基于 uwb 的消防员室内无线定位算法分析与仿真

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1、基于UWB的消防员室内无线定位算法分析与仿真1绪论1.1背景及意义随着社会和科技的进步，石油、化工、建材等高火险行业快速发展，由于危险化学品导致的易燃易爆场所迅速增加，导致高楼大厦或大型建筑场地内的火灾频繁发生。潜在性起火因素日渐增多，火灾形势愈发多样性、复杂化。尤其是在爆炸、化学事故等叠加灾害的救援过程中，由于进行搜索救援时室内环境复杂，消防人员在面对火灾扑救工作外，还需担负救援伤患的任务。导致消防员在搜救过程中可能消耗的时间和经历过多，从而危及自身安全[1]。因为此类突发情况而因公殉职的消防人员逐年递增。如今，战斗于一线的消防工作

2、已然成为社会中最为危险的行业之一。在事故现场进行救援的同时，如何保障消防人员自身的生命安全也是成为人们关注的交点。若能在指挥中心精确地定位火灾现场消防人员的位置信息，除了能更高效地展开人员调度及营救工作外，更能确保消防人员自身遭遇险情时得到及时的援救，减少消防人员的伤亡率，因此针对火灾现场消防人员的定位算法研究是十分有意义的[2,3]。........1.2消防救援定位国内外研究现状1.2.1基于无线电测向的救援定位无线电波依赖于自由空间内的均匀介质发送信号，利用交叉天线完成信号的接收。依据到达接收端的信号强度，天线可初步估计发射信号

3、的方向。美国exit-technologies公司基于此工作原理，研发了名为TrackerFRT的消防救援装置[1]。当身处火灾现场的消防人员遭遇险情时，其佩戴的TrackerFRT将会发出呼救信号，指示周边人员前来救援。上海市消防研究所成功改进了这一装置，使其增加了距离指示功能。当消防人员需要援助时，救援人员会持有改进的装置进行搜寻，装置以接收信号的强弱判断救援方向，以及与消防人员的相对距离达到定位的效果。在火灾现场的噪音繁多复杂的情况下，由于求救信号具有绕射性，所以搜救设备接收信号后会依据障碍物对指示方向进行一定优化，但所受多径干

4、扰仍然会在一定程度上影响定位精度，导致搜救效率降低。1.2.2基于RFID的火灾救援设备RFID（RadioFrequencyIdentification）技术，又称为射频识别技术，适合于室内定位应用。基于RFID技术的室内定位系统主要由两部分组成：分别为RFID阅读器和RFID标签[4,5]。两者可在非接触的前提下，运用与之相匹配的射频识别信号，完成信息采集、存储等相关功能。RFID标签依据其不同的工作原理，可分为两种类型：有源标签和无源标签。有源RFID标签自身包含电源供应设备，可在一定信号覆盖区域内主动搜索来自阅读器的询问信号，

5、与之进行信息传递。而无源RFID标签只能依靠接收阅读器发出的射频信号提取能源，被动地反馈自身信息。与有源RFID标签相比，无源RFID标签外形更为轻便、价格低廉，所以被广泛应用于物流、零售、交通等行业[6]。美国加利福尼亚大学伯克利分校利用RFID技术共同研究开发了一套火灾现场信息收集和救援装置[1]。由于无源RFID标签的传输距离有限，通常情况下为1到2米，无法达到在火灾现场的工作要求。所以此处将选用有源RFID标签。有源的RFID设备事被先安装在建筑物内，及消防人员统一使用的氧气瓶上。当发生火灾时，消防人员进入RFID信号接收范围

6、内，建筑物内配备的RFID设备会将烟雾浓度、室内温度等信息传递给消防员，而消防员同时将自身的编号反馈给设备，从而对其位置进行跟踪和监控。由于RFID具有近距离感应的特点，所以在搜救过程中采用接收信号强度（RSSI，ReceivedSignalStrengthIndication）的定位方法。在定位中，采取RSSI建库方法，即预先采集目标区域内多个参考节点的RSSI值后，建立关于位置信息的指纹库，而后在实际应用时，目标节点接收到参考节点对应的RSSI值后，与事先创建的指纹库中的数值进行相关运算，提取相关度最大的值所对应的位置信息，得到目

7、标节点估计定位[7]。在具体实施定位时，对于负载多变的消防环境而言，建立一个性能稳定的指纹库具有一定难度。.......第2章超宽带室内定位技术2.1超宽带概述超宽带（UHz，则不论信号的相对带宽是否超过规定值，都认定其为Uotorola、IBM和Intel等主流芯片生产厂商对UultispectralSolution公司和美国海军设施工程服务中心（NFESC，NavalFacilitiesEngineeringCenter）联合开发的UHz。在多径效应存在的前提下，信号接收机通过高速隧道二级管检测器对USE，Root-Mean-Sq

8、uareError），对算法的性能进行评估。在二维定位算法中，假设信噪比为-5dB，分别选取参考节点为4-9个的条件下，使用TOA定位算法、基于LSE的TDOA定位算法、基于Chan的TDOA定位算法及TDOA/AOA混