专利名称：基于三台通信车的室内定位系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于三台通信车的室内定位系统和方法，属于电子信息技术网络 产品结构及应用的技术领域，具体说属于利用电子信息产品及网络技术在建筑物内进行室 内精确定位的系统和方法的技术领域。
背景技术：
近年来，自然灾害和突发公共安全事件频频发生，室内救援和危机处置人员在遇 险时的救护工作也成为了救援过程中的重要一环。例如消防部队在火灾救援过程中不时出 现消防员的伤亡事故，由于火灾现场的情况复杂，易燃易爆物品、有毒气体和粉尘及空气含 氧量低等因素时刻威胁消防员的生命安全。在消防员意外受伤无法移动时，快速找到受伤 消防员，并将其带离现场救治，对保障消防员的人身安全有着重要的意义。在现有的定位技术中，全球卫星定位系统(GPS)是利用定位卫星来实施室外的 定位、测速及导航服务的主流技术，目前主要为2D的。但是，GPS所使用的电磁波频率在 1. 5GHz左右，波长较短，适合视距的直线传播，但穿透障碍物的能力不强，由于建筑物的屏 蔽，GPS无法进行室内定位。这也就意味着，直接借用GPS信号实行室内定位在技术上是行 不通的。虽然目前有通过使用GPS中继或电信运营商的基站来进行室内辅助定位(A-GPS) 的技术，但是定位精度一般为2-10米，而对室内定位由于涉及到楼层，所以垂直方向上的 精度要达到不能差楼层，要求较高。目前已有的常用室内定位技术，有红外定位、802. 11无线网络定位、超声波定位、 微雷达定位、RFID定位和超宽带(UWB)技术定位等。超声波和雷达是采用靠接收发射信号 的反射波来确定目标位置的一种技术，主要的不足是传播距离有限和穿透障碍物的能力不 强。剩余的几种大体上都是采用传感网络进行监测被测目标的信号强度的方式来实现定位 目的。这就需要预先在室内放置传感器，建立传感网络，对于没有预置传感网络的建筑或不 具备放置条件的建筑，这类的定位方法就无能为力了。由于目前的定位技术大多是室外的基于卫星的定位技术，一是存在定位精度不高 的问题，目前民用级别的定位精度为2 10米。二是由于GPS系统所使用的无线电波的频 率在1. 5GHz左右，频率较高，容易被障碍物阻挡，导致了其穿透能力不强的问题，故无法穿 透建筑物进行室内定位的问题。而目前的主流室内定位技术也是需要预先在室内布置传感 监测系统，灵活性和适应性大打折扣，对于危急情况下的机动部署和快速定位无能为力，而 且定位的距离和信号的穿透性受到很大限制。
发明内容
本发明提供了一种基于三台通信车的室内定位系统和方法，可应用于公安、消防、 武警等多个部门的应急救援场合于紧急情况下的室内救援人员、危险物品、贵重物品的快 速、精确定位；以实现适用于室内，可以随时开赴需要定位的现场，快速机动部署，无需室内 预先布防监测传感网络，而且信号的穿透性强的目的。
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为达到所述的目的本发明的技术方案是一种基于三台通信车的室内定位系统，包括发射装置、无线传输网络和定位终端， 所述的发射装置为相对于建筑物互成一定角度排列的三台通讯车组成，以其中一台通讯车 为基准，建立定位坐标系；所述的无线传输网络频率为340MHz的警用频率；所述的定位终 端为便携的背负式设备；该发射装置通过无线传输网络与定位终端建立移动通讯连接。该三台通信车的位置是放置于以建筑物为中心，半径50-500米的圆弧上，每台通 讯车之间与圆心的角度为120度。该三台通信车的位置是放置于以建筑物为中心的半径为300米的圆弧上，每台通 讯车之间与圆心的角度为120度。该三台通信车互成180度角排列成一直线位于建筑物的一侧。该定位终端包括固定在封闭式外壳上用于信号收发的天线和用于背负的背带；与 所述天线电性连接的接收/发射模块，数据处理模块和供电模块设置于所述的外壳内；该 供电模块为蓄电池；来自信号收发天线接收的信号通过数据处理模块进行基带信号和信号 上下变频处理，处理后的信号通过接收/发射模块发射。一种实施所述的定位系统的方法，包括如下步骤(1)系统启动，通讯车就位；(2)使用指北针和测距仪获得通讯车之间、通讯车和建筑物之间的相对方位和距 罔；(3)利用获得的数据初始化建立定位位置坐标系；(4)将发射装置的三台通讯车相对于建立的所述坐标系的位置计算出其坐标作为 坐标系的已知参考点，将建筑物的结构信息纳入此坐标系中；(5)发射装置搜索移动的定位终端并建立联系；(6)发射装置将获得的定位终端的位置信息记录保存；(7)定位结束。该步骤(4)中已知参考点的计算方法为把其中一台通讯车作为该坐标系的原点， 并将其坐标记为(0，0，0)，由指北针和测距仪测出其他两台通讯车相对于该原点坐标的角 度和距离，并经简单的数学计算得到其他两台通讯车在该坐标系中相对于原点的坐标。该步骤(5)中发射装置搜索移动的定位终端并建立联系的方法为(a)发射装置的三台通信车向建筑物定向发射信号，以便建筑物内的定位终端接 收信息，发射的信号内包含定位坐标系的原点，三台通信车位于该坐标系的坐标和用于系 统时钟同步的信息；(b)被定位目标的定位终端通过接收三台通信车的信号来确定通信车的位置和自 己与通信车的空间距离，计算原理为假设定位终端在定位坐标系的坐标为(X，1，Z)，而三 台通信车的坐标可以由接收信号内直接读出，根据三维空间坐标系内两点间距离的计算方 法，得到3个包含被定位终端的位置变量的方程进行组合求解，从而得出自己的坐标位置 fn息ο该步骤(b)中位置变量的方程为计算三维空间中任意两点的距离的方程，其中距 离由公式S = C*t求出，C为光速常量，t为信号从通信车发送到定位终端接收期间的时间差。
采用本发明的技术方案可在紧急情况下实施快速室内精确定位，克服卫星定位无 法工作于室内定位环境的缺点，而且同目前的主流室内定位技术相比，不需要预先建立传 感监测网络，使用三台通信车作为信号发射源，建立定位空间系统，由于通信车可以随时移 动，所以具有快速机动的特点；通信频率上使用340MHz的频段，穿透力较强，传输距离远。本系统可以在火灾救援现场进行迅速部署，通过本定位系统，能使救援指挥人员 能更好的调度和分配救援力量，同时可以对遇险消防队员进行迅速定位施救，降低消防救 援人员的救援风险，为消防员在救援过程中多提供了一层安全保障。
图1为本发明理想情况下三台通讯车的相对位置示意图；图2为本发明一般情况下三台通讯车的相对位置示意图；图3为本发明定位终端的结构示意图；图4为本发明定位系统的工作流程图；图5为本发明基于三台通讯车的室内定位网络结构图。图中标号说明A、建筑物 B、电信基站C、定位卫星D、街道1、1号通信车2、2号通信车3、3号通信车101、天线102、外壳103、接收/发射模块104、背带105、数据处理模块106、供电模块
具体实施例方式下面结合附图对本发明详细描述如下一种基于三台通信车的室内定位系统，包括发射装置、无线传输网络和定位终端， 所述的发射装置为相对于建筑物互成一定角度排列的三台通讯车组成，该三台通信车的位 置是放置于以建筑物为中心，半径50-500米，最佳半径为300米的圆弧上，每台通讯车之间 与圆心的角度为120度。或者该三台通信车互成180度角排列成直线位于建筑物的一侧，若 将三台通讯车置于一条直线，位于中间的通讯车分别与其他两通讯车之间的直线距离最佳 为100米。以其中一台通讯车为基准，建立定位坐标系；所述的无线传输网络频率为340MHz 的警用频率；所述的定位终端为便携的背负式设备；该发射装置通过无线传输网络与接收 终端建立移动通讯连接。该定位终端包括固定在封闭式外壳上用于信号收发的天线和用于背负的背带；与 所述天线电性连接的接收/发射模块，数据处理模块和供电模块设置于所述的外壳内；该 供电模块为蓄电池；来自信号收发天线接收的信号通过数据处理模块进行基带信号和信号 上下变频处理，处理后的信号通过接收/发射模块发射。一种实施所述的定位系统的方法，包括如下步骤
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(1)系统启动，通讯车就位；(2)使用指北针和测距仪获得通讯车之间、通讯车和建筑物之间的相对方位和距 罔；(3)利用获得的数据初始化建立定位位置坐标系；(4)将发射装置的三台通讯车相对于建立的此坐标系的位置计算出其坐标作为坐 标系的已知参考点(已知参考点的计算方法为把其中一台通讯车作为该坐标系的原点，并 将其坐标记为(0，0，0)，由指北针和测距仪测出其他两台通讯车相对于该原点角度和距离， 并经简单的数学计算得到其他两台通讯车在该坐标系中相对于原点的坐标)，将建筑物的 结构信息纳入此坐标系中；(5)发射装置搜索移动的定位终端并建立联系，发射装置搜索移动的定位终端并 建立联系的方法为(a)发射装置的三台通信车向建筑物定向发射信号，以便建筑物内的定位终端接 收信息，发射的信号内包含定位坐标系的原点，三台通信车位于该坐标系的坐标和用于系 统时钟同步的信息；(b)被定位目标的定位终端通过接收三台通信车的信号来确定通信车的位置和自 己与通信车的空间距离，计算原理为假设定位终端在定位坐标系的坐标为(X，1，Z)，而三 台通信车的坐标可以由接收信号内直接读出，根据三维空间坐标系内两点间距离的计算方 法，得到3个包含被定位终端的位置变量的方程进行组合求解，从而得出自己的坐标位置 信息，该位置变量的方程为计算三维空间中任意两点的距离的方程，其中距离由公式s = c*t求出，c为光速常量，t为信号从通信车发送到定位终端接收期间的时间差。(6)发射装置将获得的定位终端的位置信息记录保存；(7)定位结束。本定位系统是一种基于无线信号传输、接收与处理的室内精确定位系统，其原理 是基于三台通信车进行室内目标的定位(如图1，图2中的三台通讯车为1号通讯车1，2号 通讯车2和3号通讯车3)。定位系统主要有三部分组成发射装置、无线传输网络和定位终端。其中发射装置 为三台通信车，传输网络为无线网络，频率为340MHz，(340MHz的频率是公安警察使用的警 用频率，如果通信车使用该频率且是消防部门使用的话没有问题，个人使用此频段需要向 无委会申请，并遵循无委会关于此频段的使用规定。)定位终端为便携式的背负式设备，主 要由天线101 (即信号收发天线部分)、接收/发射模块103 (即信号上下变频模块)、数据 处理模块105(即基带信号处理模块)、供电模块106、外壳102和背带104组成，供电方式 采用蓄电池，整体结构类似无线电台。定位终端由人员携带；三台通信车的理想位置是放 置于以建筑物为中心的半径50-500米的圆弧上，最佳距离为300米，每台车之间与圆心的 角度为120度(见图2)。对于受地形条件限制的情况，如建筑物A周围没有足够的空间来 按照理想状况放置通信车，可以按照实际地形情况放置通信车的位置(如建筑物A前面只 有一面临街，其他方位均有建筑物遮挡，则三台通信车要放置于沿街道D的同一直线上，见 图3，若将三台通讯车置于一条直线，三台通讯车之间的直线距离最佳为100米，即以1号通 讯车1为中心，1号通讯车1与2号通讯车2的直线距离为100米，1号通讯车1与3号通 讯车3的直线距离为100米)；并在计算目标位置时按照三台通信车的实际位置进行计算。(实际位置即通信车的相对位置情况，包括它们之间的角度和距离，利用指北针和测距仪很 容易得到这些数据。)整体网络定位系统的网络结构如图5所示，1号通讯车1，2号通讯车2和3号通讯 车3通过电信基站B或定位卫星C与建筑物A内的定位终端(实际上是携带便携式的背负 式设备的人员)通过无线传输网络建立通讯连接。工作流程1)当定位系统工作时，三台通信车迅速达到定位现场，并按照实际的地理情况布 放(如在一条直线上，各通讯车之间的直线距离最佳为100米；或在一条圆弧上)，以其中 一台车为基准，使用指北针和测距仪确定彼此之间和与建筑物之间的相对方向及距离，建 立定位坐标系的模型，并把三台通信车相对于此坐标系的位置计算出其坐标，作为此坐标 系的已知参考点，(计算已知参考点的方法为把其中一台通讯车作为该坐标系的原点(比 如1号通讯车1)，并将其坐标记为(0，0，0)，由指北针和测距仪测出其他两通讯车(比如2 号通讯车2和3号通讯车3)相对于该原点的角度和距离，并经简单的数学计算得到其他两 台通讯车在该坐标系中相对于原点的坐标。)并将建筑物的信息(如建筑物的立体结构图 或建筑物的长宽、高度和楼层信息等)纳入此坐标系中。2)通信车向建筑物定向发射信号，以便建筑物内的接收终端(即定位终端)接收 信息，发射的信号内包含定位坐标系的原点，通信车位于该坐标系的坐标，和用于系统时钟 同步的信息。3)被定位目标(信号接收终端，或称定位终端)，由人员背负携带，结构如图4所 示，通过接收三台通信车的信号来确定通信车的位置和自己与通信车的空间距离，计算原 理为假设定位终端在定位坐标系的坐标为(X，1，Z)，而三通信车的坐标可以由接收信号 内直接读出，根据三维空间坐标系内两点间距离的计算方法，得到3个包含被定位终端的 位置变量的方程，(该方程是简单的数学方程，即计算三维空间中任意两点的距离的方程) 进行组合求解，从而得出自己的坐标位置信息。其中距离的信息由公式s = c*t求出，c为 光速常量，t为信号从通信车发送到定位终端接收这期间的时间差。由于电磁波在传播过 程中可能发生反射或折射，从而在接收端造成接收的无线电波不是直射波，影响距离计算 的精度，因此需要对无线电波的频率和发射功率按照现场的实际情况进行调整，使接收终 端(即定位终端)接收到的尽量为直射波。4)在接收终端(即定位终端)得到自己的位置信息后，终端把自己的位置信息报 告(一般为自动报告，只需接收终端(即定位终端)接通电源，即可与通信车进行通信)给 通信车，通信车将该定位终端的信息进行存储。当终端位置移动时，需要重新进行定位和报 告位置信息的流程，以便通信车能随时了解终端的位置信息。本系统中信号发射车为定位的主要部分，共有三台通讯车(如图1，图2中的三台 通讯车为1号通讯车1，2号通讯车2和3号通讯车3)。信号接收终端(即定位终端)为便 携式设备，负责处理信号发射车所发射的信号，并反馈相关目标的位置信息。传输信号所使 用的无线电波的频率为340MHz左右，具有较好的穿透建筑物的能力。本定位系统尤其适用于紧急情况下的室内目标的精确定位，如火灾救援现场消防 员的定位等。本发明所描述的室内定位技术，不同现有的室内传感型定位系统，而是被定位目
8标通过与室外的固定的互成一定角度的三台通信车之间进行通信来确定其位置，不需要预 先建立室内传感监测网络，即可实现目标的精确定位。另外，现有的室内定位技术往往要依 靠外部电源才能正常工作，而当建筑物出现紧急情况时，如火灾时，可能会切断供电，这也 使得现有的这种定位技术无法使用，而本发明所涉及的设备的正常运行，与建筑物内的供 电没有关系，所以尤其适用于紧急情况下的室内目标的定位。概括来讲，本发明相比现有定位技术的优势主要体现在以下方面1)主流的GPS和辅助GPS定位技术存在不能实现室内定位和室内定位精度不高的 问题，本发明可以实现较精确的室内定位(小于2米)；2)现有的主流室内定位技术需要预先建立一个监测传感网络，然后通过被定位目 标与监测点的信息传递进行定位。虽然该技术可以实现较高精度定位，但是适用的普遍性 受限，对没有预先建立传感网络或传感网络因突发灾难遭破坏的建筑无法使用该技术进行 室内定位，本发明可以在普通的建筑物内实现快速定位，定位的网络主要依靠应急通信车， 机动性强，可以快速实施，具有很好的适用性；3)现有的主流室内定位技术对建筑物有一定的依赖关系，如供电、布线等，一旦遭 遇停电或线缆被切断(这种情况在灾难发生时很容易出现)，该定位系统就无法工作，本发 明所描述的定位系统比较独立，可以不考虑建筑物的供电情况，在灾难现场仍然可以正常 工作，所以本发明尤适用于公安、武警、消防在处置紧急突发状况时救援人员的室内定位。
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权利要求
一种基于三台通信车的室内定位系统，其特征在于，包括发射装置、无线传输网络和定位终端，所述的发射装置为相对于建筑物互成一定角度排列的三台通讯车组成，以其中一台通讯车为基准，建立定位坐标系；所述的无线传输网络频率为340MHz的警用频率；所述的定位终端为便携的背负式设备；该发射装置通过无线传输网络与定位终端建立移动通讯连接。
2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于该三台通信车的位置是放置于以建筑物 为中心，半径50-500米的圆弧上，每台通讯车之间与圆心的角度为120度。
3.如权利要求2所述的定位系统，其特征在于该三台通信车的位置是放置于以建筑物 为中心的半径为300米的圆弧上，每台通讯车之间与圆心的角度为120度。
4.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于该三台通信车互成180度角排列成一直 线位于建筑物的一侧。
5.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于该定位终端包括固定在封闭式外壳上用 于信号收发的天线和用于背负的背带；与所述天线电性连接的接收/发射模块，数据处理 模块和供电模块设置于所述的外壳内；该供电模块为蓄电池；来自信号收发天线接收的信 号通过数据处理模块进行基带信号和信号上下变频处理，处理后的信号通过接收/发射模 块发射。
6.一种实施如权利要求1所述的定位系统的方法，其特征在于包括如下步骤(1)系统启动，通讯车就位；(2)使用指北针和测距仪获得通讯车之间、通讯车和建筑物之间的相对方位和距离；(3)利用获得的数据初始化建立定位位置坐标系；(4)将发射装置的三台通讯车相对于建立的所述坐标系的位置计算出其坐标作为坐标 系的已知参考点，将建筑物的结构信息纳入此坐标系中；(5)发射装置搜索移动的定位终端并建立联系；(6)发射装置将获得的定位终端的位置信息记录保存；(7)定位结束。
7.如权利要求6所述的定位系统的方法，其特征在于该步骤(4)中已知参考点的计算 方法为把其中一台通讯车作为该坐标系的原点，并将其坐标记为(0，0，0)，由指北针和测距 仪测出其他两台通讯车相对于该原点坐标的角度和距离，并经简单的数学计算得到其他两 台通讯车在该坐标系中相对于原点的坐标。
8.如权利要求6所述的定位系统的方法，其特征在于该步骤(5)中发射装置搜索移动 的定位终端并建立联系的方法为(a)发射装置的三台通信车向建筑物定向发射信号，以便建筑物内的定位终端接收信 息，发射的信号内包含定位坐标系的原点，三台通信车位于该坐标系的坐标和用于系统时 钟同步的信息；(b)被定位目标的定位终端通过接收三台通信车的信号来确定通信车的位置和自己与 通信车的空间距离，计算原理为假设定位终端在定位坐标系的坐标为(X，1，z)，而三台通 信车的坐标可以由接收信号内直接读出，根据三维空间坐标系内两点间距离的计算方法， 得到3个包含被定位终端的位置变量的方程进行组合求解，从而得出自己的坐标位置信 肩、ο
9.如权利要求8所述的定位系统的方法，其特征在于该位置变量的方程为计算三维空 间中任意两点的距离的方程，其中距离由公式S = c*t求出，C为光速常量，t为信号从通信 车发送到定位终端接收期间的时间差。
全文摘要
本发明公开了一种基于三台通信车的室内定位系统和方法，属于利用电子信息产品及网络技术在建筑物内进行室内精确定位的系统和方法的技术领域。包括发射装置、无线传输网络和定位终端，所述的发射装置为相对于建筑物互成一定角度排列的三台通讯车组成，该发射装置通过无线传输网络与定位终端建立移动通讯连接；所述的定位方法包括将发射装置的三台通讯车相对于建立的所述坐标系的位置计算出其坐标作为坐标系的已知参考点，发射装置搜索移动的定位终端，建立联系并保存记录。本定位系统比较独立，可以不考虑建筑物的供电情况，在灾难现场仍然可以正常工作，尤适用于公安、武警、消防在处置紧急突发状况时救援人员的室内定位。
文档编号G01S5/14GK101959129SQ201010296489
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者李华民, 杜东阳 申请人:李华民