基于CSS技术SDS-TWR的舰船舱内报警人员定位系统研究

曹保根，满真真，喻锡成，张 建，赵红旗，吕传禄，倪 健，邵壮超

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

舰船战时遭受攻击或平时遭遇爆炸、火灾、撞击、倾覆等突发事件可能造成批量人员伤亡，这些伤亡者中有相当一部分是受爆震冲击或烟雾窒息处于暂时性休克或意识丧失等状态以及受困未被及时发现。一方面，伤员与受困人员因错过救援、救治的“白金时间”与“黄金时间”，或伤情加剧，或二次损伤致死；另一方面，舰艇损害管控与医疗救护人员缺乏对伤员与受困人员所处位置与状态信息的了解，无法采取针对性的措施而错失受困人员救援与伤员救护的最佳时机。

现代舰船，特别是大型作战平台与游轮等，功能布局复杂，舱室种类繁多，为满足作战性能和生活舒适性等综合要求，采用封闭型结构，主要舱室采用钢质防火分区隔段。遭受攻击和突发事故时，炽热的有毒烟雾及充斥残杂物的舱室很难以传统的手段搜寻伤员与受困人员，从而影响进一步救援救护工作展开。

为了逐步解决舰船遭受攻击和突发事故应急救援中伤员与受困人员搜索定位的难题，为舰员生命安全提供“托底”的信息化保障，本研究参照已应用的消防与矿井隧道等环境作业人员定位系统[1-6]，根据舰船舱室环境特点，结合舱内舰员岗位履职和训练、生活等需要，以多种低负荷穿戴方式实时监测生命体征。遭受攻击或发生突发事件产生伤员时，监测到生命体征参数异常，联合振动及姿态等状态自动发出无线报警信号，受困人员也可自主触发救助无线报警信号。由于电磁波难以穿过舱室钢质分隔壁板传播，舰船舱室报警人员定位需采用无线定位结合有线传输的方式，将伤员与受困人员的报警信息传送至相关指挥、损害管控与救护部门，为第一时间内有的放矢地采取救援救护措施赢得宝贵时间。

为此，本文根据现代舰船封闭及钢质材料舱室隔断等特点，运用室内定位技术研究适用于舱室人员使用的低负荷穿戴装置，在战时及突发事件中进行伤员与受困人员定位指示，提高舰艇损害管控、人员救援和伤员救护效能。

1 室内无线定位技术

1.1 室内无线定位主要方法与技术

无线定位主要分为室外和室内两类。室外无线定位普遍采用卫星信号覆盖的形式，目前可使用中国的北斗卫星导航系统（Beidou navigation satallite system，BDS）、美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）和俄罗斯的格洛纳斯通信导航系统（global navigation satallite system，GLNASS）等。由于卫星信号只能覆盖室外空旷区域，而不能穿透建筑物和舰船围壁钢板的局限性，室内（含舰船内部）无法使用卫星定位。

根据室内无线定位的原理，其基本算法有：到达时间法（time of arrival，TOA），如红外线定位；到达时间差法（time difference of arrival，TDOA），如超宽带（ultra-wideband，UWB）和线性调频扩频定位（chirp spread spectrum，CSS）；接收信号强度法（received signal strength indicator，RSSI），如 ZigBee、蓝牙定位；到达角度法（angleofarrival，AOA）等。现常用室内无线定位技术有Wi-Fi、超声、蓝牙、射频识别（radio frequency identification，RFID）、ZigBee 、UWB、CSS 等[1-2，5-8]，其主要特征比较见表1。

舰船舱内金属材质装备设施密集，战时遭受攻击及平时爆炸火灾、碰撞倾覆等情况下，人员报警定位影响因素多、干扰大，安全性、稳定性与可靠性要求高。综合定位精度、技术复杂度和成本及扩展性等，本项目研究的舰船舱内报警人员无线定位系统经遴选后采用CSS技术。

表1 常用室内无线定位技术特征比较

1.2 基于CSS技术对称双边双路测距（symmetric double-sided two way ranging，SDS-TWR）的无线定位

CSS是一种运用啁啾（chirp）信号载波通信的室内定位技术，其显著特征是利用脉冲压缩技术，使得接收信号脉冲能量非常集中，极易分辨与检测，具有较高的抗干扰和多路径效应能力。CSS采用军用小孔径雷达的chirp测距信号，基于TDOA测距算法，实现在2.4 GHz频段带宽的信号传输。采用80 MHz带宽时，频谱密度较低，但能够获取较大的通道增益，可快速分辨出脉冲信号，识别出传输信号的发送时间、对应回复信号到达时间，进行传输路径长度计算，具有高鲁棒性和超低的能量消耗。

SDS-TWR采用时分多址（time division multiple access，TFMA）无线定位方法[1-2，9]。SDS-TWR 通过精确测量双向到达时间及内部反应时间计算两点间距离，原理如图1所示。通过载波的chirp信号测出TroundA、TroundB、TreplyB、TreplyA，并得出 Td，根据电磁波传播速度计算两点间的距离。结合所处环境及非视距定位修正算法等，可获得测距数据[10]。

图1SDS-TWR原理示意图

2 系统设计

2.1 总体设计

舰船舱内报警人员定位主要于应急状态下为损害管控、伤员救护等提供伤员与受困报警人员目标位置指示信息。将舱内报警人员定位系统研究涉及实体空间分3个层级：舰船舱内人员、舰船各舱室（含舰船内通道）和舰船内部空间，所对应的空间分别标称为体域（body area，BA）、舱域（cabin area，CA）和舰船局域（local area，LA）。

在BA范围内建立生命体征监测报警体域网。采用头盔、背心、腕带等低负荷穿戴方式，实时监测舰员生命体征参数，结合姿态与运动和所处环境等，采用生命体征异常等多参数联合判别，进行伤员自动报警；受困人员自主触发穿戴式装置的按钮报警。并在舰员穿戴式装置内嵌入SDS-TWR无线定位测距与CSS通信模块。

在CA范围内建立无线报警定位舱域网。根据舱室空间与结构，在舱室侧壁顶部边缘设置无线定位锚点，接收舱内舰员穿戴式装置发出的报警信号，进行测距定位，并实现无线定位、通信有线路由与多模式信号转换。

在LA范围内建立无线定位通信有线路由冗余传输局域网。可利用舰船既有冗余通信线路与按要求设计敷设线路相结合的形式，以多通道冗余传输的方式，增强系统在突发状态下的信息传输的可靠性。将舱室舰员穿戴式生命体征监测装置的伤员自动报警与受困人员自主报警信息传输至舰船指挥、损害管控和救护等部门的图形化网络终端界面，为救援与救护等部门提供目标指示。

2.2 结构与配置

基于总体的3级实体与舰员生命体征实时监测报警→无线定位→有线路由→冗余传输→定位目标指示的技术路径，舰船舱内报警人员定位系统拓扑结构示意图如图2所示。

系统主要配置包括：每名舱室人员配置1套穿戴式（头盔、背心、腕带式可选）生命体征监测报警装置；每个舱室根据空间布局和结构形式等冗余设置集无线定位锚点、无线定位通信有线路由和多模式信号转换于一体的定位节点通信装置，并按传输控制协议/因特网互联协议（transmission control protocol/internet protocl，TCP/IP）、用户数据报协议（user datagram protocal，UDP）以太网和 CAN、RS485 总线型通信网络等要求配置交换机、集线器与中继器等；配置1套（2台）热备份网络服务器、3台网络终端、1套舰船舱室人员报警定位应用软件系统以及救援现场使用的便携式舱室人员无线定位指示装置。

图2 舰船舱内报警人员定位系统拓扑结构

2.3 功能与性能

（1）舰船舱室伤员与受困人员报警。按舰船执行任务期间舰内各类岗位作业、训练与日常生活要求，为舰员选择配置使用头盔、背心和腕带之一的穿戴方式生命体征监测装置。可进行呼吸、心率、血压、血氧等生命体征和姿态与振动等多参数实时连续监测，待机工作时间≮72 h，连续工作时间≮12 h。舰船突发事件及日常活动中，可根据实时监测的体征参数，进行异常多参数联合判别，1 min内自动发出报警信号；受困人员通过应急按钮进行自主求助发送报警信号。

（2）舰船舱室伤员与受困报警人员无线定位。舰船应急状态环境下，一旦舱室部分定位锚点损毁，冗余设置的无线定位锚点可完成报警信号接收、测距定位与无线路由发送定位，测距定位精度≯2 m；具有2通道冗余的共3条网络线路可将各舱室的报警定位信号传输至具有热备份的服务器；系统设置应急电源，供电时间≮3 h；服务器热备份自动切换时间≯60s；无线及有线网络数据综合传输速率≮200kbit/s。

（3）舰船舱室伤员与受困报警人员无线定位指示。在与突发事件应急救援密切相关的指挥、损害管控和医疗救护部门设置网络终端，或利用现有终端进行接口与软件集成，接收舱内报警人员定位信号。在舱室布局的图形化界面以特效呈现伤员或受困报警人员在船舱的位置，可按时间序列、舱室类别、报警类型等进行分类显示；可按部门、舱段区域、时间等进行综合查询与统计，并可对显示的报警信息进行闭环处理。损害管控救援现场人员可利用配置的便携式无线定位目标指示装置，监测舱内报警信号源（即报警伤员与受困人员），并可与舱内锚点或穿戴式生命体征报警装置进行无线通信，获取具体位置信息，确认报警类型，了解掌握伤员与受困人员的生命体征。

3 系统应用

根据系统总体目标与科研及工程应用程序，对研制的样机系统在多层建筑进行模拟舰船环境的试用与原理验证，并针对试用中出现的问题进行设计完善。

按图2的结构形式，于某多层建筑的3～5层，选择8个房间模拟舰船特征舱室，进行样机系统部署。分别模拟某舰2、1和01甲板相邻的指挥控制室、通信机房、声呐机房、雷达机房、数据中心、观通报房等6间功能舱室，以及主机舱和辅机舱2个大空间舱室。在各舱室侧壁顶部边沿每隔约8 m布设1套定位节点通信装置，每条大于3 m的边沿至少设置1套定位节点通信装置，并在间隔大于5 m的顶部边沿设置冗余节点。有线通信线缆在3个不同楼（甲板）层采用不同的主干与分支走向，并设置热备份网络服务器，在3个区域设置图形化报警信息终端。试用模拟测试的各舱室战位设置及穿戴式生命体征监测报警装置配置见表2。

表2 模拟测试舱室及穿戴式装置配置分布

模拟舰船遭受攻击（非破坏性，状态模拟）情形，采用模拟伤员异常生命体征预置触发报警及受困人员自主触发报警的方式进行驱动。经系统时间统一校准与测试统计，各穿戴式报警装置均能在异常体征触发后60 s内自动发出报警信号，在75 s内于图形化终端界面显示报警详细信息。除受大型金属材质装备设施（模拟的主机舱、辅机舱内）遮挡外，报警定位精度在1 m内，主、辅机舱各1名人员在大型设备遮挡下的定位精度分别为2.8、2.2 m，80 s内在设置的3台图形化终端显示各舱室模拟的伤员与受困人员报警类型及具体位置等信息。

针对上述定位精度超限的现象，在可能造成遮挡的大型装备设施两侧对应侧壁顶部边沿，结合舱室高度适当增加定位节点通信装置的布设密度后，可满足定位测距精度≯2 m的指标要求。此外，报警定位信号可通过3条通道传输至2台热备份服务器，但系统的各设备与装置及线缆只进行了原理与效用验证，环境适应性方面仍需开展进一步研究。

4 结语

本研究以战时及平时多样化军事任务海上卫勤准备需求为牵引，以提升舰船救援与救护响应信息化保障能力实际应用为驱动，探索舰船卫勤保障的前伸核心要素，充分挖掘现代信息技术在战时及舰船突发事件中人员救援和伤员救护中的应用潜力，发挥信息化的技术优势和能力“倍增器”作用。从舰船遭受攻击及突发事件与损害管控等流程出发，以人为本，运用信息化手段在第一时间监测、定位并指示伤员及受困报警人员，为集中资源、有的放矢地开展救援与救护提供重要目标指引，推动以人为本的理念在海军装备建设实际工作的运用，将现代科技转化为舰船作业人员的保障能力，对提高平战时舰船突发事故应急救援与医疗救护效率，减少人员伤亡具有重要作用。

在后续的应用深化研究中，一方面将根据样机系统模拟试验与验证中出现的部分大型舱内空间与物件附近定位精度不足和BA穿戴式装置适配性等进行改进、完善。另一方面将结合现有舰船采用嵌入式方法进行系统加装试点，与既有的指挥控制、损害管控、医疗救护系统等进行综合集成；对新设计建造舰船，采用与舰船电气系统同步设计与施工的方式，与相关系统无缝联接、有机融合，实现系统的勤务、技术、装备和保障能力的一体化。