NLOS環(huán)境下基于TDOA手機(jī)定位技術(shù)的震后搜救系統(tǒng)研究

劉小洪 郭勇 林偌黠 向玉玲

摘要：震后人員被埋，確定人員被埋位置是提高救援效率、救援成功率的關(guān)鍵因素之一?；谑謾C(jī)主動(dòng)誘發(fā)技術(shù)及TDOA定位技術(shù)的研究，提出了一種利用手機(jī)的空間定位搜救系統(tǒng)。系統(tǒng)計(jì)算出目標(biāo)手機(jī)的三維坐標(biāo)，直接反映出被埋人員的二維平面位置及被埋深度，對(duì)救援有非常積極的作用；定位計(jì)算中，引入了NLOS衰減因子，通過梯度算法，迭代更新衰減因子，可以有效消除NLOS對(duì)測距的影響。最后仿真表明，該文定位方法有較高的定位精度，可以應(yīng)用于震后人員搜救中。

關(guān)鍵詞：NLOS；TDOA定位；震后搜救；主動(dòng)誘發(fā)

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）25-5991-03

我國是一個(gè)地震高發(fā)國家，地震發(fā)生后人員被埋，不能確定被埋人員在廢墟中的具體位置使得救援效率受到極大的限制。目前國內(nèi)外針對(duì)震后生命探測設(shè)備的研究主要集中在光學(xué)、紅外、雷達(dá)、音頻探測4個(gè)方面，這些探生設(shè)備在震后救援中存在探測范圍小、能耗高、不可定位或者定位誤差大等缺點(diǎn)，使得在實(shí)際救援時(shí)有很大的局限性。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，我國手機(jī)用戶數(shù)量大幅增加；根據(jù)手機(jī)用戶使用習(xí)慣，手機(jī)一般都置于機(jī)主5m范圍內(nèi)，確定手機(jī)位置，也基本能確定被埋人員的位置，因此利用手機(jī)定位人員位置成為可能。由于震后被埋人員都處在NLOS（非視距）環(huán)境中，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中利用TDOA技術(shù)對(duì)手機(jī)定位受到NLOS影響，會(huì)產(chǎn)生很大的定位誤差。鄧平[1]和蔡永棋[2]等人對(duì)NLOS環(huán)境下的定位技術(shù)做了深入的研究；劉懿[3]等人提出了一種利用TDOA/AOA二次定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)被困人員的定位。基于這些理論成果，該文提出了一種NLOS環(huán)境下的手機(jī)定位技術(shù)在震后救援中應(yīng)用研究。

1 系統(tǒng)原理

1.1主動(dòng)誘發(fā)技術(shù)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)手機(jī)位置更新（Location Update）時(shí)會(huì)主動(dòng)發(fā)射發(fā)送隨機(jī)信號(hào)接入碼（Random Access Channel，RACH）信號(hào)，向所在網(wǎng)絡(luò)注冊。手機(jī)從一個(gè)位置移動(dòng)另一個(gè)位置過程中，當(dāng)其接收到一個(gè)更強(qiáng)的廣播信道時(shí)，解碼廣播信道消息獲取位置區(qū)識(shí)別號(hào)（Location Area Identification，LAI），并與自身RAM中的LAI對(duì)比，如果LAI發(fā)生變化，則認(rèn)為進(jìn)入了新小區(qū)，需要向新小區(qū)發(fā)出RACH注冊申請(qǐng)，此時(shí)小區(qū)基站可以檢測到申請(qǐng)注冊的手機(jī)[5]。

對(duì)于被埋手機(jī)來說，能獲得被埋手機(jī)信號(hào)利用定位算法就可以估計(jì)出手機(jī)的位置。利用上述手機(jī)位置更新原理，提出如圖1的主動(dòng)誘發(fā)技術(shù)方案，在廢墟周圍架設(shè)廣播信道與原基站不一樣的偽基站，當(dāng)被埋手機(jī)接收到信號(hào)功率[Pb>Pa]時(shí)，被埋手機(jī)誤認(rèn)為位置發(fā)生了變化，會(huì)主動(dòng)向偽基站構(gòu)成的小區(qū)發(fā)出注冊申請(qǐng)，偽基站利用接收到的注冊申請(qǐng)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的定位。

從仿真結(jié)果分析可知，圖中LOS的定位結(jié)果為不受NLOS影響的定位結(jié)果，只考慮了TDOA測量誤差，圖中橫坐標(biāo)為NLOS衰減因子，表示NLOS對(duì)測量的影響程度，NLOS因子越小影響測距越嚴(yán)重，反之影響測距結(jié)果較小，從仿真結(jié)果來看，該文的算法和Chan算法隨著NLOS衰減因子増大，定位結(jié)果越準(zhǔn)確，但本文的算法的定位結(jié)果整體上都大大優(yōu)于Chan算法。

4 結(jié)論

本文利用手機(jī)主動(dòng)誘發(fā)技術(shù)和TDOA空間定位技術(shù)提出了一種在震后廢墟NLOS環(huán)境下的被埋人員搜救系統(tǒng)。文章中提出

的TDOA定位算法，可以直接計(jì)算出[MS]的空間坐標(biāo)，不僅能定位[MS]的二維平面位置，還能估計(jì)被埋深度，對(duì)災(zāi)后被埋人員快速定位，實(shí)施救援有重要的意義。引入NLOS影響測距的衰減因子，利用梯度算法更新迭代衰減因子，減小NLOS的影響，從仿真結(jié)果來看，對(duì)比Chan算法和LOS環(huán)境下的定位性能，文章中的算法有比較好的定位性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧平，劉林，范平志.一種基于TDOA重構(gòu)的蜂窩網(wǎng)定位服務(wù)NLOS誤差消除方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18（3）：312-316.

[2] 蔡永棋.NLOS環(huán)境下的TDOA定位算法研究[D].長沙：中南大學(xué)，2009.

[3] 劉懿，郭勇，，鄭凱源，等. 基于手機(jī)信號(hào)定位的地震災(zāi)害搜救系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（22）：219-221.

[4] 宋玉，王洪雁. NLOS環(huán)境下基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）的定位算法[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2006，2（3）：125-129.

[5] 朱大立.一種基于誘發(fā)技術(shù)的移動(dòng)電話主動(dòng)探測方案[J].移動(dòng)通信，2006（1）：107-109.

[6] 張紅梅，田増山. GSM手機(jī)主動(dòng)探測方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東通信技術(shù)，2013（3）：13-17.

[8] 劉賡. 基于TDOA的空間定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（15）：3892-3894.