NLOS环境下基于TDOA手机定位技术的震后搜救系统研究

刘小洪 郭勇 林偌黠 向玉玲

摘要：震后人员被埋，确定人员被埋位置是提高救援效率、救援成功率的关键因素之一。基于手机主动诱发技术及TDOA定位技术的研究，提出了一种利用手机的空间定位搜救系统。系统计算出目标手机的三维坐标，直接反映出被埋人员的二维平面位置及被埋深度，对救援有非常积极的作用；定位计算中，引入了NLOS衰减因子，通过梯度算法，迭代更新衰减因子，可以有效消除NLOS对测距的影响。最后仿真表明，该文定位方法有较高的定位精度，可以应用于震后人员搜救中。

关键词：NLOS；TDOA定位；震后搜救；主动诱发

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）25-5991-03

我国是一个地震高发国家，地震发生后人员被埋，不能确定被埋人员在废墟中的具体位置使得救援效率受到极大的限制。目前国内外针对震后生命探测设备的研究主要集中在光学、红外、雷达、音频探测4个方面，这些探生设备在震后救援中存在探测范围小、能耗高、不可定位或者定位误差大等缺点，使得在实际救援时有很大的局限性。

随着移动通信技术的发展，我国手机用户数量大幅增加；根据手机用户使用习惯，手机一般都置于机主5m范围内，确定手机位置，也基本能确定被埋人员的位置，因此利用手机定位人员位置成为可能。由于震后被埋人员都处在NLOS（非视距）环境中，在蜂窝网络中利用TDOA技术对手机定位受到NLOS影响，会产生很大的定位误差。邓平[1]和蔡永棋[2]等人对NLOS环境下的定位技术做了深入的研究；刘懿[3]等人提出了一种利用TDOA/AOA二次定位技术实现被困人员的定位。基于这些理论成果，该文提出了一种NLOS环境下的手机定位技术在震后救援中应用研究。

1 系统原理

1.1主动诱发技术

在移动通信系统中，当手机位置更新（Location Update）时会主动发射发送随机信号接入码（Random Access Channel，RACH）信号，向所在网络注册。手机从一个位置移动另一个位置过程中，当其接收到一个更强的广播信道时，解码广播信道消息获取位置区识别号（Location Area Identification，LAI），并与自身RAM中的LAI对比，如果LAI发生变化，则认为进入了新小区，需要向新小区发出RACH注册申请，此时小区基站可以检测到申请注册的手机[5]。

对于被埋手机来说，能获得被埋手机信号利用定位算法就可以估计出手机的位置。利用上述手机位置更新原理，提出如图1的主动诱发技术方案，在废墟周围架设广播信道与原基站不一样的伪基站，当被埋手机接收到信号功率[Pb>Pa]时，被埋手机误认为位置发生了变化，会主动向伪基站构成的小区发出注册申请，伪基站利用接收到的注册申请信号即可实现对手机的定位。

从仿真结果分析可知，图中LOS的定位结果为不受NLOS影响的定位结果，只考虑了TDOA测量误差，图中横坐标为NLOS衰减因子，表示NLOS对测量的影响程度，NLOS因子越小影响测距越严重，反之影响测距结果较小，从仿真结果来看，该文的算法和Chan算法随着NLOS衰减因子増大，定位结果越准确，但本文的算法的定位结果整体上都大大优于Chan算法。

4 结论

本文利用手机主动诱发技术和TDOA空间定位技术提出了一种在震后废墟NLOS环境下的被埋人员搜救系统。文章中提出

的TDOA定位算法，可以直接计算出[MS]的空间坐标，不仅能定位[MS]的二维平面位置，还能估计被埋深度，对灾后被埋人员快速定位，实施救援有重要的意义。引入NLOS影响测距的衰减因子，利用梯度算法更新迭代衰减因子，减小NLOS的影响，从仿真结果来看，对比Chan算法和LOS环境下的定位性能，文章中的算法有比较好的定位性能。

参考文献：

[1] 邓平，刘林，范平志.一种基于TDOA重构的蜂窝网定位服务NLOS误差消除方法[J].电波科学学报，2003，18（3）：312-316.

[2] 蔡永棋.NLOS环境下的TDOA定位算法研究[D].长沙：中南大学，2009.

[3] 刘懿，郭勇，，郑凯源，等. 基于手机信号定位的地震灾害搜救系统研究[J].计算机工程与应用，2008，44（22）：219-221.

[4] 宋玉，王洪雁. NLOS环境下基于到达时间差（TDOA）的定位算法[J].系统仿真技术，2006，2（3）：125-129.

[5] 朱大立.一种基于诱发技术的移动电话主动探测方案[J].移动通信，2006（1）：107-109.

[6] 张红梅，田増山. GSM手机主动探测方案设计与实现[J].广东通信技术，2013（3）：13-17.

[8] 刘赓. 基于TDOA的空间定位算法[J].计算机工程与设计，2008，29（15）：3892-3894.