基于手机信号定位的地震灾害搜救系统研究

搜索手机信号
二次精确定位信息 图２系统Ｉ：作原理图
然后，４辆ＢｓｓＡ将各自检测到的手机和ＰＬＴ的位置信息 传送到ｃｃｓ，ｃｃｓ通过对４组数据的融合，将灾区内检测到的 被掩埋手机和ＰＬＴ的位置显示在整张灾区搜救定位图Ｌ。接 着，ＣＣＳ就利用无线对讲机指挥每３台ＰＬＴ成为一个搜救小分 队向各自需要搜索的手机靠拢。当每个Ｐ１月到达一次定位后 的手机标注范围四周，就开始近距离的搜索手机信号，由于短 距离搜索时ＴＤ０刖ＡｏＡ的定位精度更高．所以ＰＬＴ此时在一 次定位的基础卜再次采用ＴＤ０刖ＡＯＡ混合定位算法进行二次 定位，就能精确的找出手机的位置。最后．通过ＰＬＴ与ＣＣＳ之 间的沟通，就可以快速的对被掩埋人员进行救援。
究，发现只要能接收到手机发射的位置更新请求信号，就能够 通过一定的算法处理来定位手机的掩埋位置。
手机是一种无线电收发设备，无论是在ＧＳＭ还是ｃＤＭＡ 制式下工作，手机与网络的接续过程都是大致相ｌ可的。例如在 ＧｓＭ制式下．手机发射信号有３种情况：呼叫、通话和注册。注 册也就是位置更新（ｈｃａｔｉｏｎ ｕｐｄａｔｅ）。对于被掩埋的手机来 说，只有当它跨越位置区更新时发射位置更新清求信号，才能 对手机进行定位。手机要发射这种位置更新请求信号，蚁能在Ｆ 面这种情况：当手机从一个位置区（ｋｃａｔｉｏｎ Ａｒｅａ）移到另一位 置区时，必须进行登记。手机判断进去一个新的位置区的标准 就是收到一个更强的广播信道，并且解码同步信道（ｓｃＨ）消 息显示其存储器中的手机所在位置区识别号（Ｉｍｃａｔｉｏｎ Ａｒｅａ Ｉ小ｎｔｉ６（·ａｔｉｏｎ，ＬＡｌ）与接收到的Ｉ，ＡＩ发生了变化，便向基站发射 位置更新请求信号进行登ｆ凹。但是被掩埋的手机是不可能随 时移动的。所以就要求基站发射的广播信号与之前的广播信号 不一样并且更加强烈。本文就是基于这种原理．使得４辆ＢＳＳＡ 发射的广播信号符合要求，诱发被掩埋手机发射位置更新请求 信号．通过对手机信号的主动探测，从而对手机掩埋位置定位。 ３．２ ＴＯＡ厂１１ＤｏＡ定ｆ蘸技术
ｒ产Ｏｒｌ
垆ｃｒ２ 由图４可算出：
旧计钳∥
ｂ一争）２∥
（１）
ｎ
（２）
其中 倪 ＝ｍ
Ｕ
（五ｌ叫Ｉ）２
（３）一。，＃川：ｌ（互州ｔ）２
最终肘ｓ定位计算结果为：
ｒ２Ｉ－ｒ广垆Ｃ也ｌ
（４）
ｒ２ｌ是手机和两个基站问的距离差，死．为信号到达两个基
站的时间差。
将式（３）代入式（４）得：
厂—————ｉ—一厂—————Ｔ—一
和基站之问传播的时延分别为Ｊｒ。Ｊｒ芦，如图４所示。
嬲、售ｐ１蛙川
（叫，２．０）ｆ ，
＼（＾，２，ｏ） ｜
＼
图４两个蒜站测时差确定的双曲线
由于信号的传播速度为光速ｃ。可以汁算出手机与两个基 站之Ｉ’日Ｊ的距离ｎ、ｒ２为：
万方数据
刘 懿，郭 勇，郑凯元，等：基于手机信号定位的地震灾害搜救系统研究
２００８。４４（２２） ２２１
摘要：基于对手机信号定位技术的研究，设计了一种地震灾害中浅掩埋人员的搜救定位系统。采用ＴＤ０～ＡＯＡ混合定位算法进 行两次定位，主动诱发并探测被掩埋人员随身携带手机发射的信号对该人员进行定位。阐述了系统应用到的关键技术，并对 ＴＤＯＡ，ＡＯＡ混合定位算法在实际搜救环境下进行了仿真，验证了采用该算法的可行性。该系统为灾害救援中的人员定位难题提供 了一种新的解决方案，使得对大面积灾害现场被掩埋人员准确而快速的定位成为可能。 关键词：手机定位；’Ｉ＇Ｄ０～ＡＯＡ；灾害搜救 ＤｏＩ：ｌＯ．３７７８／ｉ．ｉｓｓｎ．１００２—８３３１．２００８．２２．０６６ 文章编号：１００２—８３３ｌ（２００８）２２—０２１９—０３ 文献标识码：Ａ 中图分类号：１Ｐ９２９．５３
ｌ引言 我国是世界上地震活动水平最高、地震灾害最重的国家之
一，地震灾害给我国带来了巨大的经济损失和人员伤亡。地震 发生后，一旦人员被掩埋，搜救中对于受害人员的定位就成了 最大的难题。
我国的地震救援队已配备有搜索犬和很多的搜索仪器，包 括声波振动生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测仪等。
这些现有的装备虽各有所长，但是对于大面积的搜索定位还是 比较困难的。一只顶级的搜救犬连续工作３０分钟至１个小时 左右就必须休息，超过这个时问段，搜救犬的嗅觉敏锐度就会 大打折扣．特别是在烟尘滚滚的情况下，搜救犬更难发挥作用。 而声波振动生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测仪等 都必须是在很小范围内进行搜索。随着移动通信技术的飞速发 展，我国手机的普及率逐渐增加，
化简得：
÷二一—＃‘＿一＝ｌ
（６）
ｒ；．，４（Ａ‘－ｒ‘．），４
式（６）即为双曲线方程。当有３个基站测得信号到达时间
分另Ｕ是ｒ。赴和乃时，通过求得孔，和７ｍ两个双曲线方程联立
求解，得到手机的位置。在实际应用中，由于存在误差，就采用
Ｃｈａｎ提出的残差加权算法、卡尔曼滤波重构法等，降低ＮＬＯｓ
该技术是采用移动信号到达时Ｉ’日Ｊ测量或信号到达时Ｉ＇ＨＪ差 测量的定位方式。ＴＯＡ八＇ＤＯＡ是一种上行的测量方式，即通过 基站测量来自手机的卜行信号。其中，ＴＯＡ通过测量信号从手 机发出并到达３个或更多基站的时间来定位，，而ＴＤＯＡ则通过 检测信号到达两个基站的时问差，而不是到达的绝对时ｌ＇廿Ｊ来确 定手机位置的。降低了对时间的同步要求。手机定位于以两个 基站为焦点的双曲线方程上。确定手机的二维位置坐标需要建 立两个以上的双曲线方程，两条双曲线的交点即为手机的＿二维 位置坐标。如图３所示。
作者简介：刘懿（１９８３一）。女。硕士生，主要研究领域为：蜂窝网络移动台定位技术、基于手机信息的生命搜救方法和技术；郭勇（１９６０－），男，教授，
主要研究领域为：电子信息与通信、生命探测与灾害救援、武器装备等。
收稿日期：２００ｒ７—１０－儿
修回日期：２００８＿ｏｌ—１５
万方数据
２２０ ２００８．４４（２２）
…一—’ＰｄＩ＿＿＿。‰ ｏ…一 ｃｏ，印¨阳ｒ Ｅ，彬肼Ｐ矗昭Ⅱ以Ａ即ｚ记越如瑚计算机工程与应用
一一
一
。
法～
／㈣，，，——≥＞
拣扣／囊
心≤／甚警
２．２系统ｔ作原理 系统工作原理如图２所示。首先．将４辆ＢｓｓＡ分布在灾
区的四周，基于手机发射注册信号的原理，利用ＢｓｓＡ发射广 播消息．该广播消息中的位置区参数与当前的小区不同。这样 就使被掩埋人员随身携带的手机以为跨越ｒ位置区边缘，就会 启动位置更新程序．要求接入由４辆ＢｓｓＡ组成的小区。根据 手机这个时候发射的信号，ＢｓｓＡ再利用信号到达基站的时｜．日Ｊ 差（Ｔｉｍｅ Ｄｉ仃ｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ，ＴＤＯＡ）和信号到达角度（Ａｎｇｌｅ ０ｆ Ａ喇ｖａｌ。ＡＯＡ），根据ＴＤＯ射ＡＯＡ混合定位算法。就可以对被 掩埋的手机进行一次定位。由于非视距（ＮＬ０ｓ）传播、多径效应 等多种不利因素的影响。定位精度会不同程度的降低，所以一 次定位后，手机的位置不能精确定出而是处在一个较小的范围 内，见图ｌ中的两个小圆范围。同时。ＢｓｓＡ也随时将ＰＩＪＴ的位 置信息发送给ｃｃＳ。
ａ１９０ｒｉｔｈｍ，ａ ｇｏｏｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｅ面肌帅ｃｅ ｃ锄ｂｅ ｏｂｔａｉ∞ｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔ０ ｔＩＩｉ８ ｓｙｇｔｅｍ，ｆ缸ｔ ａｎｄ们ｃｕｒ吐ｅ ｐｅｒ∞ｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｂｅ Ｉｅａｃｈｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ凼：ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏ∞ｌｏｃａｔｉ鲫；７ＩＤ０ⅣＡＯＡ；鸵ａｒｃｈ ａｎｄ ｒｅ∞ｕｅ
４辆配备有智能天线…的车载移动基站（Ｂ踟ｓｔａｔｉ咖ｗｉｔＩＩ
ｓ衄呲Ａｎｔｅｎｍ，ＢｓｓＡ）以及若干手持式移动定位终端（Ｐｏ胁ｌｅ
【舭ａｔｉ伽Ｔｅｍｉｎａｌ。ＰＬＴ）组成，如图ｌ所示。ＣＣｓ主要用于接收 ＢｓｓＡ发送的定位数据并进行融合，然后将手机和ＰＬＴ的位置 显示在整张灾区搜救定位图上。ＣｃＳ还有—个非常重要的功能 就是指挥ＰＬＴ进行二次定位搜救工作。ＢｓｓＡ则用于发射广播 消息，诱发被掩埋手机和ＰＬＴ回复信号并进行一次定位。ＰＬＴ 是具有手机功能的移动定位终端，ＢＩｓＡ在定位其他被掩埋手 机的同时也可以对它进行定位，又因为ＰＬＴ是在地面进行搜 索，所以它的位置信息更加精确。ＰＬＴ可以显示整张灾区搜救 定位图，随时更新它与手机的位置，当它到达一次定位的手机 标注范围四周后，就开始近距离搜索手机的信号，对手机进行 二次精确定位。
ｃｏ唧蹴ｒ西画船ｅ一增鳓Ｉｄ Ａｐｐ如面幻ｍ计算机工程与应用２００８，４４（２２） ２１９
基于手机信号定位的地震灾害搜救系统研究
刘 懿－，郭 勇－，郑凯元ｚ，李 源， ＵＵ Ｙｉｌ，ＧＵＯ Ｙｏｎ９１，ＺＨＥＮＧ Ｋａｉ－１）ｍａｎ２，Ｕ Ｙｕａｎｌ
１．成都理工大学信息工程学院，成都６ｌ００５９ ２．电子科技大学计算机学院，成都６１００５４ １．ＣｏＵｅｇｅ ｏｆ Ｉ础咖僦ｉ佣Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ｕｎｉｖｅ玛时ｏｆ １ｋｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９，ｃｈｉｍ ２．ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｃｉｅｎｃｅ舳ｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｕＩｌｉｖｅ商ｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｍｎｉｃ ｓｃｉｅｎｃｅ ａＩｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ），０ｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，ｃｈｉ聃
验了算法在实际灾害救援环境中的定位性能。由于在整个地震 灾害救援系统中，４个ＢＳＳＡ是车载基站，且搜救范围不是特别 大，所以仿真时将灾害小区半径设定为５００ ｍ。为了方便仿真， 假定由测量系统造成的ＴＤｏＡ测量误差服从均值为Ｏ，方差为 ３０ ｍ的理想高斯分布，基站提供的ＡＯＡ测量值误差服从均值 为０，标准差分别为Ｏ．ｏｌ、Ｏ．０２、ｏ．０３…Ｏ．１０的商断分布。ＴＤＯＡ 和ＴＤＯ～ＡＯＡ两种算法在不同ＡＯＡ标准差的均方根误差 （ＲＭｓＥ）如图５所示。由图可见，当ＡＯＡ测量精度较高时，应用 ＴＤＯＡ／ＡＯＡ混合定位算法将会很大程度的提高系统搜救定位 精度，这也是本系统两次定位都采用ＴＤＯＡ，ＡＯＡ混合定位的 原因。
定位成为近年来的—个研究热尉”。
邓平口叫和Ａｓｐｌｕｎｄ同等人已经对此进行了深入地研究，并 取得了巨大的成果。利用这个优势前提，也为了解决大面积地 震灾害中被掩埋人员快速定位的难题，本文提出了一种基于主
动探测手机信号搜救定位系统的构建方法。
２系统描述 ２．１系统构成
该系统由一辆中心控制车（ｃｅｎｔｍｌ Ｃｏｎｔｍｌ Ｓｔａｔｉｏｎ，ｃＣＳ）、
３系统关键技术 ３．１ 主动探溯手机信号技术
在整个搜救系统中，首先要解决的¨题就是如何取得被掩 埋手机的信号，以确定手机的位置。根据对手机工作原理的研
图３ ＴＤＯＡ定位技术
设移动台（Ｍｏｂｉｌｅ ｓｔａｔｉｏｎ，Ｍｓ）的二维坐标是（茗，），），两个基
站（Ｂａｓｅ ｓｔａｌｉｏｎ，Ｂｓ）的坐标是（一争，ｏ）和（争，ｏ），信号在手机
Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｕｅｒｃ６ｌ＠１６３．ｃｏｍ
ＬＩＵ Ｙｉ．ＧＵｏ Ｙｏ呜。Ｚ耻ＮＧ Ｋ面一”粕，“ａ１．ＮｏＶｄ辩ａｒｃｈ ａｎｄ嘲ｃ仳Ｉｏ∞廿蛐ｓｙｓｔ咖ｂａｓｅｄ蚰ｍｏｂ№ｐｈｏ耻ｂ嗡廿吡
ＣｏｍｐＩｌ钯ｒ Ｅｎｇｉｎ∞ｒｉ嚷ａ耐ＡｐｐＨ鞠廿。璐。２００８，４４（２２）：２１９－２２１．
Ａｂ！ｍ．ａｃｔ：Ｈａｗ ｔｏ ｌｏｃａｔｅ ｐｅｏｐｌｅ ｗｈｏ ａ陀ｂＩｌｒｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉ８鹊ｔｅｒ ｉ８ ａ ｄ赶ｉｃｕｌｔ ｐｍｂｌｅｍ．０ｎ ｔｌｌｅ ｈ黯ｉ８ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｅｈｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｙｓ ０ｆ ｍｏｂｉｌｅ ８ｔａｔｉｏｎ １０ｃａｔｉｏｎ，ａ ｎｏｖｅｌ ∞ａｒｃｈ ａｎｄ 他∞ｕｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐ陀ｓｅｎｔｅｄ ｉＩｌ ｔｌｌｉｓ ｐ印ｅｒ．Ｉｔ ｗｍ ｆｉ瑙Ⅱｙ ｃａｕ眙 ｔｈｅ ｍｏｂｉＩｅ ｐｈｏｎｅ８，ｗｈｉｃｈ ａ弛ｔａｋｅｎ ａｌｏｎｇ’ｄｔＩＩ，ｔｏ ｇｅｎｅ豫ｔｅ ａ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｓｉ印ａｌ，鲫ｄ ｓｅｃｏｎｄｌｙ ｌｏｃａｔｅ山ｅ ｂｕｒｉｅｄ ｐｅ叩Ｉｅ ｔ’“ｃｅ ｕｓｉＩｌｇ ａ ＴＤＯ～ｆＡＯＡ ｈｙｂｒｉｄ ｌｏｃａｔｉ∞ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏ西ｅｓ ａ地ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，蛐ｄ ８ｉｍｕｌａｔｉ∞８ｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ山ｅ ＴＤＯＡ／ＡＯＡ ｈｙｂ“ｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ
和多径效应的影响，从而得到手机位置的估计值。
３．３ ＴＤｏＡ，ＡｏＡ混合定位技术
设鹏的坐标为（算，，，），第ｉ个基站硒的坐标为（孙ｙＩ），可
算出脱ｓ与之问的粥。之问的距离尺。为：
垆识ｉ万瓦万：诳ｉ；丽了７
（７）
务饵制或者≯谓制
（１２）
４定位技术仿真 通过对ＴＤＯ刖ＡＯＡ混合算法在ＮＬ０ｓ环境下的仿真，检