。，y。），已知基站BSl的位置坐标为（X1, yi)，基站BS2 的位置坐标为（x2, y2)，基站BS3的位置坐标为（x3, y3)。
[0011] 基于信号到达时间差定位，只要求基站间同步，而不要求基站与移动终端间同步。 基站位置是固定的，基站间实施同步比移动终端与基站间同步要容易。因此，TDOA定位比 TOA定位更容易实现，更具有适用性，应用非常广泛，许多传统定位系统如雷达、声纳和GPS 等都采用这种基本定位技术。
[0012] (4)基于信号到达角度的定位
[0013] 基于信号到达角度的定位是在视距传播的情况下，基站接收机通过天线阵列测出 移动台发射电波信号的入射角度，从而形成一根从接收机到移动台的径向连线，即方位线， 由2个基站得到的2个方位线的交点就是移动台的位置。
[0014] 假设基站BSl和BS2分别测得移动台发出信号得到达角度分别为Θ 1和Θ 2,则下 式成立： CN 105158728 A ^ 3/IU 贝
[0015]
其中，移动台的位置坐标为（X。，y。)，已知基站BSl的位 置坐标为（X1, Y1)，基站BS2的位置坐标为（x2, y2)。
[0016] 通过求解上述非线性方程，可以得到移动台位置（X。，y。）。AOA算法只需要2个基 站就可以确定位置，而2条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象，即定位的 模糊性。但为了测量信号的入射角度，接收机的天线需要改进，必须配备方向性强的天线阵 列。当移动终端距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差，而 且完全不适用于非视距传播的情况，这就大大限制了该方法在蜂窝移动通信网络的运用。
[0017] (5)混合定位技术
[0018] 这种方法是利用上述两种或多种不同类型的信号特征测量值如Τ0Α/Α0Α、TDOA/ A0A、TD0A/T0A进行定位估计。例如，如果一个基站（Xl，yi)能够同时测得移动台发出信号 以直射路径到达基站的时间h和角度Θ则移动台相对于基站的距离 Rl=c*t JP方位角 Θ已知，于是由下式信息编码与传输可以解出移动台位置（X(]，y。），即
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[0020] 混合定位技术虽然可以综合上述几个技术的定位信号测量优点，但是需提供不同 的信号特征测量值，仍要依赖地面其它通信系统才能达成系统功能，系统生存能力差。
【发明内容】
[0021] 本发明的目的在于提供一种无线测向定位搜救装置及搜救方法，能够实现对因地 形复杂，目力不能及或被障碍物遮挡、黑暗等恶劣情况下的遇险人员的应答式搜寻，快速准 确地定位到这些遇险人员，以实施快速准确的救援。
[0022] 为解决上述问题，本发明提出一种无线测向定位搜救装置，包括信号处理模块以 及分别连接所述信号处理模块的测向天线模块、人机交互模块、通讯模块、电源，其中：
[0023] 所述测向天线模块包括用于对遇险人员的方向进行解算的天线阵列电路，天线阵 列电路主要由多支天线电路构成，每支天线电路包括依次电连接的测向天线、低噪声放大 器、带通滤波器、限幅放大器以及A/D采样器；
[0024] 所述通讯模块用于接收遇险人员发送的求救信号以及向遇险人员发射所述信号 处理模块产生的询问信号，所述通讯模块包括收发天线、与收发天线分别连接的信号接收 器和信号发射器以及与信号处理模块、信号接收器、信号发射器分别连接的收发开关；
[0025] 所述信号处理模块连接各个接收A/D采样器以及信号接收器和信号发射器，并用 于根据所有A/D采样器接收的各个天线信号以及通讯模块收发的信号进行测向计算以定 位出遇险人员的方位，显示在人机交互模块；
[0026] 所述人机交互模块包括方位测向显示器以及电源开关，所述方