基于UWB的消防员火场定位系统研究

李佳琦，李 森

（郑州轻工业学院，河南 郑州 450001）

消防员担负着灭火的重要职责，但是由于大型建筑的构造往往十分复杂，当消防员需进入火灾现场时，往往会因为不熟悉建筑构造而迷路，对消防员的人身安全造成威胁，造成不必要的损失，对消防员进行室内的准确定位技术能够实时掌握消防员的位置及运动轨迹，能够在消防员遇险时及时找到目标，也更有利于进行救援工作。

目前，对人或物的位置感知主要通过全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），如GPS，伽利略，北斗等定位技术来实现[1]，但在室内环境中由于信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）和多路径传播较低易导致GNSS失败，定位效果降低。尤其在火场环境中烟雾、水汽重，房间隔板、金属结构、家具以及容易混淆的传感器等造成信号散射及多径效应明显，对定位系统的穿透力、抗干扰能力、续航能力均有较高要求。目前多数常见的定位系统，如紫蜂协议（ZigBee）技术、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术、红外线定位技术、蓝牙定位技术等在火灾环境中受恶劣环境影响较大，定位能力丧失或定位精度不能达到使用要求。在此背景下，超宽带（Ultra Wideband，UWB）定位由于依据其特殊的定位机制，即使在火场复杂情况下依然能保持较好的定位特性[2]。因此，利用UWB定位系统对消防员进行定位，能够克服其他定位系统的缺点，提高消防员的安全机制。

1 UWB定位简述

UWB信号是指通信频段处于3.1～10.6 GHz的信号，其绝对带宽大于500 MHz或相对带宽不小于0.2[3]，UWB技术最初被称为“基带脉冲”，是一种能够远距离传输的无线技术。UWB也可以称为非正弦通信技术和脉冲无线电。不用于其他通信技术，它在接收器（天线）与发射器（有源电池供电标签）之间通过非常窄的只有纳秒及以下宽度的射频脉冲来传输数据，UWB自动生成一个非常宽的带宽，覆盖范围广，能够与其他电台共存且干扰较小[4]。

UWB技术近年来在户外/室内位置估算方面引人瞩目，许多公司如Ubisense，DecaWave和BeSpoon研发的定位模块最高能达到10 cm的精度，视距范围最高可达880 m，同时，BeSpoon开发的微型IR-UWB系统能够将UWB技术成功集成到智能手机中，实现了定位系统更便携的操作[5]。

目前应用于火灾环境的定位方式及系统鲜有人研究，UWB技术相较于其他定位方式在此类特殊环境中更具有优势。UWB定位系统由于依据极窄的射频脉冲来传输数据，具有良好的穿透力和抗多径能力，能够更好地克服恶劣环境对信号传播的影响。UWB系统标签功耗只有5 mW，极低的功耗使系统能够进行长时间的工作，尤其是在火场的复杂环境中，不需考虑更换电池等问题。同时，由于UWB信号非常大的带宽，带来了非常高的时间分辨率，有助于实现高精度测距[6]。

2 火灾定位系统

在UWB定位系统中，一个完整的定位系统包括：（1）处理包括图形用户界面的计算机和集线器。（2）至少4个不同的高度UWB基站用于记录视场中的实时三维信号数据。（3）低功耗和高功率的UWB标签作为被测量对象。（4）CAT-5e屏蔽线。

定位模块可采用DecaWave公司开发的DWM1000模块，作为一种高效的定位模块，通信速率高达6.8 Mb/s，其最大定位距离可达100 m。支持高标签密度，20 m半径内标签节点的密度可达11 000个[7]，因此，即使对多个消防员同时进行定位也不会互相干扰。

DWM1000模块支持到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位方式，按照TDOA定位方式，在三维空间中，至少由4个基站对一个标签节点进行定位，通常选择其中一个为主基站，另外3个为从基站。定位目标在移动过程中与基站之间的距离差为常数，其轨迹为双曲面，定位目标位于双曲面交点处。假设主基站BS0(x0,y0,z0)，从基站BSi(xi,yi,zi),i=1,2,3…，标签MS(x,y,z)，依据TDOA原理，公式如下：

此定位方式因为不需要昂贵的天线阵列，不必保证基站和目标之间的时钟严格同步，只需保证各基站之间的时钟同步即可[8]，而实现基站之间时钟同步的难度远小于实现基站与定位目标之间的难度。不需要知道传输的绝对时间，降低了硬件和操作难度，有利于减小计算误差，在实际中TDOA算法的应用更为广泛。

火灾发生时，为保证供电安全，需切断电路，保留消防用电，普通的定位系统因失去供电而无法工作，曹祥红等[9]提出将定位基站安装于消防应急标志灯具中，供电和信号传输均与消防联动控制线共用，能够在发生火灾时保证模块的供电、信息传输功能和联动功能，同时能够节省空间，减少安装成本。以某办公楼一层建筑为例，建筑中应急标志灯具按照设计规范安装于走廊、大厅、楼梯、安全出口等位置。图中多个应急标志灯具同样位置均在高度2.2 m处有应急照明灯具，高度0.3 m处有消防疏散指示灯，因此灯具在二维图中呈现重叠效果。发生火灾时，消防员作为定位目标移动于走廊中，手持移动标签与安装于应急标志灯具中的基站进行信号交换，基站通过TDOA方法计算出消防员的位置坐标，通过消防联动控制线传输至中央控制台。在消防员搜救过程中控制台可通过设备直观看到消防员的位置和移动轨迹，在遇险时能够及时对其进行援助，同时也能更好地指挥消防员展开救援工作。

3 基站布局分析

3.1 基站布局方式

在实际应用中，因为地形限制以及加入定位模块的消防应急标志灯具的成本相较于普通消防应急照明灯具大幅度提高，消防应急标志灯具在实际的安装建设中并不一定每个灯具都要安装定位模块[10]。同时由于TDOA定位方式得到的系统定位精度受基站的布置方式影响较大，基站不合理分布会造成感知阴影和盲点，因此，需要在基站的布置方式以及网络感知覆盖率之间达到平衡[11]。

按照TDOA定位方法，至少需要4个基站对一个移动标签进行定位，通常基站的布局方式有Y型、菱形、倒三角形等[12]，以上述办公楼为例，结合本建筑结构及应急标志灯具位置，可采用倒三角形布局方式，如图1所示，在建筑平面图中，以最左侧和最下方轴网分别作为x轴和y轴建立坐标系，选取按照倒三角形结构安装定位模块的应急标志灯具分别为位于走廊中部的3个疏散指示灯以及位于大厅的疏散指示灯，坐标分别为（18.0，9.6，0.3），（32.5，9.6，0.3），（47.0，9.6，0.3），（28.8，4.0，0.3），单位为m。由于火场环境复杂，DWM1000定位模块保守估计按照50 m的定位距离进行计算，以所选基站为圆心作半径为50 m的圆表示信号传播范围，信号覆盖效果如图2所示，可以看出，建筑公共区域能够被每个基站覆盖在信号传播范围内，因此能够满足定位需求。

图1 倒三角形基站布局示意

图2 基站布局及基站信号覆盖效果示意

3.2 定位精度分析

GDOP为精度的几何稀释，原本用于分析GPS定位系统中卫星在坐标结构范围内对星座的GDOP和相应的定位误差[13]。在无线定位系统中，GDOP值可用来判断基站位置对定位精度的影响。GDOP值越小，定位精度越高，依据TDOA算法[14]求得GDOP表达式如下。

对式（1）

目标估计的定位误差可以通过伪逆技术来评估：

假设修正后的测量误差为零，基站位置误差相互独立，则位置误差协方差可表示为：

依次选择4个基站分别为主基站，并以此对所选基站方案的定位精度进行仿真，定位范围为消防员在建筑中活动的公共区域x∈[14.4,57.6],y∈[0,16.8]，考虑消防员移动时将定位标签携带在腰部，标签高度取z=1.2。仿真结果如图3所示。

图3 不同主基站选择下的GDOP值

由图3可以看出，当选取基站不同时，定位精度也具有较大差异，且在倒三角型布局模式中，只有当主基站位于中间被其他3个基站围绕的位置时，即图1中主基站位于“基站2”位置时定位精度能够在定位范围内均匀分布。由3（b）图可以看出，文献所提出的UWB定位系统基站布局方案能够达到较好的精度，满足消防员在火灾环境中的定位需求。

4 结语

由于消防员工作环境复杂，对消防员进行定位存在必要性，UWB技术在火灾现场复杂环境中能够克服恶劣环境影响，具有极大的定位优势。UWB定位系统能够将定位模块安装于应急标志灯具中，保证在火灾发生时的正常用电，提高了定位系统的安全机制。GDOP值可用来分析定位基站布局的精度，论文分析了在建筑实例中定位基站以倒三角形的安装方式的精度，并对GDOP值进行仿真，在选取合适主基站的情况下精度值表明此方案完全可行。

火灾现场作为一种特殊的情况，仍有许多因素限制定位的能力与精度，UWB定位技术能够帮助消防人员更高效地展开人员调度及营救工作，减少消防人员因不熟悉救援环境造成的伤亡，降低恶劣环境对消防员的生命威胁。随着UWB技术研究的深入，其技术和标准也越来越成熟，已取得了巨大的进步。其超宽的带宽和其独有的通信特点决定了超宽带定位系统在室外、室内等各种环境下均能得到较好的应用。