应用于城市复杂建筑的UWB无基站应急定位系统的制作方法

本发明属于通信，具体涉及一种应用于城市复杂建筑的uwb无基站应急定位系统。

背景技术：

1、城市复杂建筑是指高层、地下、大型综合体等建筑，此类建筑往往因为结构复杂，对信号屏蔽和衰减严重，造成内部存在大量通信盲区。随着社会经济不断发展，高层、地下建筑、超大综合体建筑大量涌现，给通信保障和消防员安全管控带来巨大压力和挑战，特别是在开展城市复杂建筑灭火救援时，现场指挥员不能有效掌握内攻人员的所在位置和生命体征，现场音视频信号覆盖存在盲区，通信指挥秩序混乱等问题，一直未有效解决。围绕破解“内攻定位难、通信覆盖难、指挥秩序乱”等现场联合作战难题，需要优化现场安全管控手段、提高复杂环境通信覆盖能力、快速实现大型现场组网，尤其是利用室内精准定位技术，将救援人员内攻定位精度优化到1米以内，利用生命体征监测、三维快速建模等技术，使现场指挥员实时掌握单兵和班组的所在位置、生命体征、行动轨迹，有效降低作战安全风险。

2、室外定位技术主要借助于全球导航卫星系统（global navigation satellitesystem，gnss），利用卫星和移动对象之间的直接通信，可完成精确定位。而对于室内场景，gnss信号易受遮挡，无法实现定位。高精度室内定位技术可以分为两类：第一类为基于外置信源的室内定位技术，这类技术的实现依赖于外置信源，主要包括wifi、蓝牙、超宽带（ultra-wide bandwidth，uwb）、蜂窝移动网络、伪卫星等；第二类为基于天然信源的室内定位技术，这类技术仅依靠终端的传感器即可实现定位，包括惯性导航、地磁导航等。综合考虑应用场景、定位精度、成本、重量、体积、可穿戴性等因素，室内精准定位技术能将救援人员内攻定位精度达到到1米以内的优选uwb技术，比如发明专利cn116723569a支持应急通信的多模定位方法及系统，发明专利cn116233035a一种数字化消防单兵通信系统及数据感知采集通信方法。但是，通常在使用uwb定位系统时，需要架设uwb基站，标定出uwb基站坐标，建立uwb基站坐标系后，才能对uwb标签（救援人员携带的uwb标签）进行相对定位。由于应急救援时机的紧迫性、uwb基站覆盖范围的局限性、救援人员活动区域的未知性等因素，限制了有基站的uwb定位系统的应用。

技术实现思路

1、鉴于以上存在的问题，本发明提供一种应用于城市复杂建筑的uwb无基站应急定位系统。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

3、一种应用于城市复杂建筑的uwb无基站应急定位系统，包括服务器定位引擎和若干人员定位模块，服务器定位引擎和若干人员定位模块通过uwb/lora自组网互联，其中所述人员定位模块进一步包括mcu、uwb芯片、lora芯片、北斗定位芯片、高度计芯片、蓝牙通信芯片和电源管理电路；所述服务器定位引擎用于利用uwb/lora双通道接收到各人员定位模块发送的北斗定位信息、高度计信息、生命体征信息和uwb测距信息，进行无基站相对定位和绝对定位；每个人员定位模块占用第一时隙，将所有的人员定位模块占用的第一时隙总和为测距周期进行uwb测距得到测距结果。

4、一种可能的实施方式中，所述服务器定位引擎包括建立相对坐标系、相对坐标解算和绝对坐标解算，具体地：

5、每个测距周期，服务器定位引擎收到各个人员定位模块各自传来的测距信息，每帧测距信息中，包含该模块与其它互相测距的人员定位模块的id号、距离值，由于模块分布区域不同，各自能够互相测距的模块数量不同，将其定义为各人员定位模块的朋友圈个数不同；

6、每个测距周期，根据朋友圈个数，对各人员定位模块id进行排序，选择第一个模块为朋友圈个数最多的模块，作为二维虚拟坐标的原点（0.0，0.0），然后根据排序依次选择第二个模块、第三个模块，并且这三个模块符合互联互通；由第二个模块确定虚拟坐标的x轴，比如第一模块与第二模块测距值为m米，第二个模块的坐标为（m，0.0）；以（0.0，0.0）为圆心，以第一个模块和第三个模块的距离值为半径做一个圆；以（m，0.0）为圆心，以第二个模块和第三个模块的距离值为半径做另一个圆；两个圆相交出现两交点，选y坐标为正的交点作为第三个模块的坐标（x3,y3）；

7、由朋友圈个数排序优选的第一个模块、第二个模块、第三个模块构成一个虚拟坐标系，按朋友圈个数排序，根据三圆相交法，依次算出与这三个模块互联互通的模块的坐标值，网络中有相对坐标值的节点数目逐步增加；

8、遍历尚未求出相对坐标值的节点，判断其朋友圈中有坐标值的模块数量是否大于等于3，如果成立，利用朋友圈中模块的坐标值，推算该节点的坐标，进行网络节点的蔓延；

9、判断相对定位网络中的节点，是否有北斗定位值，如果有北斗定位值，引入到相对定位网络中，根据平面坐标与经纬度坐标的转换关系，推算出整个网络的绝对坐标；

10、每个测距周期，服务器定位引擎把包括北斗定位信息、高度计信息、生命体征信息的信息补充到相对定位网络节点中，如果遇到安全报警信息，第一时间进行报警；并且，把网络节点信息发送给上一级应用层服务器。

11、一种可能的实施方式中，在服务器定位引擎的软件实现过程中，利用多线程技术；一个主进程进行包括数据解析、数据处理、数据存储和人机交互界面的实现；一个线程用于串口数据的接收，lora/uwb通信数据都是转串口数据发送给服务器定位引擎；一个线程用于网络节点定位的可视化，利用easyx图形库进行图形化显示。

12、一种可能的实施方式中，所述测距过程进一步包括自适应的异步时钟条件下的时隙分配。

13、一种可能的实施方式中，所述自适应的异步时钟条件下的时隙分配具体包括：

14、人员定位模块一键开机，设模块id为m，首先打开uwb接收机侦听一个测距周期的时间，判断测距周期内有没有其它人员定位模块发出pool-a信息，如果收到其它模块的pool-a信息，设模块id为n，立刻记录两个时间值，一个为mcu芯片的系统当前时间值，一个为uwb接收时间戳值；若一个测距周期内没有收到任何模块的pool-a信息，以一个测距周期为周期发送pool-a信息；

15、id为m的人员定位模块嵌入式程序利用状态机进行流程控制，在状态机中获取arm芯片当前计时值t，当t大于等于t_pool时候，状态机切换到发送pool-a信息，t_pool值按一个测距周期进行累加；

16、id为m的人员定位模块在不属于自己发起pool-a的时隙时，每次收到pool-a信息，利用外部模块id号推算自己t_pool值，如果利用外部推算值和内部测距周期值相差大于50ms，利用外部推算值进行修正t_pool值。

17、一种可能的实施方式中，所述测距过程进一步包括利用uwb定位芯片时间戳进行uwb通信测距。

18、一种可能的实施方式中，所述利用uwb定位芯片时间戳进行uwb通信测距具体包括：

19、其中一个人员定位模块在它的第一时隙发起pool-a，并且记录uwb定位芯片发射时间戳；其它模块收到pool-a，各自记录接收到pool-a的本地时间戳t2，计算出自己将要回复消息的本地时间戳t_resp，各人员定位模块按id号依次回复消息，间隔为自定义的间隔时间；

20、当其它人员定位模块的时间戳t_resp时间到，uwb发射机进行回复消息，回复消息中包含该模块接收到pool-a的时间戳和回复消息的发射时间戳；

21、发起pool-a的模块接收到另一个人员定位模块的回复消息，获取到本地接收消息的时间戳，并且通过解包回复消息，获得回复消息模块的两个时间戳；发起pool-a的模块与回复消息的人员定位模块的一次双向通信，发起pool-a的人员定位模块得到了4个时间戳；

22、按每个模块间隔2ms回复，接收到所有其它人员定位模块的回复消息后再次发起pool-b，发起pool-b的模块与回复消息的人员定位模块的一次双向通信，发起pool-b的人员定位模块又得到了4个时间戳；

23、在发起pool-a模块的第一时隙内，发起的模块与它相互通信的各个模块都获得8个时间戳，利用8个时间戳，进行双边双向测距，计算出模块间的距离；

24、将发起pool-a的模块在第一时隙内与各模块的测距结果打包组帧，通过uwb/lora双通道发送给服务器定位引擎。

25、一种可能的实施方式中，人员定位模块由人员随身携带。

26、一种可能的实施方式中，人员定位模块集成到人员头盔中。

27、采用本发明具有如下的有益效果：定位不需要uwb基站，一键开机、操作简单；uwb无基站定位模块，具备轻型化、模块化、集成化的特点，可集成于消防员的头盔中，模块的测距通信范围超过千米，并且信号穿透能力强，提高了系统在灾害事故现场的可用性；服务器定位引擎端能实时展现内攻队员的队形，定位精度优于1米，实时检测队员的生命体征，当队员出现危险状况时，第一时间报警，指导周围临近队友进行搭救，提升了消防员作战安全管控效能。