一种基于LTE和PDR的消防室内定位与轨迹导航方法及系统与流程

本发明涉及信息技术的定位领域，具体涉及一种基于LTE和PDR的消防室内定位与轨迹导航方法及系统。

背景技术：

消防定位技术是保障消防员进入火场安全，确定消防员在火场中的位置，保障对火场中遇险的消防员的有效施救，保证指挥员对火场中消防员的有效运动监视等消防灭火救援工作中亟待解决的问题，具有良好的应用前景。

与普通定位技术相比，消防定位技术具有其特殊性，表现在：首先，消防定位场景一般都发生在室内，发生在室外的较少。室外定位可以用全球定位系统(GPS)、或者中国北斗定位技术等进行解决。但是，由于室内收不到卫星信号，所以室外基于GPS、北斗的定位技术不能在室内应用。其次，消防室内定位属于灾难应急系统，不能事前布置用于室内定位的基础设施(即使事前花费代价进行布置，火灾发生时也可能因为停电而失效)，如各种应用于室内定位用的无线信标，必须要能够在现场迅速搭建室内定位系统。最后，由于在火灾现场，指挥系统除了要知道消防员的位置外，还需要能够和其通信，了解火场情况，做出最佳灭火救灾部署，同时消防员必须争分夺秒进行灭火救灾，因而定位终端不能复杂，要简单有效。

国内外目前针对消防定位主要的解决思路是开发专用终端设备、甚至多个设备。虽然这些专用设备的定位精度一般都很高，甚至有的标称位置坐标能达到水平、垂直方向1米的绝对定位误差。然而，室内定位环境应用中，其实更有意义的是位置信息、而不是位置坐标。在室内定位环境中，人们通常不关心定位对象的位置坐标，如定位对象在二维坐标点(5,36)处，因为这个坐标对用户来说是不可感知的；而是希望知道一些能够感知的位置信息，如“消防员甲在5层过道楼梯处”，“消防员乙在9层307房间发现被困人员”等。

长期演进(LTE)技术是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用正交频分复用(OFDM)技术和多输入输出(MIMO)技术作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。消防车内可以搭载小型LTE基站，从而为救灾现场提供数据通信支持，同时利用LTE信号强度(RSS)可以辅助消防员定位。

步行者航位推算(PDR)技术基本原理是通过方向传感器和加速度传感器获取单位时间内物体的转角和位移，从而由前一时刻物体的位置和航向推算出当前时刻物体的位置和航向。利用PDR技术可以在智能终端上对消防员进行室内定位。

本发明利用LTE小基站和智能终端快速搭建通信和定位环境，现场布置系统方便，大大增加了本系统的可实施性；利用LTE RSS与PDR融合定位方法，分别克服了LTE RSS不稳定和PDR定位具有累积误差的缺点，为消防员提供一种稳定、精度高的室内定位方法；利用摄像头拍摄周边环境并传回服务器，为消防指挥人员提供清晰直观的信息，更有效地帮助消防人员进行抢险救灾工作；利用遇险消防员的历史轨迹与照片，为营救工作提供了有力的支持。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，而提供一种基于LTE和PDR的消防室内定位与轨迹导航方法及系统，该系统能够确定消防员在火场的位置，当消防员在火场中遇险时，其他消防员通过本系统能快速找到遇险消防员的位置，为消防员在火场中抢险救灾提供有力帮助。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。这种基于LTE和PDR的消防室内定位与轨迹导航系统，由智能终端、LTE小基站、定位服务器组成，所述的智能终端指支持LTE、摄像头、九轴传感器、气压传感器的终端设备，且需要在此智能终端设备上安装消防定位服务APP；消防定位服务APP是定位算法的运行者，通过采集LTE RSS、摄像头、九轴传感器、气压传感器的信息，然后根据这些信息计算出消防员的位置，并将定位结果返回服务器；所述的LTE小基站指移动通信系统用于室内信号覆盖的small cell，在定位系统中给智能手机提供数据业务链路和辅助定位作用，每辆消防车上配置一个LTE小基站，要求每个智能终端能够接收到3个小基站的信号。

所述的定位服务器由定位服务软件和数据库组成，定位服务软件负责生成简易三维定位场景图，并和智能终端进行通信，在服务器生成的三维场景图上显示每个消防员在室内的位置，数据库负责记录每个消防员的历史轨迹、消防员传回的现场照片以及火场的特征参数。

本发明所述的这种采基于LTE和PDR的消防室内定位与轨迹导航方法，该方法包括如下步骤：

(1)、消防员开启智能终端定位服务APP，并将智能终端佩戴在胸前，进入救灾现场；

(2)、智能终端连接上任意一个小LTE基站，利用LTE小基站提供的通信链路与服务器连接，并初始化定位参数；

(3)、消防员在室外火场时，利用智能终端接收到的GPS信号进行定位；

(4)、消防员准备进入室内火场一层时，智能终端APP利用最后一次室外GPS定位结果作为室内定位的初始位置，利用气压传感器初始化火场一层的高度；

(5)、消防员进入火场后，智能终端每隔固定时间间隔利用LTE RSS和PDR融合定位方法对消防员进行二维平面的定位，利用气压传感器进行楼层定位，每隔固定时间间隔利用摄像头自动拍摄一张现场照片或特殊情况下利用摄像头自动录制一段简短视频，最后将定位结果、照片和视频通过LTE数据链路上传到定位服务器中；

(6)、消防员遇险后，消防指挥人员根据消防员智能终端实时传输的定位数据和照片判断该消防员的真实位置，并将遇险消防员的位置和环境照片发送给周边消防员，通知周边消防员展开营救行动。

所述步骤2中定位参数包括救灾现场所有消防车上的小基站的坐标和识别号ID，发生火灾的建筑物轮廓，即长、宽以及楼层数，LTE RSS路径损耗参数。

所述步骤5中LTE RSS和PDR融合定位方法具体包括以下步骤：

5.1 利用PDR算法对消防员进行定位，具体包括下述步骤：

5.1.1 行走步数检测，通过智能终端内置的九轴传感器，采集到行人行走时手机的加速度波形，每一个波形周期代表人前进了一步，过滤掉高频分量并限幅后的波形，根据波形再利用过零检测法计算出人的行走步数；

5.1.2 步长计算，利用下面公式计算每步步长：

其中，K是常数，随着人的性别、身高体重变化而变化，通常取值范围为0.20～0.5，a_max、a_min表示一步内通过传感器得到的竖直方向上加速的最大值和最小值；

5.1.3 方向检测，通过智能终端内置的九轴传感器，采集到行人行走的航向角θ；

5.1.4 得到方向、步数、步长后，利用下面公式得到PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)；

上式中，θ_k为这段时间内的航向，L_k为前进步长，(x_k,y_k)为前一时刻的位置，(x_k+1,y_k+1)为后一时刻的位置，该位置即为PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)；

5.2 利用LTE RSS对消防员进行多边定位，具体包括下述步骤：

5.2.1 根据LTE小基站的RSS，利用下面公式估计智能终端和LTE小基站之间的距离d；

上面公式中，d₀为参考距离，d为智能终端和LTE基站之间的距离，P_r,dB(d₀)是在距离LTE基站d₀处的路径损耗，n_p为路径损耗常数，P_T和P_R为发送功率和接收功率，d₀、P_r,dB(d₀)、n_p和P_T都是预设的参数，P_R用RSS进行测量；

5.2.2 若手机检测LTE小基站数量大于等于三个，且消防员相对静止时，多次测量LTE的RSS，并取平均，最后采用多边定位计算智能终端的二维坐标(x_lte,y_lte)；

多边定位计算公式如下：

X＝(A^TA)^-1A^TB

其中

上面公式中，n为智能终端扫描的LTE基站个数，(x_j,y_j)为LTE基站的二维坐标，(x,y)为智能终端的定位坐标，d_i为智能终端到LTE基站的估计距离；

5.3 将LTE RSS和PDR的定位结果进行融合，得到最终二维定位坐标(x_final,y_final)，具体融合公式如下：

上面公式中，α用来控制融合比例。

本发明有益的效果：利用LTE小基站和智能终端快速搭建通信和定位环境，现场布置系统方便，大大增加了本系统的可实施性；利用LTE RSS与PDR融合定位方法，分别克服了LTE RSS不稳定和PDR定位具有累积误差的缺点，为消防员提供一种稳定、精度高的室内定位方法；利用摄像头拍摄周边环境并传回服务器，为消防指挥人员提供清晰直观的信息，更有效地帮助消防人员进行抢险救灾工作；利用遇险消防员的历史轨迹与照片，为营救工作提供了有力的支持。

附图说明

图1为系统框图；

图2为PDR算法示意图；

图3正常行走时的加速度波形；

图4为滤波限幅后的加速度波形；

图5为优选实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

本发明提供的基于LTE小基站和PDR的定位与轨迹导航方法及系统由智能终端、LTE小基站、定位服务器组成，如图1所示。

所述的智能终端指支持LTE、摄像头、九轴传感器、气压传感器的终端设备，且需要在此智能终端设备上安装消防定位服务APP。消防定位服务APP是定位算法的运行者，通过采集LTE RSS、摄像头、九轴传感器、气压传感器的信息，然后根据这些信息计算出消防员的位置，并将定位结果返回服务器。智能终端需佩戴在消防员的胸前，典型的智能终端有智能手机，如苹果iphone 6s智能手机，也可以是专门开发的智能嵌入式设备等。

所述的LTE小基站指移动通信系统用于室内信号覆盖的small cell，在定位系统中给智能手机提供数据业务链路和辅助定位作用，每辆消防车上配置一个小基站，要求每个智能终端能够接收到3个小基站的信号。

所述的定位服务器由定位服务软件和数据库组成。定位服务软件负责生成简易三维定位场景图，并和智能终端进行通信，在服务器生成的三维场景图上显示每个消防员在室内的位置。数据库负责记录每个消防员的历史轨迹、消防员传回的现场照片以及火场的特征参数。

所述的基于LTE小基站和PDR的定位与轨迹导航方法及系统的定位坐标体系为“消防员编号：楼层+二维坐标”。

所述的基于LTE小基站和PDR的定位与轨迹导航方法及系统的工作流程如下：

1.消防员开启智能终端定位服务APP，并将智能终端佩戴在胸前，进入救灾现场。

2.智能终端连接上任意一个小基站，利用小基站提供的通信链路与服务器连接，并初始化定位参数。

3.消防员在室外火场时，利用智能终端接收到的GPS信号进行定位。

4.消防员准备进入室内火场一层时，智能终端APP利用最后一次室外GPS定位结果作为室内定位的初始位置，利用气压传感器初始化火场一层的高度。

5.消防员进入火场后，智能终端每隔固定时间间隔利用LTE RSS和PDR融合定位方法对消防员进行二维平面的定位，利用气压传感器进行楼层定位，每隔固定时间间隔利用摄像头自动拍摄一张现场照片或特殊情况下利用摄像头自动录制一段简短视频，最后将定位结果、照片和视频通过LTE数据链路上传到定位服务器中。

6.消防员遇险后，消防指挥人员根据消防员智能终端实时传输的定位数据和照片判断该消防员的真实位置，并将遇险消防员的位置和环境照片发送给周边消防员，通知周边消防员展开营救行动。

所述步骤2中定位参数包括救灾现场所有消防车上的小基站的坐标和ID(识别号)，发生火灾的建筑物轮廓(长、宽以及楼层数)，LTE RSS路径损耗参数。

所述步骤5中LTE RSS和PDR融合定位方法具体包括以下步骤：

5.1 利用PDR算法对消防员进行定位。PDR算法的基本原理是通过方向传感器和加速度传感器获取单位时间内物体的转角和位移，从而由前一时刻物体的位置和航向推算出当前时刻物体的位置和航向，如图2所示。

具体包括下述步骤：

5.1.1 行走步数检测。通过智能终端内置的九轴传感器，可以采集到行人行走时手机的加速度波形，如图2所示。图中每一个波形周期代表人前进了一步，过滤掉高频分量并限幅后的波形如图3所示，根据图3的波形再利用过零检测法就可以计算出人的行走步数。

5.1.2 步长计算。利用下面公式计算每步步长：

其中，K是常数，随着人的性别、身高体重变化而变化，通常取值范围为0.20～0.5，a_max、a_min表示一步内通过传感器得到的竖直方向上加速的最大值和最小值。

5.1.3 方向检测。通过智能终端内置的九轴传感器，可以采集到行人行走的航向角θ。

5.1.4 得到方向、步数、步长后，利用下面公式得到PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)。

上式中，θ_k为这段时间内的航向，L_k为前进步长，(x_k,y_k)为前一时刻的位置，(x_k+1,y_k+1)为后一时刻的位置，该位置即为PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)。

5.2 利用LTE RSS对消防员进行多边定位。具体包括下述步骤：

5.2.1 根据LTE小基站的RSS，利用下面公式估计智能终端和LTE小基站之间的距离d；

上面公式中，d₀为参考距离，d为智能终端和LTE基站之间的距离，P_r,dB(d₀)是在距离LTE基站d₀处的路径损耗，n_p为路径损耗常数，P_T和P_R为发送功率和接收功率，d₀、P_r,dB(d₀)、n_p和P_T都是预设的参数，P_R用RSS进行测量。

5.2.2 若手机检测LTE小基站数量大于等于三个，且消防员相对静止时，多次测量LTE的RSS，并取平均，最后采用多边定位计算智能终端的二维坐标(x_lte,y_lte)。

多边定位计算公式如下：

X＝(A^TA)^-1A^TB

其中

上面公式中，n为智能终端扫描的LTE基站个数，(x_j,y_j)为LTE基站的二维坐标，(x,y)为智能终端的定位坐标，d_i为智能终端到LTE基站的估计距离。

5.3 将LTE RSS和PDR的定位结果进行融合，得到最终二维定位坐标(x_final,y_final)。具体融合公式如下：

上面公式中，α用来控制融合比例。

所述步骤5中，摄像头录制短视频的特殊情况包括：消防员转弯、消防员突然加速、消防员倒地、检测到楼层改变。消防员转弯、加速、倒地等情况可以判断智能终端九轴传感器的姿态来确定，楼层可以根据气压计变化来确定。

所述步骤6中，消防指挥人员通过服务端发送给消防员的消息包括：遇险消防员的坐标，遇险消防员轨迹，遇险消防员所佩戴的智能终端自动拍摄的历史照片或简短视频。

图5为本发明所述系统的一个优化实施例的组成框图。在本实例中，有三辆消防车，每辆消防车搭载一个LTE小基站，下面以消防员M1和遇险消防员M2为例，详细说明本发明的具体实施方式。

1.M1连接上任意一个小基站，利用小基站提供的通信链路与服务器连接，进行定位参数初始化。

初始化数据格式为：{类型，[建筑物的长、宽、楼层数]，[小基站个数，每个小基站的ID和坐标]}，数据包每一项都是固定长度，由服务器发送给M1。在本例中，该数据包为{1，[L，W，H]，[3，C1，(x₁，y₁)，C2，(x₂，y₂)，C3，(x₃，y₃)]}，此处我们规定1代表请求初始化数据。

2.M1在室外情况下，利用智能终端接收到的GPS信号进行定位。

3.M1准备进入发生火灾的建筑物时，智能终端APP利用最后一次室外GPS定位结果作为室内定位的初始位置，在本实例中，初始位置为(x_init,y_init)；消防员进入建筑物后，利用气压传感器确定消防员所在楼层H，利用LTE RSS与PDR进行定位。若手机检测LTE小基站数量大于等于三个，且消防员相对静止时，多次采集LTE RSS去均值，采用多边定位算法计算智能终端的二维坐标(x_lte,y_lte)，并与PDR定位结果进行融合，得到消防员最终坐标。否则，利用PDR确定消防员坐标与运动轨迹。

具体定位方法为：

3.1 消防员第k-1步的坐标为(x_k,y_k)，利用九轴传感器得到M1第k步的方向θ_k、步长L_k，然后运行PDR算法得到PDR定位结果(x_pdr,y_pdr)。

x_pdr＝x_k-1+L_kcosθ_k

y_pdr＝y_k-1+L_k sinθ_k

3.2 若手机检测LTE小基站数量大于等于三个，且消防员相对静止时，采用多边定位算法计算M1的二维坐标，智能终端检测LTE RSS值，根据下面公式估计M1距每个LTE的距离d；

3.3 根据步骤1得到的LTE基站的二维坐标和3.2步得到的M1距每个LTE基站的距离d_i，采用多边测量法计算M1的二维坐标，此时可以知道M1在建筑物H层及具体的二维坐标；

此例中，此时A、X、B分别为

因此，X＝(A^TA)^-1A^TB。

最后，消防员第k步的位置(x_k,y_k)由LTE RSS和PDR融合得到:

x_k＝(x_pdr+x_lte)/2

y_k＝(y_pdr+y_lte)/2

3.4 若消防员第k步检测LTE小基站数量小于三个或并消防员非静止时，第k步坐标(x_k,y_k)＝(x_pdr,y_pdr)。

4.消防员M1遇险后，指挥人员通过服务器将M1的信息发送给包括M2在内的其他消防人员，

数据格式为：{类型，[遇险消防员编号，遇险消防员楼层及坐标，遇险消防员历史轨迹，遇险消防员历史照片]，本消防员楼层及坐标}，其中，消防员历史轨迹是一个二维数组，数组中存放消防员行走轨迹(x_k,y_k)；消防员历史照片是一个图片数组，数组用二进制码流存放图片。在本例中，该数据包为{2，[M1，3楼(x_M1,y_M1)，M1历史轨迹数组，M1历史照片数组]，2楼(x_M2,y_M2)}，此处我们规定2代表营救请求。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。