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。
中圖分類號：TP39
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223676
中文引用格式： 羊行，李迅波，鄧蘊皓. 基于UWB的實時消防空間三維定位系統研究[J]. 電子技術應用，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.
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223676
中文引用格式： 羊行，李迅波，鄧蘊皓. 基于UWB的實時消防空間三維定位系統研究[J]. 電子技術應用，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
位置信息自古以來就對人類有著不同尋常的吸引力，從出行到出游，從工作到生活，人們無時無刻不渴望了解自己的位置信息。隨著現代移動通信技術的快速革新，人們已經越來越離不開無線手持終端，而位置感知服務也扮演著越來越重要的角色。民用非高精度的定位技術已趨于成熟，任何人都可以通過帶定位功能的手機或手表在室外便捷地使用包括全球定位系統（Global Position System，GPS）、北斗衛星導航系統、伽利略及蜂窩移動網絡在內的各種商用系統提供的功能來輔助日常出行和尋人。
目前商用的GPS 和北斗等定位系統受限于室外空曠區域的定位，而針對極端復雜環境的綜合定位，往往就顯得捉襟見肘了。消防員進入火場以后，電磁信號不僅受建筑物的遮擋和屏蔽，還受到熱輻射的影響，常規的無線通信系統往往受其所困，而超寬帶（Ultra-wide Bandwidth， UWB）技術克服了這些問題帶來的困擾，滿足了人們對于短距離下高精度實時定位的要求。UWB的調制不采用正弦載波調制數，而是通過納秒級的非正弦窄帶脈沖，使其在極短時達到一個較高的量級。UWB積聚了多徑分辨率高、成本低、保密性好等眾多優點，且其發射功率低，可視同周圍通信系統的白噪聲，因此具有極佳的獨立性且不會隨意干擾其他無線系統。
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作者信息：
羊行1，2，李迅波1，鄧蘊皓3
（1.電子科技大學 機械與電氣工程學院，四川 成都 611731；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621000；
3.中國鐵路成都局集團公司，四川 成都 610081）
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