面向复杂建筑环境消防员应急定位的TOA信号传输模型和关键算法研究

This proposal focuses on the TOA signal propagation modeling and key algorithms for the positioning of fire emergency responders in complicated architectural environment. In the aspect of TOA signal propagation modeling, we take in-depth analysis of the differences between the positioning of fire emergency and traditional positioning applications, in view of antenna configuration, human body gesture, etc. A signal propagation model for TOA based firefighter localization system in complicated architectural environment will be established based on measurement and statistics. In the aspect of key algorithms, as TOA signals are greatly influenced by different scenarios, TOA ranging and direction detecting algorithm are proposed based on precise Direct Path (DP) estimation method. Then, mobile station localization and multi-bjective collaborative localization algorithms are put forward to meet the need of relative positioning requirements in fire emergency applications. As a practical application of the model and algorithms, a firefighter localization system will be designed and implemented to validate the values of the research results.

本课题针对复杂建筑环境消防员应急定位开展TOA信号传输模型和关键算法研究。在TOA信号传输模型方面，深入分析消防应急定位于传统应用场景中天线配置、人体姿态等影响因素的差异，通过测量与统计建立 “面向复杂建筑环境消防员应急定位的TOA信号传输模型”。在关键算法方面，针对TOA信号传输受不同场景影响较大的实际情况，提出以信号传输模型、精确直视路径（Direct Path，DP）估计为基础的TOA测距与测向算法，设计并实现满足消防员应急应用中相对定位需求的移动基站定位算法和多目标协作定位算法。作为模型和算法的实际应用，完成消防员应急定位系统设计与开发，通过实际系统应用体现研究成果的价值。

在室内定位研究领域，如何在复杂建筑环境中找到遇险消防员是一个国际公认难题。为了解决这一难题，本课题以“以完善基于TOA的消防员定位系统提供理论支撑，为提升消防员的生命安全做出切实的贡献，在室内应急定位的理论和实际产品上取得国际领先的创新性成果”为研究目标，开展了面向复杂建筑环境消防员应急定位的TOA信号传输模型、面向复杂建筑环境消防员应急定位的测距与测向算法、复杂建筑环境消防员应急定位算法、模型和算法的实际应用等4个方面研究工作。.项目取得代表性创新成果包括： .①本项目首次将复杂建筑环境遇险消防员搜救定义成导航问题，而不是传统研究所定义的定位问题。这一问题定义比传统的问题定义更能反映问题本质。.②针对复杂建筑环境遇险消防员搜救，本项目提出了基于点对点三维相对定位的盲环境导航方法，为解决遇险消防员搜救奠定了理论基础。.③以基于点对点三维相对定位的盲环境导航方法为基础，项目组与天津市天安博瑞科技有限公司合作研发了“三维相对定位搜救器”、成套消防应急穿戴装备和应急指挥装备，形成了消防综合定位解决方案。上述产品被国家消防总局和20多个省市消防队采购应用，获得了应用单位：“在复杂的环境内可以引导搜救人员比较快速的找到报警队友；特别是前场队友之间的互救，更加及时高效”、“在建筑物任何角落报警，都可以很快的找到”、“相比以前的搜救方法，效率提高很多”、“实用性很强”、“快速解救报警队员”、“在室内任何角落，通过精确测距定位都可以很快找到”、“提升消防员安全防护水平”等肯定性评价。.本项目的理论研究成果在以IEEE期刊和国内一级学报为代表的高水平期刊和会议上发表论文20余篇，申请发明专利5项；本项目的消防员定位产品实现了产业化和广泛应用，取得了显著的社会效益和经济效益；基于项目理论研究和应用成果，项目负责人获得了省部级科技进步二等奖1项、全国性行业学会/协会科技进步二等奖3项。