王坚：应急救援无缝定位关键技术研究
The following article is from 经纬石旁话遥测 Author 王坚 刘纪平等
本文改编自学术论文《应急救援无缝定位关键技术研究》
刊载于《武汉大学学报·信息科学版》2020年第45卷第8期“一体化综合减灾智能服务研究”专刊
王坚1,3 刘纪平2 韩厚增1 甄杰2 刘飞1,3
1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院, 北京，102616
2.中国测绘科学研究院，北京，100830
3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州，221116
王坚
教授，博士生导师，主要从事应急定位技术研究。wangjian@bucea.edu.cn
摘要
应急定位是重大突发事件应急管理与救援效率提高的关键技术之一。
首先，回顾了导航定位的研究历史；其次，按照全球导航卫星系统定位、自主定位、局域电磁波定位3种常用的应急定位技术模式阐述了国内外研究现状；
然后，基于应急连续运行参考站组网、超宽带组网等技术，构建了多种灾害通用的应急无缝定位解决方案，并研制了卫星/惯性导航系统紧组合终端、超宽带组网定位终端、步行航迹推算定位终端、北斗短报文定位终端等应急定位终端；
最后，设计并开发了应急定位与位置服务系统，定义室内外无缝定位导航电文。通过研究关键技术，旨在打造面向应急情况的室内无缝定位技术体系，革新现有应急定位技术方法。
引用
王坚, 刘纪平, 韩厚增, 甄杰, 刘飞. 应急救援无缝定位关键技术研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1126-1136. doi: 10.13203/j.whugis20200066
应急定位是地震、火灾、矿难等重大突发事件应急处置与救援必须的关键技术之一。美国国家火灾保护协会调查表明，导致消防员受害的主要原因是消防员迷路，以及被搜救人员的位置无法确定。基于位置的应急救援解决方案可有效减少人员伤亡，降低经济损失。但由于应急场景多样、救援环境复杂、灾害态势演变难以预测，并且往往伴随断电、断水、通信中断等情况，应急定位困难。
随着北斗定位、惯性定位、室内定位的快速发展，导航芯片、微惯性器件、超宽带（ultra wide band，UWB）定位芯片成本不断降低，应急定位技术及关键装备研发得到了飞速发展，在“5·12”汶川地震的堰塞湖无人机监测、滑坡灾害监测与预警、城市内涝、人质解救等领域得到进一步应用。但是，目前应急定位理论与技术研究仍欠系统化，应急定位无缝基准快速构建及协同定位算法不够稳健，定位终端装备欠缺。对应急定位技术进行系统研究，构建多源融合的应急定位解决方案，研制典型灾害场景的应急定位关键技术与装备是目前亟需解决的问题。
应急定位面向火灾、地震等复杂灾害现场，需要保证最大限度减少事故造成的人员伤亡和经济损失，因此在定位速度、无缝定位、定位终端等方面有着更高的要求，但是定位精度较普适定位可以适当放宽。
表1 定位性能指标对比
1 应急定位关键技术
面向火灾、地震、水灾应急救援等场景，目前常用的应急定位技术方式主要为全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）定位、自主定位和局域电磁波定位等。在不同的应用场景下，所采用的定位技术也会有所差异。
1.1
GNSS定位技术
GNSS 针对应急场景可以全天候提供单点定位、实时动态（real time kinematic，RTK）、网络RTK 等多种导航定位服务。但是GNSS 信号难以穿透建筑物，无法提供室内定位服务；且可用卫星数量少于4 颗时，城市峡谷、桥梁等GNSS 信号遮挡区域无法有效定位。
然而，随着精密单点定位（precise point positioning，PPP）技术的发展，尤其是第3 代北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system‐3，BDS‐3）新增的PPP 定位功能，为应急定位终端提供了更为便捷的解决方案。
另外，通过快速建立临时的应急连续运行参考站（continuously operating reference stations，CORS）服务网络，可以提供高精度定位服务；或者通过融合惯性导航系统（inertial navigation system，INS）、UWB、磁力计等其他定位方式，建立数据融合模型，进一步提高定位的精度与可得性。
1.2
自主定位技术
自主定位技术是应急定位的主体技术，主要包括惯性定位、磁场定位、视觉定位和重力定位等。由于误差累计等因素的影响，通常自主定位不能单独完成应急定位的任务，需要多种方式融合达到提高定位精度的目的。
1.2.1 | 惯性定位技术 |
惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）由加速度计、陀螺器件组成，可以实现自主定位，是应急定位的首选方式。惯性应急定位有两种基本模式：零速修正（zero velocity update‐IMU，ZUPT‐IMU）和行人航迹推算（pedestrian dead reckoning，PDR）。
惯性应急定位能够提供室内环境自主定位，是应急定位的基本手段，但定位误差不断累积导致IMU 的两种定位模式都不能单独完成室内外无缝定位任务，必须融合其他定位方式。
1.2.2 | 磁场定位技术 |
磁场定位技术是利用磁传感器实时测量磁场特征量数据，与存储在载体计算机中的数字基准图进行匹配以获得位置信息。磁场定位通过建立足够精确的地球磁场模型（包括稳定场与变化场、地球总磁场与区域磁场），利用磁图与测量数据的精准匹配来确定位置信息。
应急情况下，磁场受到的干扰比较大，精确的区域磁场获取成为制约定位精度的主要因素，仅依靠磁场很难满足应急定位的要求。通过融合其他定位传感系统，有望解决室内定位绝对基准问题。
1.2.3 | 视觉定位技术 |
视觉传感器作为一种流媒体技术，不仅可以获取丰富的环境信息，而且可以实时传输，在定位中被广泛应用，如中国的嫦娥三号月球车和美国机遇号火星探测器等。目前，主流的视觉定位技术方法有SLAM、视觉里程计（visual odometry，VO）、基于图像指纹的方法、结合外部辅助信息定位方法等。
随着视觉传感器以及应急通信技术的快速发展，通过视频传感器可以获取4k 像素分辨率的影像，既可以实现实时定位，又可以实时获取应急区域的实景影像信息和三维模型等，可以在应急救援过程中发挥较大的作用。
1.3
局域电磁波定位技术
由于应急场景突发性强，不能预装室内基站等设备，局域电磁波定位技术更多是采用应急组网技术临时布设室外基站，通过融合自主定位技术达到应急场景无缝定位的覆盖。因此，WiFi 、UWB、紫蜂（ZigBee）、伪卫星、RFID 等定位技术在应急场景下只能部分发挥作用，不能够解决快速室内外无缝定位问题。
1.3.1 | WiFi 定位技术 |
WiFi 室内定位常用的方法有近似法、三角测量法和指纹匹配法等。近似定位方法利用设备接收的信号强度指示值（received signal strength indication，RSSI）与访问接入点（access point，AP）位置在短时间内对应关系较好的特性，将AP 点的位置直接近似为物体的位置，但该方法定位精度较低。
三角测量法利用信号的传播衰减规律，将所接收到的信号强度按照特定的传播模型转换成相应的距离值，根据已知无线接入点的位置信息和三角测量原理计算终端用户的所在位置。指纹匹配法包括离线采样和实时匹配定位两个阶段。
1.3.2 | 蓝牙定位技术 |
蓝牙（Bluetooth）是基于无线个人局域网通信技术（wireless personal area network，WPAN）IEEE 802.15.1协议的短射频信号，该信号具有低功耗和支持短距离通信的特性。其工作频率为2.4 GHz，传输距离一般为10 m 左右，最近新发布的蓝牙5.0 最大传输距离可以达到300 m 。
蓝牙技术是现代通信技术中的一项主要技术，是短距离无线通信的主流技术，可以实现短距离的无线连接，在小范围内有效代替有线连接，将固定设备与移动信息设备组成个人局域网，成本低、效率高，具有极大的运用价值。
1.3.3 | UWB 定位技术 |
1989 年，美国国防部提出了UWB 的概念，用于室内定位时可以获得厘米级的定位精度。UWB 定位研究包括基本定位方法与算法、非视距传播误差、抗多径干扰算法、定位系统研发、数据融合等方面。信号传播受到障碍物的阻挡，引起信号发生反射、折射、衍射现象，发射信号经过多条路径以不同的时间到达接收端，将导致多径传播和非视距效应，影响UWB 定位的精度与可靠性。
2 应急无缝定位解决方案
2.1
系统架构
面向火灾、地震等救援应急定位需求，本文提出了一种室内外一体化的应急无缝定位解决方案，采用应急定位软硬件装备，解决应急定位基准构建、灾害现场室外应急定位、室内外过渡区域应急定位、室内应急定位以及应急定位监控等问题。
图1 应急定位解决方案
2.1.1 | 定位基准构建 |
应急基准构建包括构建区域定位基准、现场定位基准和室内定位基准。
区域定位基准采用PPP定位或者CORS系统，构建覆盖应急救援区域30km 范围内的空间定位基准。为了提高时效性，可优先选择CORS系统，如果不能满足要求可以快速补充PPP设备。区域定位基准为救援现场及其周边的救援人员、车辆等提供定位基准。
现场定位基准通过GNSS/UWB融合定位技术实现，在区域定位基准的支撑下利用差分定位技术和GNSS/UWB装备，可提供厘米级精度的现场定位基准，并通过UWB传递技术将室外定位基准过渡到室内区域。
在室内，采用UWB定位技术和测边网平差技术快速构建室内定位网络，为室内救援人员提供定位基准。
2.1.2 | 室外定位解决方案 |
室外定位主要解决车辆、人员和无人机等装备的定位问题。针对车辆定位，本文采用文献中提出的一种基于GNSS/INS/里程计的紧组合定位解决方案，在高楼林立街道、树洞街道、立交桥和隧道等城市复杂环境下，可以提供0.1m左右的实时定位精度，以及在GNSS失锁2min情况下，依然可以实现优于2 m的定位精度。
针对行人，本文提出了基于GNSS/北斗短报文/移动通信技术的人员定位技术和UWB/PDR组合的定位技术，并研制了UWB/PDR 定位模组和北斗应急定位终端，如图2 所示。前者采用GNSS 定位，利用北斗短报文、移动通信技术将定位信息实时发送到指挥平台。尤其是在通信基站分布不均的区域，采用短报文技术可以实现很好的定位结果传输效果。而UWB/PDR 组合的定位技术，采用PDR 技术弥补UWB 在非视觉环境下定位效果差的不足，而且可以减少UWB 的基站数量实现救援现场的定位。
图2 UWB/PDR 定位模组和北斗应急定位终端
2.1.3 | 室内UWB 定位网络构建 |
室内定位网络构建主要解决过渡区域和室内定位基准自动构建问题。过渡区域定位主要解决室外定位基准向室内传递问题。
首先，在大楼等应急监测现场，通过在建筑物的应急通道或者窗户外布设GNSS/UWB 基站构建现场定位基准，将GNSS 的观测信息通过应急通信网络传输至应急定位与位置服务系统（简称服务系统）。
其次，在与室内外通视的过渡区域布设UWB设备，UWB 设备测量自身到2 个GNSS/UWB 基站的距离并传输至服务系统，服务系统通过边长交会算法确定UWB 所在位置的坐标。依此类推，自动获得2个以上过渡区域的UWB 点位坐标（UWB 点位又叫做锚点、基站）。
在构建室内定位基准时，首先，按照一定的规则将这些设备放在走廊和房间里；然后，第一个锚点位置上的UWB 设备测量自身与过渡区域的至少2个锚点的距离，并输给服务系统，计算出近似坐标；最后，通过测边网平差方法对室内UWB 网络进行平差处理，提高网络精度。过程如图3所示。
图3 基于测边网平差方法的UWB 定位组网临时基准构建示意图
2.1.4 | 室内定位解决方案 |
基于2.1.3 建立的临时基准，采用UWB 和PDR 融合的形式解决室内定位问题。室内定位示意图如图4 所示，UWB 锚点作为定位基准，不需要在室内区域全部覆盖，仅需要在走廊等主要公共区域布设，在室内采用PDR 进行定位。
图4 UWB PDR室内定位示意图
3 应急定位与位置服务系统
针对应急组网、人员定位及现场调度等灾害环境下的需求，遵循数据感知、系统开发、实际应用3 个层次，本文提出了感知层、接口层、业务层和应用层的逻辑架构设计（见图6），开发了应急定位与位置服务系统。
图6 应急定位与位置服务系统逻辑架构图
4 应急定位导航电文
针对城市区域应急无缝定位信号体制和系统构建，本文提出了应急导航与位置服务系统的电文传输协议，重点制定了数据传输模式、终端设备时间同步、电文更新率、电文帧结构、电文类型、电文内容等协议以及数据类型说明、数据域定义等内容。
表2 UWB 电文内容
室内外无缝导航电文的定义为各硬件设备数据采集、软件设备解算提供了基础，在应急情况下，按照此格式定义，基本可以做到即插即用，在一定程度上扩大了应急定位软硬件系统的使用范围。随着相关技术的进一步完善，应急定位导航电文的制定将有助于推动应急救援装备标准化发展。
5 结 语
本文总结了现有应急定位关键技术，基于GNSS/UWB/PDR 等技术提出了适用于应急条件下的室内外无缝定位解决方案，并以GNSS/UWB 基站为例介绍了应急定位终端制造关键技术，构建了基于云平台的应急定位与位置服务系统，定义了室内外无缝定位导航电文，实现了应急定位实时在线解算、在线监控和指挥调度等功能，为满足灾害应急场景下大区域、局部及室内环境的定位与需求提供可行的解决方案。