一种基于北斗定位及通信的救生衣告警方法与流程

本发明涉及一种救生衣告警方法，特别是一种基于北斗定位及通信的救生衣告警方法。

背景技术：

1、21世纪以来，随着经济全球化和世界经济一体化趋势不断加强，海上航运业和水上活动作业得到了飞速发展。海洋、河流以及湖泊是人们出行、劳动以及从事探险活动的重要区域，随着经济的不断发展以及生活水平的不断提高，越来越多的人们加入到航海、漂流等水上活动中去，但由于海上环境复杂、天气多变等原因，人员落水遇难且得不到及时救援的事件常有发生，这就导致人们对水上救援装备的需求也不断增加。

2、救生衣是一项必不可少的水上救援装备，由于技术和材料的限制，以往的救生衣更多则强调是否具备足够的漂浮能力以及各个浮力点的分布，导致救生衣往往不易携带且功能性较为单一，对于从事水域救援、海事作业、水上运动的专业人员来说其功能有限。亟需设计一款能够与搜救系统配套的全方位多功能水上救生衣告警系统，在有安全隐患时和意外落水事件发生时能及时发出告警信号求救，更好地保障穿戴者的安全，减少事故的发生率。

3、国际上常见的海上应急与搜救设备主要分为两类:第一类是基于无线电通信技术的海上搜救系统，第二类是基于全球卫星导航系统的搜救系统。无线电搜救技术的发展已经有上百年的历史，该技术已成功营救了数万名海上遇险人员。最常用的无线电搜救系统有紧急无线电示位标(emergency position indicating radio beacon,epirb)和搜救雷达应答器(search and rescue radar transponder,sart)两种。无线电海上搜救系统可根据事故发生地与搜救人员的距离，采用中频、高频和甚高频完成近距离、中距离和远距离的船舶与船舶之间或船舶与陆地之间的无线电通信,其作为传统搜救技术，仍然在海上应急与救援中发挥着重大的作用。然而，由于重量大、体积大、携带困难以及作用距离有限等缺点,无线电海上搜救系统通常被安装在远洋货船上，无法实现全球覆盖，对个体海上遇险人员也并不适用。

4、综上所述，传统救生衣功能单一，无法满足不断发展的水上应用的需求；基于无线电通信技术的海上搜救系统不适用于海上个体遇险人员，存在一定的局限性；传统cospas/sarsat(cospas是俄文的拉丁化，英文的全称是space system for search of distressvessels；search and rescue satellite aided tracking,sarsat的原称为“低极轨道搜救卫星系统”；后来cospas/sarsat系统更名为“国际搜救卫星系统”)系统对遇险目标来说具有一定的等待时间，无法保证救援效率。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于北斗定位及通信的救生衣告警方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于北斗定位及通信的救生衣告警方法，包括以下步骤：

3、步骤1，对所述救生衣上的北斗卫星接收机，进行接收机自主完好性监测预测即raim可用性预测，生成卫星完好性预警区域；

4、进一步的，所述的进行raim可用性预测，即利用预设的救生衣信息数据库中的海面位置数据库，和北斗卫星的轨道重复周期，计算当前位置点至卫星的观测矩阵，进行raim可用性预判。

5、进一步的，所述的生成卫星完好性预警区域，具体方法包括：

6、步骤1-1，根据北斗卫星的轨道重复周期和海面位置数据库中的位置点计算所有位置的可见卫星数量是否小于预设数量，若是，将上述位置点列入卫星完好性预警区域，否则进入步骤1-2；

7、步骤1-2，进行raim可用性预测，将预测结果中raim不可用的位置点列入卫星完好性预警区域，具体包括：

8、步骤1-2-1，计算北斗卫星系统中的验后单位权中误差σ，具体方法包括：

9、假设在某位置点根据北斗卫星的轨道重复周期观测到n颗北斗卫星，其中n≥5，线性化后的伪距观测方程为：

10、y＝hx+ε

11、式中，y是n颗卫星的伪距观测向量；h为n×4维的系数矩阵；x是4×1的导航状态解向量；ε是n×1的测量噪声矢量；

12、根据最小二乘准则得到用户导航状态的最小二乘解如下：

13、

14、利用最小二乘解得到n颗卫星的伪距观测向量y的估计值如下：

15、

16、将n颗卫星的伪距观测向量的测量值与估计值进行比较，上述测量值与估计值之间的差即为伪距残差矢量v，计算方法如下：

17、

18、令残差敏感矩阵s，如下：

19、i-h(hth)-1ht＝s

20、其中，i表示单位矩阵，则得到伪距残差平方和sse为：

21、sse＝vtv＝εts2ε＝εtsε

22、则伪距残差向量的验后单位权中误差σ为：

23、

24、采用验后单位权中误差σ作为故障探测的检验统计量，用于判断是否存在故障卫星。

25、步骤1-2-2，使用验后单位权中误差σ判断是否存在故障卫星，具体方法包括：

26、存在故障卫星时，测量噪声矢量ε服从均值不为0的正态分布，此时服从自由度为n-4，非中心化参数为的卡方分布，其中，表示方差；

27、作二元假设如下：

28、无故障假设h0:e(ε)＝0,

29、有故障假设h1:e(ε)≠0,

30、给定误警率pfa，则：

31、

32、式中，p{t<t2|h0}表示在系统无故障假设下，未探测到故障的概率，其中，t表示积分变量；为自由度为n-4的卡方分布概率密度函数；通过上式确定的检测阈值t2，从而得到σ的检测阈值为：

33、

34、若σ>σt，则当前时刻存在故障卫星，故障排除检验量di如下所示：

35、

36、其中，vi表示伪距残差矢量v的第i个元素；sii表示残差敏感矩阵s的第i行第i列元素，分别计算所有卫星的故障排除检验量di，di最大值对应的卫星即为故障卫星。

37、步骤1-2-3，使用水平保护限值法进行raim预测可用性判定，即计算水平保护等级hpl，具体包括：

38、首先定义矩阵r＝(hth)-1ht，以及矩阵f＝h(hth)-1ht；

39、水平精度因子hdop变化量如下：

40、

41、式中，hdop为所有可见卫星得到的水平精度因子；hdopi代表剔除第i颗卫星后得到的水平精度因子；水平保护等级hpl计算方法如下：

42、

43、式中，δhdopmax＝max{δhdopi}；λ为根据漏警率pmd计算得到的卡方分布非中心化参数；

44、如果hpl小于水平告警限值hal，表示raim预测可用；否则raim预测不可用。

45、步骤2，获取气象数据库中的气象预警区域，并与步骤1中获取的卫星完好性预警区域，共同构成不安全区域；

46、步骤3，利用北斗卫星进行实时定位，获得当前位置信息，将其与不安全区域进行位置匹配，若当前位置处于不安全区域内，救生衣告警提示，并通过北斗短报文通信链路将告警信息发送给地面控制中心，进入步骤4，否则直接进入步骤4；

47、步骤4，判断穿戴救生衣的用户是否落入水中，若是，则救生衣告警提示，并通过北斗短报文通信链路将告警信息发送给地面控制中心，进入步骤5，否则直接进入步骤5；

48、步骤5，穿戴救生衣的用户判断是否启动人工告警，若是，则救生衣告警提示，并通过北斗短报文通信链路将告警信息发送给地面控制中心，否则该救生衣仅进行实时定位，并重复步骤1-5。

49、进一步的，步骤3至步骤5中所述的救生衣告警提示，至少包括：救生衣自警灯闪烁提示或救生衣告警搜救灯常亮提示。

50、进一步的，步骤3至步骤5中所述的告警信息，至少包括：当前位置、航向和航速信息。

51、进一步的，步骤1-1中所述的预设数量为5。

52、有益效果：

53、1、本发明针对传统救生衣功能单一性的缺陷，设计的具有实时定位、稳定通信功能的多功能救生衣告警方法，不仅能够在发生意外落水等危急情况时向搜救系统告警请求救援，还能在进入水上危险区域时向佩戴救生衣的用户进行警示，从用户心理安全意识层面预防安全事故的发生，并根据用户对实际情况的判断选择是否需要人工报警求救，从而减少事故发生率。

54、2、本发明针对无线电搜救系统和全球性卫星搜救系统在个体遇险人员搜救效率方面的不足，利用北斗通信卫星进行短报文通信，提高告警救援效率。