本發(fā)明涉及信息技術的定位領域，具體涉及一種基于LTE和PDR的消防室內定位與軌跡導航方法及系統(tǒng)。

背景技術：

消防定位技術是保障消防員進入火場安全，確定消防員在火場中的位置，保障對火場中遇險的消防員的有效施救，保證指揮員對火場中消防員的有效運動監(jiān)視等消防滅火救援工作中亟待解決的問題，具有良好的應用前景。

與普通定位技術相比，消防定位技術具有其特殊性，表現(xiàn)在：首先，消防定位場景一般都發(fā)生在室內，發(fā)生在室外的較少。室外定位可以用全球定位系統(tǒng)(GPS)、或者中國北斗定位技術等進行解決。但是，由于室內收不到衛(wèi)星信號，所以室外基于GPS、北斗的定位技術不能在室內應用。其次，消防室內定位屬于災難應急系統(tǒng)，不能事前布置用于室內定位的基礎設施(即使事前花費代價進行布置，火災發(fā)生時也可能因為停電而失效)，如各種應用于室內定位用的無線信標，必須要能夠在現(xiàn)場迅速搭建室內定位系統(tǒng)。最后，由于在火災現(xiàn)場，指揮系統(tǒng)除了要知道消防員的位置外，還需要能夠和其通信，了解火場情況，做出最佳滅火救災部署，同時消防員必須爭分奪秒進行滅火救災，因而定位終端不能復雜，要簡單有效。

國內外目前針對消防定位主要的解決思路是開發(fā)專用終端設備、甚至多個設備。雖然這些專用設備的定位精度一般都很高，甚至有的標稱位置坐標能達到水平、垂直方向1米的絕對定位誤差。然而，室內定位環(huán)境應用中，其實更有意義的是位置信息、而不是位置坐標。在室內定位環(huán)境中，人們通常不關心定位對象的位置坐標，如定位對象在二維坐標點(5,36)處，因為這個坐標對用戶來說是不可感知的；而是希望知道一些能夠感知的位置信息，如“消防員甲在5層過道樓梯處”，“消防員乙在9層307房間發(fā)現(xiàn)被困人員”等。

長期演進(LTE)技術是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用正交頻分復用(OFDM)技術和多輸入輸出(MIMO)技術作為其無線網絡演進的唯一標準。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。消防車內可以搭載小型LTE基站，從而為救災現(xiàn)場提供數(shù)據通信支持，同時利用LTE信號強度(RSS)可以輔助消防員定位。

步行者航位推算(PDR)技術基本原理是通過方向傳感器和加速度傳感器獲取單位時間內物體的轉角和位移，從而由前一時刻物體的位置和航向推算出當前時刻物體的位置和航向。利用PDR技術可以在智能終端上對消防員進行室內定位。

本發(fā)明利用LTE小基站和智能終端快速搭建通信和定位環(huán)境，現(xiàn)場布置系統(tǒng)方便，大大增加了本系統(tǒng)的可實施性；利用LTE RSS與PDR融合定位方法，分別克服了LTE RSS不穩(wěn)定和PDR定位具有累積誤差的缺點，為消防員提供一種穩(wěn)定、精度高的室內定位方法；利用攝像頭拍攝周邊環(huán)境并傳回服務器，為消防指揮人員提供清晰直觀的信息，更有效地幫助消防人員進行搶險救災工作；利用遇險消防員的歷史軌跡與照片，為營救工作提供了有力的支持。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足，而提供一種基于LTE和PDR的消防室內定位與軌跡導航方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確定消防員在火場的位置，當消防員在火場中遇險時，其他消防員通過本系統(tǒng)能快速找到遇險消防員的位置，為消防員在火場中搶險救災提供有力幫助。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。這種基于LTE和PDR的消防室內定位與軌跡導航系統(tǒng)，由智能終端、LTE小基站、定位服務器組成，所述的智能終端指支持LTE、攝像頭、九軸傳感器、氣壓傳感器的終端設備，且需要在此智能終端設備上安裝消防定位服務APP；消防定位服務APP是定位算法的運行者，通過采集LTE RSS、攝像頭、九軸傳感器、氣壓傳感器的信息，然后根據這些信息計算出消防員的位置，并將定位結果返回服務器；所述的LTE小基站指移動通信系統(tǒng)用于室內信號覆蓋的small cell，在定位系統(tǒng)中給智能手機提供數(shù)據業(yè)務鏈路和輔助定位作用，每輛消防車上配置一個LTE小基站，要求每個智能終端能夠接收到3個小基站的信號。

所述的定位服務器由定位服務軟件和數(shù)據庫組成，定位服務軟件負責生成簡易三維定位場景圖，并和智能終端進行通信，在服務器生成的三維場景圖上顯示每個消防員在室內的位置，數(shù)據庫負責記錄每個消防員的歷史軌跡、消防員傳回的現(xiàn)場照片以及火場的特征參數(shù)。

本發(fā)明所述的這種采基于LTE和PDR的消防室內定位與軌跡導航方法，該方法包括如下步驟：

(1)、消防員開啟智能終端定位服務APP，并將智能終端佩戴在胸前，進入救災現(xiàn)場；

(2)、智能終端連接上任意一個小LTE基站，利用LTE小基站提供的通信鏈路與服務器連接，并初始化定位參數(shù)；

(3)、消防員在室外火場時，利用智能終端接收到的GPS信號進行定位；

(4)、消防員準備進入室內火場一層時，智能終端APP利用最后一次室外GPS定位結果作為室內定位的初始位置，利用氣壓傳感器初始化火場一層的高度；

(5)、消防員進入火場后，智能終端每隔固定時間間隔利用LTE RSS和PDR融合定位方法對消防員進行二維平面的定位，利用氣壓傳感器進行樓層定位，每隔固定時間間隔利用攝像頭自動拍攝一張現(xiàn)場照片或特殊情況下利用攝像頭自動錄制一段簡短視頻，最后將定位結果、照片和視頻通過LTE數(shù)據鏈路上傳到定位服務器中；

(6)、消防員遇險后，消防指揮人員根據消防員智能終端實時傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據和照片判斷該消防員的真實位置，并將遇險消防員的位置和環(huán)境照片發(fā)送給周邊消防員，通知周邊消防員展開營救行動。

所述步驟2中定位參數(shù)包括救災現(xiàn)場所有消防車上的小基站的坐標和識別號ID，發(fā)生火災的建筑物輪廓，即長、寬以及樓層數(shù)，LTE RSS路徑損耗參數(shù)。

所述步驟5中LTE RSS和PDR融合定位方法具體包括以下步驟：

5.1 利用PDR算法對消防員進行定位，具體包括下述步驟：

5.1.1 行走步數(shù)檢測，通過智能終端內置的九軸傳感器，采集到行人行走時手機的加速度波形，每一個波形周期代表人前進了一步，過濾掉高頻分量并限幅后的波形，根據波形再利用過零檢測法計算出人的行走步數(shù)；

5.1.2 步長計算，利用下面公式計算每步步長：

其中，K是常數(shù)，隨著人的性別、身高體重變化而變化，通常取值范圍為0.20～0.5，a_max、a_min表示一步內通過傳感器得到的豎直方向上加速的最大值和最小值；

5.1.3 方向檢測，通過智能終端內置的九軸傳感器，采集到行人行走的航向角θ；

5.1.4 得到方向、步數(shù)、步長后，利用下面公式得到PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)；

上式中，θ_k為這段時間內的航向，L_k為前進步長，(x_k,y_k)為前一時刻的位置，(x_k+1,y_k+1)為后一時刻的位置，該位置即為PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)；

5.2 利用LTE RSS對消防員進行多邊定位，具體包括下述步驟：

5.2.1 根據LTE小基站的RSS，利用下面公式估計智能終端和LTE小基站之間的距離d；

上面公式中，d₀為參考距離，d為智能終端和LTE基站之間的距離，P_r,dB(d₀)是在距離LTE基站d₀處的路徑損耗，n_p為路徑損耗常數(shù)，P_T和P_R為發(fā)送功率和接收功率，d₀、P_r,dB(d₀)、n_p和P_T都是預設的參數(shù)，P_R用RSS進行測量；

5.2.2 若手機檢測LTE小基站數(shù)量大于等于三個，且消防員相對靜止時，多次測量LTE的RSS，并取平均，最后采用多邊定位計算智能終端的二維坐標(x_lte,y_lte)；

多邊定位計算公式如下：

X＝(A^TA)^-1A^TB

其中

上面公式中，n為智能終端掃描的LTE基站個數(shù)，(x_j,y_j)為LTE基站的二維坐標，(x,y)為智能終端的定位坐標，d_i為智能終端到LTE基站的估計距離；

5.3 將LTE RSS和PDR的定位結果進行融合，得到最終二維定位坐標(x_final,y_final)，具體融合公式如下：

上面公式中，α用來控制融合比例。

本發(fā)明有益的效果：利用LTE小基站和智能終端快速搭建通信和定位環(huán)境，現(xiàn)場布置系統(tǒng)方便，大大增加了本系統(tǒng)的可實施性；利用LTE RSS與PDR融合定位方法，分別克服了LTE RSS不穩(wěn)定和PDR定位具有累積誤差的缺點，為消防員提供一種穩(wěn)定、精度高的室內定位方法；利用攝像頭拍攝周邊環(huán)境并傳回服務器，為消防指揮人員提供清晰直觀的信息，更有效地幫助消防人員進行搶險救災工作；利用遇險消防員的歷史軌跡與照片，為營救工作提供了有力的支持。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)框圖；

圖2為PDR算法示意圖；

圖3正常行走時的加速度波形；

圖4為濾波限幅后的加速度波形；

圖5為優(yōu)選實施例示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明提供的基于LTE小基站和PDR的定位與軌跡導航方法及系統(tǒng)由智能終端、LTE小基站、定位服務器組成，如圖1所示。

所述的智能終端指支持LTE、攝像頭、九軸傳感器、氣壓傳感器的終端設備，且需要在此智能終端設備上安裝消防定位服務APP。消防定位服務APP是定位算法的運行者，通過采集LTE RSS、攝像頭、九軸傳感器、氣壓傳感器的信息，然后根據這些信息計算出消防員的位置，并將定位結果返回服務器。智能終端需佩戴在消防員的胸前，典型的智能終端有智能手機，如蘋果iphone 6s智能手機，也可以是專門開發(fā)的智能嵌入式設備等。

所述的LTE小基站指移動通信系統(tǒng)用于室內信號覆蓋的small cell，在定位系統(tǒng)中給智能手機提供數(shù)據業(yè)務鏈路和輔助定位作用，每輛消防車上配置一個小基站，要求每個智能終端能夠接收到3個小基站的信號。

所述的定位服務器由定位服務軟件和數(shù)據庫組成。定位服務軟件負責生成簡易三維定位場景圖，并和智能終端進行通信，在服務器生成的三維場景圖上顯示每個消防員在室內的位置。數(shù)據庫負責記錄每個消防員的歷史軌跡、消防員傳回的現(xiàn)場照片以及火場的特征參數(shù)。

所述的基于LTE小基站和PDR的定位與軌跡導航方法及系統(tǒng)的定位坐標體系為“消防員編號：樓層+二維坐標”。

所述的基于LTE小基站和PDR的定位與軌跡導航方法及系統(tǒng)的工作流程如下：

1.消防員開啟智能終端定位服務APP，并將智能終端佩戴在胸前，進入救災現(xiàn)場。

2.智能終端連接上任意一個小基站，利用小基站提供的通信鏈路與服務器連接，并初始化定位參數(shù)。

3.消防員在室外火場時，利用智能終端接收到的GPS信號進行定位。

4.消防員準備進入室內火場一層時，智能終端APP利用最后一次室外GPS定位結果作為室內定位的初始位置，利用氣壓傳感器初始化火場一層的高度。

5.消防員進入火場后，智能終端每隔固定時間間隔利用LTE RSS和PDR融合定位方法對消防員進行二維平面的定位，利用氣壓傳感器進行樓層定位，每隔固定時間間隔利用攝像頭自動拍攝一張現(xiàn)場照片或特殊情況下利用攝像頭自動錄制一段簡短視頻，最后將定位結果、照片和視頻通過LTE數(shù)據鏈路上傳到定位服務器中。

6.消防員遇險后，消防指揮人員根據消防員智能終端實時傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據和照片判斷該消防員的真實位置，并將遇險消防員的位置和環(huán)境照片發(fā)送給周邊消防員，通知周邊消防員展開營救行動。

所述步驟2中定位參數(shù)包括救災現(xiàn)場所有消防車上的小基站的坐標和ID(識別號)，發(fā)生火災的建筑物輪廓(長、寬以及樓層數(shù))，LTE RSS路徑損耗參數(shù)。

所述步驟5中LTE RSS和PDR融合定位方法具體包括以下步驟：

5.1 利用PDR算法對消防員進行定位。PDR算法的基本原理是通過方向傳感器和加速度傳感器獲取單位時間內物體的轉角和位移，從而由前一時刻物體的位置和航向推算出當前時刻物體的位置和航向，如圖2所示。

具體包括下述步驟：

5.1.1 行走步數(shù)檢測。通過智能終端內置的九軸傳感器，可以采集到行人行走時手機的加速度波形，如圖2所示。圖中每一個波形周期代表人前進了一步，過濾掉高頻分量并限幅后的波形如圖3所示，根據圖3的波形再利用過零檢測法就可以計算出人的行走步數(shù)。

5.1.2 步長計算。利用下面公式計算每步步長：

其中，K是常數(shù)，隨著人的性別、身高體重變化而變化，通常取值范圍為0.20～0.5，a_max、a_min表示一步內通過傳感器得到的豎直方向上加速的最大值和最小值。

5.1.3 方向檢測。通過智能終端內置的九軸傳感器，可以采集到行人行走的航向角θ。

5.1.4 得到方向、步數(shù)、步長后，利用下面公式得到PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)。

上式中，θ_k為這段時間內的航向，L_k為前進步長，(x_k,y_k)為前一時刻的位置，(x_k+1,y_k+1)為后一時刻的位置，該位置即為PDR算法的定位位置(x_pdr,y_pdr)。

5.2 利用LTE RSS對消防員進行多邊定位。具體包括下述步驟：

5.2.1 根據LTE小基站的RSS，利用下面公式估計智能終端和LTE小基站之間的距離d；

上面公式中，d₀為參考距離，d為智能終端和LTE基站之間的距離，P_r,dB(d₀)是在距離LTE基站d₀處的路徑損耗，n_p為路徑損耗常數(shù)，P_T和P_R為發(fā)送功率和接收功率，d₀、P_r,dB(d₀)、n_p和P_T都是預設的參數(shù)，P_R用RSS進行測量。

5.2.2 若手機檢測LTE小基站數(shù)量大于等于三個，且消防員相對靜止時，多次測量LTE的RSS，并取平均，最后采用多邊定位計算智能終端的二維坐標(x_lte,y_lte)。

多邊定位計算公式如下：

X＝(A^TA)^-1A^TB

其中

上面公式中，n為智能終端掃描的LTE基站個數(shù)，(x_j,y_j)為LTE基站的二維坐標，(x,y)為智能終端的定位坐標，d_i為智能終端到LTE基站的估計距離。

5.3 將LTE RSS和PDR的定位結果進行融合，得到最終二維定位坐標(x_final,y_final)。具體融合公式如下：

上面公式中，α用來控制融合比例。

所述步驟5中，攝像頭錄制短視頻的特殊情況包括：消防員轉彎、消防員突然加速、消防員倒地、檢測到樓層改變。消防員轉彎、加速、倒地等情況可以判斷智能終端九軸傳感器的姿態(tài)來確定，樓層可以根據氣壓計變化來確定。

所述步驟6中，消防指揮人員通過服務端發(fā)送給消防員的消息包括：遇險消防員的坐標，遇險消防員軌跡，遇險消防員所佩戴的智能終端自動拍攝的歷史照片或簡短視頻。

圖5為本發(fā)明所述系統(tǒng)的一個優(yōu)化實施例的組成框圖。在本實例中，有三輛消防車，每輛消防車搭載一個LTE小基站，下面以消防員M1和遇險消防員M2為例，詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

1.M1連接上任意一個小基站，利用小基站提供的通信鏈路與服務器連接，進行定位參數(shù)初始化。

初始化數(shù)據格式為：{類型，[建筑物的長、寬、樓層數(shù)]，[小基站個數(shù)，每個小基站的ID和坐標]}，數(shù)據包每一項都是固定長度，由服務器發(fā)送給M1。在本例中，該數(shù)據包為{1，[L，W，H]，[3，C1，(x₁，y₁)，C2，(x₂，y₂)，C3，(x₃，y₃)]}，此處我們規(guī)定1代表請求初始化數(shù)據。

2.M1在室外情況下，利用智能終端接收到的GPS信號進行定位。

3.M1準備進入發(fā)生火災的建筑物時，智能終端APP利用最后一次室外GPS定位結果作為室內定位的初始位置，在本實例中，初始位置為(x_init,y_init)；消防員進入建筑物后，利用氣壓傳感器確定消防員所在樓層H，利用LTE RSS與PDR進行定位。若手機檢測LTE小基站數(shù)量大于等于三個，且消防員相對靜止時，多次采集LTE RSS去均值，采用多邊定位算法計算智能終端的二維坐標(x_lte,y_lte)，并與PDR定位結果進行融合，得到消防員最終坐標。否則，利用PDR確定消防員坐標與運動軌跡。

具體定位方法為：

3.1 消防員第k-1步的坐標為(x_k,y_k)，利用九軸傳感器得到M1第k步的方向θ_k、步長L_k，然后運行PDR算法得到PDR定位結果(x_pdr,y_pdr)。

x_pdr＝x_k-1+L_kcosθ_k

y_pdr＝y(tǒng)_k-1+L_k sinθ_k

3.2 若手機檢測LTE小基站數(shù)量大于等于三個，且消防員相對靜止時，采用多邊定位算法計算M1的二維坐標，智能終端檢測LTE RSS值，根據下面公式估計M1距每個LTE的距離d；

3.3 根據步驟1得到的LTE基站的二維坐標和3.2步得到的M1距每個LTE基站的距離d_i，采用多邊測量法計算M1的二維坐標，此時可以知道M1在建筑物H層及具體的二維坐標；

此例中，此時A、X、B分別為

因此，X＝(A^TA)^-1A^TB。

最后，消防員第k步的位置(x_k,y_k)由LTE RSS和PDR融合得到:

x_k＝(x_pdr+x_lte)/2

y_k＝(y_pdr+y_lte)/2

3.4 若消防員第k步檢測LTE小基站數(shù)量小于三個或并消防員非靜止時，第k步坐標(x_k,y_k)＝(x_pdr,y_pdr)。

4.消防員M1遇險后，指揮人員通過服務器將M1的信息發(fā)送給包括M2在內的其他消防人員，

數(shù)據格式為：{類型，[遇險消防員編號，遇險消防員樓層及坐標，遇險消防員歷史軌跡，遇險消防員歷史照片]，本消防員樓層及坐標}，其中，消防員歷史軌跡是一個二維數(shù)組，數(shù)組中存放消防員行走軌跡(x_k,y_k)；消防員歷史照片是一個圖片數(shù)組，數(shù)組用二進制碼流存放圖片。在本例中，該數(shù)據包為{2，[M1，3樓(x_M1,y_M1)，M1歷史軌跡數(shù)組，M1歷史照片數(shù)組]，2樓(x_M2,y_M2)}，此處我們規(guī)定2代表營救請求。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。