王守輝 曾梟林 郭建宏 孟凡坤

信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001

一種新的消防員定位方法

王守輝 曾梟林 郭建宏 孟凡坤

信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001

隨著定位技術(shù)的發(fā)展，消防員定位技術(shù)也越來越受到關(guān)注；由于已有的技術(shù)存在一些缺陷，無法滿足實(shí)際需求，因此我們提出了一種新的消防員定位技術(shù)，它采用基于卡爾曼濾波的三維TDOA/AOA混合算法，定位精度較高，可以滿足實(shí)際需求；最終對算法進(jìn)行仿真，得出了一些重要結(jié)論。

消防；定位技術(shù)；卡爾曼濾波

引言

目前，火災(zāi)事件頻發(fā)，而消防員的安全還得不到保障，消防員為搶救國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)而英勇犧牲的事件屢有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去幾年中，全國平均每年有二十多名消防官兵在滅火救援行動(dòng)中因公殉職[1]。

隨著定位技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外專家針對消防員火場定位技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，取得了很大進(jìn)展，消防員的生命安全在一定程度上得到了保障。最為典型的是基于GPS和Zigbee的定位技術(shù)。

GPS技術(shù)是基于美國GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)開發(fā)的，但是由于GPS信號難以穿透墻壁進(jìn)行傳播，所以GPS在室內(nèi)定位精度很差，無法滿足實(shí)際需求?，F(xiàn)在國外大都采用基于Zigbee的預(yù)先布點(diǎn)現(xiàn)場定位技術(shù)[1]，但由于這種技術(shù)需要預(yù)先布置節(jié)點(diǎn)，成本較高，不適合我國使用。

結(jié)合我國實(shí)際情況和現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們提出了一種利用UWB信號的消防員定位技術(shù)。它通過測量消防員攜帶的信號源發(fā)出的UWB信號到達(dá)消防車上搭載的天線時(shí)的時(shí)間差和角度，采用TDOA/AOA混合算法，來計(jì)算出消防員的位置，以實(shí)現(xiàn)定位。由于測得的角度值誤差較大，還需要用卡爾曼濾波器對測得的角度值進(jìn)行濾波，以進(jìn)一步提高測量精度。

1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.1 技術(shù)綜述

這種定位技術(shù)只需利用信號發(fā)射源、天線、接收機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)備。具體原理如下：

消防員進(jìn)入火場時(shí)攜帶一個(gè)簡單信號發(fā)射源。由于火場環(huán)境惡劣，消防員可能忙于救援或已生命垂危，無法主動(dòng)與外界聯(lián)系，所以該信號發(fā)射源應(yīng)每隔一段時(shí)間主動(dòng)向外發(fā)射信號。

消防車上裝有用于接收信號的天線，天線采用倒三角形[2],整個(gè)天線上布設(shè)有多個(gè)天線節(jié)點(diǎn)來接收信號，以實(shí)現(xiàn)定位功能，天線節(jié)點(diǎn)間距離已知。

天線接收到信號后，利用信號到達(dá)時(shí)間差和到達(dá)角度（使用卡爾曼濾波器進(jìn)行優(yōu)化），采用TDOA/AOA混合算法對消防員進(jìn)行定位，天線的架構(gòu)和優(yōu)化算法對定位精度有很大影響。

1.2 信道模擬

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在UWB中多徑的到達(dá)呈現(xiàn)成簇到達(dá)的特性。常用的UWB信道模型有泊松模型、模型、模型和IEEE 802.15.3a模型，前兩種模型為比較基礎(chǔ)的超寬帶小尺度信道模型，用的比較少，而IEEE 802.15.3a模型是修正的模型, IEEE 802.15.3工作組的信道模型子委員會(huì)將修正的模型作為超寬帶信道的推薦模型，該模型應(yīng)用范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)。針對本項(xiàng)目的火場實(shí)際情況，我們采用IEEE 802.15.3a模型作為本項(xiàng)目信道模型。

簇到達(dá)時(shí)間的分布和束到達(dá)時(shí)間分布為

1.3 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波器是一種時(shí)域上的濾波器，可以使估計(jì)均方誤差最小。它是一種遞歸估計(jì)，即只要獲知上一時(shí)刻狀態(tài)的估計(jì)值以及當(dāng)前狀態(tài)的觀測值就可以計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)值。

在測角中，由于消防員的移動(dòng)速度較慢，可以認(rèn)為其遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的采樣速率，則模型可以看作是線性的。

我們利用卡爾曼濾波器的五個(gè)基本公式就可以得到其在角度濾波中的公式：

1.4 三維TDOA/AOA算法

文獻(xiàn)[3]討論了二維的TDOA/AOA算法，這里我們由實(shí)際出發(fā)，研究三維的TDOA/AOA算法。設(shè)個(gè)天線節(jié)點(diǎn)分布在三維空間上，為目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，為第 個(gè)節(jié)點(diǎn)的已知位置，主節(jié)點(diǎn)為。則目標(biāo)點(diǎn)與第個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為：

令（5）式中為1可得：

由于主節(jié)點(diǎn)在原點(diǎn)，因此將（7）式帶入（8）式可得：

根據(jù)AOA測量值 可建立方程：

可得到矩陣：

其中 為方位角， 為俯仰角?？傻迷肼暤恼`差矢量為：

采用加權(quán)最小二乘(WLS)算法，用TDOA和AOA測量值的聯(lián)合協(xié)方差矩陣Q近似替代誤差矢量的協(xié)方差矩陣可得；其中由于是未知的所以還不能解出，所以我們還需進(jìn)一步的做近似。令。則可得到該式的近似：

計(jì)算得到：

其中：

最終目標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算位置為：

2 改進(jìn)的混合算法仿真結(jié)果與分析

當(dāng)消防員的坐標(biāo)為，天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，天線節(jié)點(diǎn)間距離為5m時(shí)仿真得到下面的結(jié)果：

圖1 定位整體效果圖

由圖1可知，由于信道內(nèi)各種噪聲的干擾，使得最后定出的消防員的位置在小范圍內(nèi)波動(dòng)。在卡爾曼濾波器中設(shè)置的目標(biāo)坐標(biāo)初始值為0，因此定位有個(gè)快速收斂階段。

2.1 天線節(jié)點(diǎn)數(shù)對定位精度的影響

圖2 天線節(jié)點(diǎn)數(shù)不同時(shí)的誤差曲線圖

從圖2可以看出，當(dāng)天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為5時(shí)，平均定位誤差約為4m，且波動(dòng)比較大；當(dāng)天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為6時(shí)，平均定位誤差約為2m，波動(dòng)較??；當(dāng)天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為7時(shí)，平均定位誤差為1.5m。天線節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，定位精度越高，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到一定時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加對精度的改善效果不明顯，而且隨著天線節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，設(shè)備也越來越復(fù)雜。由于本項(xiàng)目對定位精度要求較高，采用7個(gè)天線節(jié)點(diǎn)為宜。

2.2 目標(biāo)與天線間距離對定位精度的影響

當(dāng)天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，天線節(jié)點(diǎn)間距離為5m，消防員和天線之間距離不同時(shí)仿真得到下面結(jié)果：

圖3 定位范圍不同時(shí)的誤差曲線圖

從圖3可以看出：當(dāng)消防員距離天線二百米時(shí)，平均定位誤差約為3m，且波動(dòng)比較大；當(dāng)消防員距離天線一百米時(shí)，平均定位誤差約為1.5m，波動(dòng)較??；當(dāng)消防員距離天線10m時(shí)，基本無定位誤差。因此可以得出：當(dāng)消防員與天線節(jié)點(diǎn)之間的距離越大，定位誤差越大，且波動(dòng)越大，這是由于當(dāng)消防員距離較遠(yuǎn)時(shí)，在火場這種環(huán)境下，受到的干擾較大，且信號強(qiáng)度減弱，因此此種技術(shù)有一定的應(yīng)用范圍，要求定位范圍小于200m。

2.3 俯仰角、方位角對定位精度的影響

當(dāng)天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，天線節(jié)點(diǎn)間距離為5m，距離100m，方位角為45度，俯仰角不同時(shí)仿真得到下面結(jié)果：

圖4 俯仰角不同時(shí)的誤差曲線圖

從圖4可以看出：當(dāng)俯仰角在0～80度范圍內(nèi)變化時(shí)，定位誤差變化只有細(xì)微差別；但仍可以看出隨著俯仰角的增大，誤差曲線波動(dòng)增大，定位誤差也增大。

當(dāng)天線節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，天線節(jié)點(diǎn)間距離為5m，距離為100m，俯仰角為45度，方位角不同時(shí)仿真得到下面結(jié)果：

圖5 方位角不同時(shí)的誤差曲線圖

經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)方位角為60度時(shí)，平均定位誤差約為2.5m，且波動(dòng)很大；當(dāng)方位角為30度時(shí)，平均定位誤差約為1.5m，波動(dòng)較?。划?dāng)方位角為0度時(shí)，定位誤差為0.5m?？梢缘贸觯弘S著方位角變大，定位誤差變大，所以天線應(yīng)正對著火場。

3 結(jié)語

在本文中，為了能夠適合火場惡劣環(huán)境的定位需求，我們采用了TDOA/AOA混合算法，同時(shí)利用目標(biāo)位置的角度和時(shí)間參量，減少了定位誤差，提高了定位精度。與此同時(shí)，我們利用卡爾曼濾波對得到的角度值進(jìn)行濾波，得到更加精確的角度值，進(jìn)一步提高了定位精度。最后通過仿真得到了一些有實(shí)際意義的結(jié)論。

[1]宋娜娜，胡斌.災(zāi)害現(xiàn)場遇險(xiǎn)消防員定位技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].公安部上海消防研究所,2009.[2]王永誠，張令坤.多站時(shí)差定位技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2003，2（25）：1-4.

[3]于進(jìn)剛，盧愛華.UWB信道模型簡介[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,11（1）：29-32.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.092