基于信標導引的目標方位估計方法

李欣然，李小民，史 巖，古書銘

(1.河北工業大學 電氣工程學院，天津 300401；2.珠海科技學院 電子信息工程學院，廣東 珠海 519041)

0 引言

近些年，高齡老人迷路走失、兒童被拐失蹤、突發災害人員失聯的案例屢見不鮮，發生這些情況后，如何對失聯人員準確定位進而快速實施救援，避免發生意外和盡量減小傷害，是亟待解決的問題。以往采用發煙棒或燈光閃爍示警的方式，由于其作用距離近、持續時間短和遮擋地域可見性差等原因，戶外救援效果不佳；而采用“衛星導航接收機+移動通信”的救援手段，當被救援對象跌倒或者在狹窄室內環境時往往會因為衛星信號被遮蔽而不能可靠定位；此外采用配備mini手機的救援方法也存在諸多使用限制，一是若被救援對象由于身體狀況限制不能接聽電話，就不能實現定位。二是被拐兒童若被發現撥打電話可能會導致更嚴重的身心傷害。因此，以上這些手段都不能很好地適合在保證被救人員自身安全前提下可靠實施搜索救援的需要。有鑒于此，非常有必要探索適合迷路老人、被拐兒童、戶外探險驢友等合作目標快速救援需要，適應多種戶外、室內環境要求，能夠快速、準確進行測向定位的方法手段，進而保障救援工作的快速、準確實施。

1 系統結構及原理

論文研究了一種基于探測合作目標發出的信標信號，進而通過頻譜分析來快速估計目標方位和距離的戶外搜救導引系統，該系統綜合采用模塊化、嵌入式和便攜式思想進行設計，力求滿足野外環境下使用簡便、操作靈活、指示直觀等基本需求。系統組成結構如圖1所示，該系統主要由無線電信標、信標信號定向接收機、磁羅盤、北斗導航接收機和監控計算機等組成。其中無線電信標配屬于遠端合作目標對象，它可周期性地發射無線脈沖信號。信標接收機利用自身的定向天線接收信標信號，磁羅盤用于測量方位，北斗接收機用來測量地理位置，監控計算機用來協調處理全系統的工作。采用圖1所示的系統結構主要用于實現以下5項功能。

圖1 系統組成框圖

1.1 信標信號全向發射

遠端信標配置有全向天線，具有360°全向發射無線脈沖信號的能力。而且信標具有微型結構，可很方便地隱蔽安裝在合作對象上面(如安裝在老人或兒童身上)。

1.2 信標信號定向接收

信標接收機配置有八木天線，具有定向接收能力。而且信標接收機還可將接收到的信標信號下變頻為聲頻脈沖信號，以方便在戶外環境通過聲音的大小來判斷所接收信號的強弱。當信標接收機定向天線的指向與信標信號的來向一致時，接收到的信號功率最強、聲音最大，反之則弱。

1.3 信標信號數字化處理

通過聲音大小來判斷信標信號的強弱，進而確定信標信號的來向只能得到粗略、經驗性的定性結果。而要得到準確、定量的方位信息，還需要對信標信號進行進一步的數字化處理。具體方法是將下變頻后的聲頻脈沖信號輸入到計算機，然后通過計算機聲卡中的A/D模塊進行采集并變換為數字信號，其后再通過FFT變換處理成為聲譜信號，并以此進行頻率、幅度等特征分析，進而獲得表征信標位置的準確方位信息和概略距離信息。

1.4 信標信號掃描搜尋

無線電信標接收機安裝在轉臺上(在野外也可手持式工作)，在轉臺帶動下可在360°范圍內旋轉，用來掃描搜尋信標信號。當信標接收機定向接收天線的指向與無線信標的實際方向接近時，聲譜幅值逐漸增大。而當聲譜幅值超過預先設置的探測閾值時，表明定向接收天線的指向與信標實際方向一致，亦即搜尋到了合作目標的方位。

1.5 信標方位精確測量和距離概略估計

在搜尋到合作目標方位的基礎上，啟動電子磁羅盤來定量測量定向接收天線的指向方位數據，該方位即為信標接收機所在點與待搜尋合作目標的指向角度；然后通過北斗衛星導航接收模塊測量無線電信標接收機所在點的經緯度位置信息，再通過無線電波的衰減規律來概略估計合作目標距離信標接收機的距離。有了距離和方位兩種信息就可給合作目標進行定位。

1.6 搜救路線實時導引

按照掃描搜索得到的合作目標方位信息，引導搜救人員進行快速搜救，并在電子地圖上監測搜救路線，適時給予偏航修正引導；此外在搜救目標的過程中，可在不同地點再通過信標接收機測量合作目標的方位，以確保搜救方向的正確性。

系統工作時，微型無線電信標安裝在老人或兒童等合作目標的身上(如裝在衣服口袋里)。北斗接收機和磁羅盤與信標接收機固聯在一起，而信標接收機又固定在云臺上(應急使用時，信標接收機也可手持工作)。云臺在監控計算機控制下可以在方位和俯仰兩維平面上旋轉。監控計算機可以采集信標接收機傳輸來的聲波脈沖信號，并通過聲譜分析來探測信標信號幅度最大值點的定向天線方位指向，而該方位的定量數據可由磁羅盤測量得到，進而可為搜救失聯合作目標提供定量、準確的方位信息指引。

2 目標位置估計方法

目標位置估計方法的基本原理是“四結合”，亦即全向和定向相結合、定性測試和定量測試相結合、粗測和精測相結合、方位測量和距離估計相結合。其基本含義是無線信標在遠端全向發送脈沖信號，在搜尋端利用信標接收機通過其定向接收天線來搜尋信標信號；搜尋過程中可通過聲音大小來定性判別信標信號的方位和距離，又可通過數字化后的聲譜幅值來定量判別信標的方位和距離；在定量檢測信標方位過程中，通過快速粗掃描來概略搜尋信標信號的來向，接著在一定范圍再通過低速精確掃描來鎖定信標信號的方位；信標的方位可通過磁羅盤準確測量得到，而信標的距離可通過分析無線電波的衰減規律粗略估計得到。

該監控系統的設計，可保證變頻器處在最佳的工作狀態，不僅提高了變頻器和負載電動機的工作效率，節省耗電量，而且方便操作人員實時查詢變頻器的工作狀態，避免人工巡檢工作時效性差的弊端[1-2]。

在本搜救系統中就是利用了這一目標方位位置方法來定量確定合作目標的位置，進而引導搜救工作的快速、準確實施。在搜救系統中，信標信號的傳輸過程如圖2所示。定向接收天線通過SMA接口與信標接收機相連，用來傳輸高頻信號。而信標接收機輸出的下變頻聲波信號通過MIC音頻接口輸入計算機，接著再利用計算機內置的聲卡來對該信號進行A/D采樣處理。

圖2 系統信號傳輸流程

在搜救系統中，無線電信標選用的是馬歇爾追蹤器信標，該信標通過鋰電池供電，體積小巧可隱蔽安裝在老人或兒童等合作目標身上。信標通過全向天線發射信號，該信號是頻率為433 MHz、信號間隔為40 ms、脈寬為40 ppm的連續脈沖信號。發送天線的增益為4 dBd，在無遮擋地區的最遠傳輸距離約為60 km。無線電信標接收機選用的是馬歇爾的FM100型超外差追蹤接收機，它具有5個波段。為了兼顧在城市和郊外環境都能穩定地接收到信標信號，本系統選擇了432.000～435.999 MHz波段。該接收機的定向接收天線為折疊式八木天線，當天線對準信標方向時，接收信號幅度最強，反之幅度很弱。而在接收到信標信號后，信標接收機還將該信號下變頻為音頻信號，以方便用戶在戶外通過聲音強度來判斷信號的有無和強弱。

在本系統中，磁羅盤選用的是DCM260B型傾角補償式三維電子羅盤，該羅盤采用5 V電壓供電，方位測量精度為0.8°，采用RS232協議通過串口與計算機通信，且其小巧的體積可方便地與信標接收機的八木天線固聯在一起。在實際使用時僅需提取電子羅盤在水平面內的方位角航向數據，滾轉角和傾斜角數據可忽略。北斗接收機選用的是CodingCopper USB型北斗接收機模塊，它實際上是支持BDS、GPS、GLONASS三個系統的組合式衛星導航接收機模塊，具有搜星快速和定位可靠等典型特點。而且該模塊的定位更新率默認為1Hz，定位精度2.5m，采用標準的MEA-0183格式協議輸出數據并通過USB接口與計算機通信，滿足本系統應用。

監控計算機可采用PC104便攜式工控機、平板電腦或者筆記本電腦。其中PC104便攜式工控機由于具有豐富的對外接口，系統性能可通過板卡升級而獲得顯著提升，非常適合戶外搜尋領域；筆記本電腦的對外接口較多，通用性強，市場可選擇余地大，也可應用在戶外搜尋領域；但安裝安卓等操作系統的平板電腦，由于對外接口少，處理器性能較弱，不太適合戶外搜尋。在本搜救系統中，早期采用了筆記本電腦作為監控計算機，后期擬更換為專業性更強的PC104便攜式工控機。

2.1 目標方位精確測量

為了能夠準確、定量獲得信標的方位信息，本系統又對音頻脈沖信號進行了后處理。具體過程是計算機對從MIC接口輸入的音頻脈沖信號通過內置聲卡進行采樣(采樣率為44.1 KHZ，采樣位數為16 bit)，然后再通過自編軟件做FFT變換，轉變成聲譜信號并通過幅值-時間2維坐標顯示。圖3即為進行了FFT變換后得到的音頻脈沖信號頻譜圖。

圖3 音頻脈沖信號頻譜圖

為了精確測量無線信標的方位數據，本系統通過圓周掃描方式來控制云臺的旋轉，以此實現固連在云臺上的信標接收機對信標信號進行周期性地掃描探測。當實時采集的信號聲譜強度超過預先設定的閾值時，就表明信標接收機的定向天線指向了信標所在的方位，接著再利用磁羅盤精確測量并記錄定向天線當前的指向數據，該數據即為信標的方位數據。

為了能夠在環境噪聲背景下對信標信號進行可靠地檢測和準確判別，本系統采用了多組平均聲譜強度值來和閾值比較的方法，來消減隨機環境噪聲對正常信標信號的影響。具體做法是在每個方位點上采集150個信號樣本的聲譜值，然后每50個信號樣本為一組再做算術平均，進而得到3組平均的聲譜強度值。在一個方位點上只有當3組平均聲譜強度值均超過了閾值，才表示真正找到了信標的方位，搜尋狀態就由“目標搜尋”轉為“目標鎖定”。 需要說明的是，在實際使用時不能將閾值設置的太低，否則可能在多個方向上都能鎖定目標進而失去定向的作用。圖4為搜尋信號的狀態界面，其中的瞬時能量為實時采集得到的單次信號聲譜幅值，而累計能量即為算術平均后的平均聲譜幅值。

圖4 搜尋信號狀態界面

為了提高目標搜索的快速性和精確性，本系統設計了兩種掃描模式：一種是粗略快掃描，即以較大的步長，如5°/s或10°/s，在 0～360°范圍內進行快速掃描搜索信標信號。另一種是精確慢掃描，即當以快掃描粗略搜索到信標信號時，再在該信號指向附近以較小的步長，如1°/s或2°/s，在±10°范圍內精細的搜索信標信號，以保證對信標方位的精確定向。此外，在戶外搜救時，也可采用手持信標接收機模式進行360°轉圈掃描搜索，通過聽聲音強弱來概略估計信標的方位。圖5為云臺掃描控制界面，圖6為信標信號掃描顯示界面，圖7為信標方位掃描搜索流程圖。

圖5 云臺掃描控制界面

圖7 信標方位掃描搜索流程圖

在圖5的云臺掃描控制界面中，當云臺被安放在地面平坦場地時，一般僅在水平方向旋轉掃描；而當云臺被安放在樓頂、山頭等具有一定高度的地點時，可下俯一定的角度，如0°～ -10°，然后再在水平方向旋轉掃描。若長時間接收不到信標信號，俯視角度就需進行步進式調整。在圖6的信標信號掃描顯示界面中，不同同心圓的半徑是以表征不同距離的閾值來設置的，這樣若能探測到信標信號，就可很直觀的估計出其概略距離。

2.2 目標距離概略估計

無線電信號在空間傳輸時，信號功率隨著傳輸距離的增大而逐漸衰減，其衰減規律如式(1)所示。利用該衰減規律，在接收端通過檢測接收到的信號功率，就可概略估計出合作目標與信標接收機之間的距離。

(1)

在本搜救系統中，主要通過設置接收信號的閾值來估計接收到的信號功率，進而估算合作目標與信標接收機之間的距離。

這里閾值表示兩種含義，一是表示在背景噪聲中識別出信標信號的最小接收信號幅度，二是表示信標與接收機之間的概略距離。由于信號傳播衰減、場地環境遮擋、環境干擾等的差異性，信標在不同距離點處發射全向脈沖信號，遠端信標接收機通過定性天線接收到的信號強度大都不一樣，因此采用固定的探測閾值顯然不合適。為此，在搜救系統中采用了與距離關聯的試探式多閾值設置方法，并通過兩個階段來確定閾值。一是事前閾值標定。事先在不同的場地環境(如郊區原野、市內、丘陵山地等等)，在距離接收機不同距離點處放置信標(如1 km、2 km、3 km、5 km、8 km、10 km等)，然后記錄接收機接收到的信號幅度值數據，接收多組數據并采用算術平均法得到不同距離點的平均幅度值，進而將該幅度值設置為探測閾值，并用來作為估算信標與接收機之間距離的概略標準；二是試探式閾值切換。系統工作時，為保證既能探測鎖定信標信號又能估算出距離，采用步進式試探方式來切換閾值。即先以較小的閾值來探測信標信號，若能檢測出信標信號并可靠鎖定，就再逐次切換為大一些的閾值，直到基于當前閾值信標信號不能可靠鎖定為止。亦即先通過設置較小的閾值來探測信標信號的有無，然后在能可靠鎖定信號的基礎上，試探式地再逐步增大閾值，利用能保持鎖定的最大閾值來估計信標與接收機之間的距離。需要說明的是，實際使用時，由于環境條件可能發生較大變化，距離估計誤差可能較大。

2.3 干擾野值剔除

在系統工作過程中，接收的信標脈沖信號由于偶然因素(如磁暴、非正常天氣等)以及環境干擾等會產生隨機的幅值極大值點，往往會由于超過了閾值而被誤判定為搜尋到了目標，此即為野值。野值的出現往往會造成誤判，導致搜尋的可信度下降，因此必須將其剔除。鑒于野值的出現具有突發隨機特點，本系統采用了兩種剔除方法。

2.3.1 基于算數均值的野值剔除

當接收信號的幅值極大值點出現時，云臺停留在該點方向，接收機采集3組數據(每組50個采樣值)并計算其算數均值，若均值小于閾值，則判定為野值，云臺再啟動掃描旋轉，繼續搜尋目標；若均值大于閾值，則判定為搜尋到了目標，可再轉為慢掃描狀態精確搜尋目標。實際工作時，為判定野值而采集信標信號的樣本數可適當大一些，因為有時野值很大，利用較少的樣本計算出的均值也可能超過閾值，從而會造成誤判。具體采集樣本的數量，可采用事前到不同的場地進行實測來估算得到，一般情況下采集3組信標信號樣本都能較好地剔除野值。

2.3.2 基于信標特征的野值剔除

在本系統中，信標發出的脈沖信號間隔為40 ms，信標接收機接收到該脈沖信號后，下變頻成間隔為1 s的聲頻脈沖信號，它是固定周期信號。而隨機的干擾信號不具有這種固定周期特征。因此，當第一次接收信號的幅值極大值點出現時，云臺停留在該點方向，采集10 s內幅值極大值點出現的次數，若次數少于10次就判定為野值，否則判定為搜尋到了目標。

系統實際工作時，可先采用基于信標特征的野值剔除方法來處理疑似的野值數據，然后再采用基于算數均值的野值剔除方法加以核實驗證。

3 系統測試

通過將微型無線信標、信標接收機、電子磁羅盤、衛導接收機和監控計算機等硬件進行綜合集成，并結合模塊化軟件設計手段開發了集信標信號全向發射、信標信號定向接收、數字化采集處理和聲譜分析、信標方位精確測量和距離概略估計于一體的合作目標搜救導引系統，系統樣機如圖8所示。

圖8 系統樣機

系統測試的基本原理是利用系統樣機，在遠郊田野和城市街邊兩種環境，將信標接收機放置于固定點位，而將無線信標放置于不同距離的測試點位，然后就信標接收機接收信號后的鎖定情況、方位角定量測量情況和距離估計情況分別進行測試，以此來評估系統樣機的可用性和目標位置估計方法的可行性。

具體的測試步驟規劃如下：將信標接收機放置于事先選好、周圍遮擋物較少的固定點，必要時可放置于樓頂。而將無線信標分別放置于15 km范圍內、以0.5 km或1 km為徑向間隔、以45°為角度間隔的不同測試點來進行測試實驗(間隔距離可通過衛導接收機的經緯度數據來推算，間隔角度可通過磁羅盤測量得到)。測試地點分布示意圖如圖9所示。圖9的中心點放置信標接收機，每個黑點即為測試點，用于放置無線信標。而且最內測圓距離中心點的距離為5 km(郊區環境)或2 km(城市環境)，相鄰圓之間的徑向距離為1 km(郊區環境)或0.5 km(城市環境)。不失一般性，為了簡化測試步驟，測試點主要在水平方向和垂直方向各自選擇了5個點位，在45°角方向選擇了2個點位，在135°角方向選擇了1個點位。而且水平方向和垂直方向也并不是嚴格的地理0°和90°。實際測試時，在郊區環境，通過電子羅盤測試選擇了10°航向角作為水平方向，城市環境選擇了30°航向角作為水平方向。

圖9 測試點分布示意圖

測試時，不同距離的檢測閾值根據閾值標定階段環境測試的結果來設置，設置的主要依據是在環境噪聲背景下保證能夠在合作目標方向上檢測并鎖定信標信號。

兩種環境中信號鎖定情況測試結果分別如表1和表2所示，方位和距離測試結果分別如表3和表4所示。

表1 郊區環境信號鎖定情況測試結果

表2 郊區環境方位和距離測試結果

表3 市區環境信號鎖定情況測試結果

表4 市區環境方位和距離測試結果

由表1和表2可見，在郊區環境由于遮擋物較少，地面比較平坦，無線信號直線傳輸比較順暢，閾值設置的較大；而在城市環境，鱗次櫛比的高大建筑物對無線信號遮擋嚴重，因此在相同的距離上閾值設置的小一點。而且測試結果表明，在遠郊平坦的田野環境下，10 km以內都能穩定地接收并鎖定信標信號，進而可測量其方位。超過10 km后接收信號的穩定性變差，有時由于信號太微弱而不能鎖定；在城市環境由于建筑物的遮擋，在地面5 km以內能穩定接收并鎖定信標信號，進而也可測定其方位。超過5 km后接收信號的品質逐漸變差，鎖定信標信號的次數逐漸降低。而若將信標接收機架設到高樓的樓頂，信號的接收情況明顯改善，10 km以內都能穩定地接收并鎖定信標信號。

由表3和表4可見，在對信標信號保持穩定鎖定的情況下，啟動電子羅盤即可測量定向天線的磁航向角，該角度也就是信標接收機與合作目標連線的方位角。本文所選電子羅盤的航向角精度為0.8°，角度分辨率為0.1°，其精度指標滿足戶外搜尋的需要；距離估計值，主要是利用信號鎖定情況下的最大閾值來概略估計，由于無線信號傳輸環境的不確定性，測試中僅僅對信標接收機與無線信標之間的距離范圍進行了估計，并不是精確的直線距離。測試結果表明距離范圍估計值與實際的直線距離比較吻合。滿足戶外搜索救援的基本需要。

4 結束語

通過對信標信號進行FFT變換處理，進而依據頻譜幅值與閾值的比對結果來搜尋并鎖定信標信號，保證信標接收機的定向天線穩定指向合作目標所在的方向。在此基礎上再通過電子羅盤和北斗接收機來定量測量合作目標的方位，并概略估計其距離。這種方法在郊區環境和城市環境都能較好地適應對合作目標快速搜救和探測導引的需要。

但測試結果表明，在郊區遮擋物較少的環境，可在較大的范圍內進行探測搜救。而在城市環境，遮擋物多，環境噪聲復雜，能實施可靠探測搜救的范圍明顯減小。可以預測，若將信標接收機放置于無人機上，地面遮蔽物的影響會顯著減小，搜索到地面信標信號的概率會明顯增大，能更好地滿足大范圍、快速準確搜救的需要，使用場景也會更廣闊。