基于UWB的实时消防空间三维定位系统研究
2023年电子技术应用第5期
羊行1，2，李迅波1，邓蕴皓3
（1.电子科技大学 机械与电气工程学院，四川 成都 611731；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621000； 3.中国铁路成都局集团公司，四川 成都 610081）
摘要： 随着城市高层单体建筑物的普及与增多，火灾救援已由简单平面救援向三维空间延伸，频发的火灾对进入此类火场的消防救援人员的生命安全造成了极大的威胁，如何准确定位火场人员的位置以在需要时进行营救成为一个极具价值的课题。基于超宽带（Ultra-wide Bandwidth，UWB）定位技术，由于LSE/TDOA（Least Square Error/ Time Differential of Arrival）混合算法仅在二维求解中有较好表现，而三维定位精度不高误差较大，进一步提出了Chan-WLS（Weighted Least Squares）/TDOA定位算法，实验证明该算法具有较高的稳定性和定位精准度。同时，首次理论推导出了三维TDOA算法的克拉美罗下界，并求得了所提出的Chan-WLS/TDOA定位算法的CRLB值。实验结果表明，在多种复杂环境下采用该定位算法可将误差控制在一定范围，满足工程应用需求。
中图分类号：TP39
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223676
中文引用格式： 羊行，李迅波，邓蕴皓. 基于UWB的实时消防空间三维定位系统研究[J]. 电子技术应用，2023，49(5)：71-76.
英文引用格式： Yang Hang，Li Xunbo，Deng Yunhao. Research on real-time three-dimensional space positioning system of fire fighting based on UWB[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(5)：71-76.
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223676
中文引用格式： 羊行，李迅波，邓蕴皓. 基于UWB的实时消防空间三维定位系统研究[J]. 电子技术应用，2023，49(5)：71-76.
英文引用格式： Yang Hang，Li Xunbo，Deng Yunhao. Research on real-time three-dimensional space positioning system of fire fighting based on UWB[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(5)：71-76.
Research on real-time three-dimensional space positioning system of fire fighting based on UWB
Yang Hang1，2，Li Xunbo1，Deng Yunhao3
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China； 2.School of Information Engineering， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621000， China； 3.China Railway Chengdu Bureau Group Corporation， Chengdu 610081， China)
Abstract： With the increase of single high-rise city buildings, fire rescue has extended from simple plane rescue to three-dimensional space. Frequent fires pose a great threat to the life safety of fire rescue personnel entering such fire sites. Locating the location of people on the fire scene for rescue when needed becomes an extremely valuable subject. Based on ultra-wideband (UWB) positioning technology, since the Least Square Error/ Time Differential of arrival (LSE/TDOA) hybrid algorithm only has a good performance in two-dimensional solution, but the three-dimensional positioning accuracy is not high, and the error is large, the Chan- Weighted Least Squares (WLS)/TDOA positioning algorithm is further proposed. The experiment proves that the algorithm has high stability and positioning accuracy. At the same time, the Cramer-Rao lower bound(CRLB) of the 3D TDOA algorithm is theoretically deduced for the first time, and the CRLB value of the proposed Chan-WLS/TDOA positioning algorithm is obtained. Experimental results show that the errors are under control when adapting the positioning algorithm in a variety of complex environments and can meet the needs of engineering applications.
Key words : three-dimensional space positioning；TDOA；CRLB；fire rescue
0 引言
位置信息自古以来就对人类有着不同寻常的吸引力，从出行到出游，从工作到生活，人们无时无刻不渴望了解自己的位置信息。随着现代移动通信技术的快速革新，人们已经越来越离不开无线手持终端，而位置感知服务也扮演着越来越重要的角色。民用非高精度的定位技术已趋于成熟，任何人都可以通过带定位功能的手机或手表在室外便捷地使用包括全球定位系统（Global Position System，GPS）、北斗卫星导航系统、伽利略及蜂窝移动网络在内的各种商用系统提供的功能来辅助日常出行和寻人。
目前商用的GPS 和北斗等定位系统受限于室外空旷区域的定位，而针对极端复杂环境的综合定位，往往就显得捉襟见肘了。消防员进入火场以后，电磁信号不仅受建筑物的遮挡和屏蔽，还受到热辐射的影响，常规的无线通信系统往往受其所困，而超宽带（Ultra-wide Bandwidth， UWB）技术克服了这些问题带来的困扰，满足了人们对于短距离下高精度实时定位的要求。UWB的调制不采用正弦载波调制数，而是通过纳秒级的非正弦窄带脉冲，使其在极短时达到一个较高的量级。UWB积聚了多径分辨率高、成本低、保密性好等众多优点，且其发射功率低，可视同周围通信系统的白噪声，因此具有极佳的独立性且不会随意干扰其他无线系统。
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作者信息：
羊行1，2，李迅波1，邓蕴皓3
（1.电子科技大学 机械与电气工程学院，四川 成都 611731；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621000；
3.中国铁路成都局集团公司，四川 成都 610081）
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