無人機載LoRa空地感知定位應急搜救系統(tǒng)設計與應用

摘 要：為降低復雜環(huán)境下應急搜救作業(yè)人員的傷亡風險并提升救援效率，利用空中喚醒、LoRa感知定位等技術以及空地感知融合定位算法，開展無人機對地掃描飛行姿態(tài)角對LoRa傳輸角度影響的探究工作，對比分析傳統(tǒng)衛(wèi)星定位設備與LoRa物聯(lián)網(wǎng)模組的性能差異，進行無人機載LoRa空地協(xié)同定位策略研究及應急搜救系統(tǒng)設計與實現(xiàn)工作。研究表明：在戶外山谷環(huán)境中無人機載LoRa基站對地信號接收方位角不受環(huán)境限制，而且無人機載LoRa空中喚醒模組的功耗遠低于衛(wèi)星定位設備。經(jīng)實地驗證，研究設計的無人機載LoRa空地感知定位應急搜救系統(tǒng)在戶外復雜環(huán)境下開展緊急搜救，能夠有效實現(xiàn)長續(xù)航、快響應、定位準等效果，是一種便攜的空地感知融合定位搜救方式，對降低人員傷亡風險、提高救援效率有顯著作用。

關鍵詞：應急搜救；LoRa；無人機；空地感知；三維空間定位

中圖分類號：X 924.4；P 228.4

文獻標識碼：A" 文章編號：1672-7312（2025）01-0081-08

Design and Application of Unmanned Aerial Vehicle LoRa

Air-ground Sensing and Positioning Emergency

Search and Rescue System

QIU Yonghao^1，2，3，YANG Wenjing^1，3，SHANG Kang^1，3，ZHOU Jiangpai2

（1.CEC Spark Platform Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China；

2.Xihang Tiandchen Joint Laboratory for Flight Control Simulation，Xi’an 710054，China；

3.Uav Flight Control Technology and Safe and Trusted Applications Laboratory，Yan’an 716000，China）

Abstract：In order to reduce the casualty risk of emergency search and rescue workers in complex environment and improve the rescue efficiency，the influence of UAV’s ground scanning flight attitude angle on the transmission angle of LoRa is explored by using technologies such as airborne wake-up，LoRa sensing positioning and air-ground sensing fusion positioning algorithm，and the performance difference between traditional satellite positioning equipment and LoRa IOT module is compared and analyzed，and the air-ground collaborative positioning strategy based on unmanned aerial vehicle LoRa and the design and implementation of emergency search and rescue system are carried out.The research shows that the azimuth angle of the ground signal received by the unmanned airborne LoRa base station is not limited by the environment in the outdoor valley environment，and the power consumption of the unmanned airborne LoRa airborne wake-up module is significantly lower than that of the satellite positioning equipment.After field verification，the unmanned airborne LoRa air-ground sensing and positioning emergency search and rescue system designed in this study can effectively achieve the effects of long battery life，quick response and accurate positioning in outdoor complex environment.It is a portable air-ground sensing and positioning search and rescue method，which has a significant effect on reducing the risk of casualties and improving rescue efficiency.

Key words：emergency search and rescue；Long Range Radio（LoRa）；UVA；air-ground sensing；three-dimensional space positioning

0 引言

近年來，河南鄭州“7·20”特大暴雨災害、甘肅積石山6.2級地震以及京津冀嚴重暴雨洪澇災害等突發(fā)事件造成了嚴重的人員傷亡及社會經(jīng)濟損失^[1-3]。在突發(fā)災害事件發(fā)生的過程中，致災因子、孕災環(huán)境、承災體3種因子在時間和空間維度的交織變化，對突發(fā)安全事件的影響也會發(fā)生變化，繼而會引發(fā)一系列災難性的人員傷亡及財產損失事故^[4]。突發(fā)事件發(fā)生后，受災區(qū)域時常出現(xiàn)通信中斷、山區(qū)無線節(jié)點組網(wǎng)困難、災區(qū)人員位置不明、災害現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)感知滯后的問題，這給應急救援帶來了極大挑戰(zhàn)。快速獲取被困人員位置，實時感知災區(qū)現(xiàn)場狀況，建立受困人員、救援人員和指揮中心間實時雙向的通信聯(lián)絡，將有助于研判救援行動的安全性，提升應急搜救的及時高效性^[5-6]。

盡管目前我國在突發(fā)自然災害緊急搜救技術方面取得了一系列成果，但在山區(qū)突發(fā)災害的復雜環(huán)境下通信網(wǎng)絡快速重構、人員位置信息感知等關鍵技術和自主化裝備方面研發(fā)力量尚為薄弱，在戶外復雜環(huán)境中開展失聯(lián)人員的緊急搜救成本高且難度大，這些成為亟需解決的現(xiàn)實問題。定位技術是物聯(lián)網(wǎng)多數(shù)應用場景的基礎，盡管全球定位系統(tǒng)（GPS）、北斗定位系統(tǒng)是解決多數(shù)定位問題的常用策略^[7-8]，但在山高林密的復雜戶外環(huán)境開展人員搜救時，衛(wèi)星定位設備受地形的限制不便于攜帶，經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷等問題。加之衛(wèi)星定位設備自身存在的功耗大、待機時間短等諸多弊端，不僅制約著衛(wèi)星定位的實際應用，還嚴重影響到應急搜救工作的開展。面對這些客觀因素，政府機構及社會救援力量也急需一種不依賴衛(wèi)星，自成體系的定位系統(tǒng)。

LoRa（Long Range，低功耗遠程無線信號）是低功耗遠程無線通信技術，實現(xiàn)了長距離、低功耗通信^[9]。此外，基于LoRa的通信技術既可以進行數(shù)據(jù)傳輸，也可以在無需增加額外設備的環(huán)境中計算節(jié)點位置，目前的一些研究成果已證實，LoRa技術能夠應用于定位系統(tǒng)^[10-11]。隨著我國無人機技術的快速發(fā)展，低空遙感成為衛(wèi)星遙感定位的主要補充，無人機常常被利用在快速緊急搜尋的事故現(xiàn)場，通過在目標區(qū)域以低飛巡查的方式進行救援活動^[12]，但由于無法得到失聯(lián)者的精準位置，往往會耽誤搜救的黃金時間，進而造成遇險人員身體受損甚至失去生命^[13]。為此，針對戶外復雜環(huán)境中緊急搜救作業(yè)，提出基于LoRa空地感知定位應急搜救的技術及解決方法，構建空地一體化應急搜救體系。通過研究，以期彌補在復雜環(huán)境中進行緊急救援時衛(wèi)星定位設備出現(xiàn)的諸多短板，同時為巡檢、消防、勘測等應急安全領域提供技術借鑒和實踐經(jīng)驗。

1 空地感知定位應急搜救系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)可行性分析

1.1.1 無人機研發(fā)技術相對成熟

近年來，作為低空經(jīng)濟核心板塊的無人機產業(yè)成為新質生產力的代表，當前中國的無人機產業(yè)在全球已處于領先地位，并且未來幾年仍將保持快速增長的態(tài)勢^[14]。在無人機可靠性與安全性方面，國內已積累了頗為豐富的技術成果和研發(fā)經(jīng)驗。其中，作為無人機飛行控制核心的飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控系統(tǒng)）已然較為成熟，能夠確保無人機精確、安全地執(zhí)行各種任務，這為無人機應急救援的技術研發(fā)提供了有力支撐^[15-16]。

多旋翼、復合翼以及固定翼是常見的無人機類型，各具特點和優(yōu)勢，能夠依據(jù)不同的應用場景，與LoRa技術的喚醒、感知及定位需求進行適配。多旋翼無人機因其自身特性，適合低空飛行以及懸停搜索，能夠在特定區(qū)域進行細致的搜索作業(yè)；復合翼無人機則適合低空盤旋搜索，可在低空實現(xiàn)較為靈活的盤旋探測；固定翼無人機因其速度優(yōu)勢，適合大面積的快速搜索，能夠在短時間內覆蓋較大范圍。上述類型無人機在低空領域都有著出色的表現(xiàn)，能滿足應急救援場景的應用需求。

1.1.2 LoRa技術和衛(wèi)星定位技術協(xié)同

在現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展中，LoRa技術展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢^[17-18]。LoRa技術能夠以相對較低的發(fā)射功率實現(xiàn)更為廣泛的傳輸范圍，這種顯著特性使得它在戶外定位緊急搜救領域具有極高的適用性。

LoRa技術作為一種低功耗廣域技術，在復雜的戶外空間中，尤其在信號覆蓋困難的區(qū)域不僅能夠穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)傳輸，而且確保了信息傳遞的有效性。將LoRa技術與無人機飛控系統(tǒng)的衛(wèi)星定位技術相結合，通過無人機的靈活飛行和LoRa技術的穩(wěn)定傳輸，能夠快速、準確地獲取目標位置信息，為救援行動爭取寶貴的時間。在復雜多變的戶外環(huán)境中，無論是地形的阻礙、信號的衰減還是其他干擾因素，都能夠在一定程度上被有效應對。LoRa技術與無人機飛控系統(tǒng)的衛(wèi)星定位技術將在定位搜救領域協(xié)同發(fā)展，應用效果還將不斷提升。從實際應用考慮，該技術路徑是一種更為高效、精準的戶外定位搜救手段。

1.1.3 LoRa高精度定位技術適用于戶外復雜環(huán)境

在眾多突發(fā)性災害中，大多數(shù)災害往往發(fā)生于野外復雜環(huán)境之下^[19]。在此情境中，人員失聯(lián)或落水失蹤等情況常常發(fā)生，當人員在較小區(qū)域內失聯(lián)，一般通過地面搜救方式能夠較為容易地找到目標。然而，面對大面積區(qū)域進行緊急搜救任務，情況往往會變得異常復雜。在大面積區(qū)域中開展緊急搜救工作，按以往經(jīng)驗若能將失聯(lián)人員的位置精準鎖定在半徑100 m的可視范圍，再配以地面搜救行動，便能夠快速有效地展開救援工作。由此可見，精準定位在戶外緊急搜救中至關重要。

LoRa定位技術所表現(xiàn)出的高精度定位性能，已經(jīng)具備在復雜野外環(huán)境中實現(xiàn)相對準確定位的能力，能夠在較大范圍的區(qū)域內有效確定目標位置，為搜救行動提供關鍵指引。具體來說，LoRa定位技術的優(yōu)勢在于能夠適應野外復雜多變的環(huán)境條件，如地形起伏、信號干擾等。此外，在各種惡劣自然條件和復雜電磁環(huán)境中，LoRa定位技術依然能夠保持相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，持續(xù)為緊急搜救行動提供準確位置信息。因此，LoRa高精度定位技術完全滿足戶外復雜環(huán)境下搜救工作的開展需求。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

經(jīng)過以上技術調研及研究，在現(xiàn)有無人機飛控系統(tǒng)、LoRa定位技術及衛(wèi)星定位技術的基礎上，可以確定空地感知定位應急搜救系統(tǒng)的設計。

1.2.1 人員定位功能

在戶外復雜環(huán)境中，人員佩戴的LoRa信標在常態(tài)下能夠保持休眠狀態(tài)，以節(jié)省能耗并延長使用壽命，滿足戶外長續(xù)航、保障系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)需求。當接收到喚醒指令時，LoRa信標能夠迅速做出響應并實時反饋信號，準確定位人員位置。

1.2.2 低空搜救功能

無人機搭載LoRa基站，以低空飛行或盤旋飛行的方式對地面區(qū)域進行覆蓋式掃描飛行。同步向地面發(fā)送喚醒指令，在接收到地面LoRa信標的反饋數(shù)據(jù)后，結合無人機飛控系統(tǒng)和定位算法，精確鎖定LoRa信標的坐標位置，并將坐標數(shù)據(jù)發(fā)送到地面控制系統(tǒng)，為救援人員提供決策依據(jù)，贏得寶貴救援時間，提高救援效率。

1.3 系統(tǒng)性能需求分析

在系統(tǒng)性能需求分析階段，充分考慮了國家及行業(yè)相關標準要求，以切實保障應急搜救系統(tǒng)在突發(fā)災害的復雜救援環(huán)境中運行的安全性、穩(wěn)定性與可靠性。研究依據(jù)并參考了GB/T 41205.3—2021《應急物資編碼與屬性描述 第3部分：搜救設備》、YJ/T 1.3—2022《社會應急力量建設基礎規(guī)范 第3部分：山地搜救》、YJ/T 1.4—2022《社會應急力量建設基礎規(guī)范 第4部分：水上搜救》等標準中關于搜救系統(tǒng)設備建設和搜救工作開展的規(guī)范要求。

1.3.1 系統(tǒng)處理的準確性和及時性

應急搜救系統(tǒng)的準確性和及時性對于救援工作至關重要。在系統(tǒng)設計開發(fā)階段，需要充分考慮其所面對的復雜環(huán)境，以及應急搜救工作中對定位精度和時效性的要求。系統(tǒng)的定位精度和部署便捷性必須滿足應急搜救的需求，以確保救援工作的準確性、高效性。因此，在設計和開發(fā)應急搜救系統(tǒng)時，須注重提高系統(tǒng)在戶外復雜環(huán)境中的定位精度，以滿足實際應急搜救任務的需求。通過確保關鍵性能，可最大限度減少應急救援中的誤差和延誤，提高響應效果和救援成功率。

1.3.2 系統(tǒng)的開放性和系統(tǒng)的可擴展性

在應急搜救系統(tǒng)的開發(fā)過程中，應充分考慮未來的可擴展性，例如搜救對象可能由人員擴展到動物等。為實現(xiàn)此功能，系統(tǒng)的設計應為開放式，即只要符合系統(tǒng)的邏輯規(guī)則，就可以簡單地對系統(tǒng)進行模塊的添加或刪除，對系統(tǒng)硬件進行重

新配置，通過對軟件升級替換，就可實現(xiàn)系統(tǒng)應用。

1.3.3 系統(tǒng)的易用性和易維護性

應急搜救系統(tǒng)的使用人員不一定對無人機系統(tǒng)有很深的了解，因此需要提供易于使用的人機交互界面。因此，系統(tǒng)應該盡量使用用戶熟悉的術語和中文界面，便于用戶的理解和操作。同時，針對用戶可能遇到的問題，系統(tǒng)應該提供足夠的在線幫助，例如操作指南、常見問題解答等，以縮短用戶熟悉系統(tǒng)的過程。

1.3.4 系統(tǒng)的標準性

系統(tǒng)在設計開發(fā)使用過程中涉及的計算機硬件、軟件等都要符合主流國際、國家和行業(yè)標準，這些標準包括但不限于數(shù)據(jù)傳輸標準、通信協(xié)議、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡協(xié)議等。遵循這些標準可以確保系統(tǒng)在不同平臺和環(huán)境中正常運行，提高系統(tǒng)的兼容性和可靠性。同時，遵循國家和行業(yè)的安全標準也可以保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1.3.5 系統(tǒng)的部署響應速度

由于應急搜救系統(tǒng)使用場景的特殊性，使其對時間的要求極為苛刻，時間關乎失聯(lián)人員的生命安全，因此系統(tǒng)的部署時間越短越好，系統(tǒng)啟動響應的速度要按照秒的級別考慮，保障操作人員不會因為系統(tǒng)部署速度問題而影響緊急救援的效率。

2 空地感知定位應急搜救系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體構成

空地感知定位應急搜救系統(tǒng)從主體結構上分為天空端、地面端。天空端以應急搜救無人機和機載LoRa基站為主，主要在于喚醒指令的發(fā)布以及地毯式對地掃描飛行，實現(xiàn)快速高效的大面積空中搜索。地面端以LoRa信標（接收機）和地面搜救平臺為主，LoRa信標可佩戴附屬于人體、物體表面，功耗低至22 dB，續(xù)航長達6～12個月甚至更長時間。地面搜救平臺主要是基于無人機地面控制系統(tǒng)進行功能設計，接收機載LoRa基站發(fā)送的數(shù)據(jù)，結合感知定位融合算法進行處理并實時呈現(xiàn)出信標、無人機及地面控制系統(tǒng)所在坐標位置，同步向救援指揮中心發(fā)送坐標數(shù)據(jù)，便于搜救決策。無人機載LoRa空地感知定位應急搜救場景示意如圖1所示。

2.2 功能模塊設計

系統(tǒng)主要硬件分為4個部分，應急搜救無人機、機載LoRa基站、LoRa信標、地面控制系統(tǒng)，如圖2所示。

應急搜救無人機具備自動飛行、航線規(guī)劃、定高飛行、定點飛行、自動返航、自動避障、自動識別、跟蹤飛行等功能，續(xù)航≥120 min，飛行半徑15～30 km。

機載LoRa基站和地面LoRa信標屬于一組物聯(lián)網(wǎng)模塊。在執(zhí)行任務時，無人機飛控系統(tǒng)協(xié)同機載LoRa基站按照信號強度、反饋時間，并結合實際感知數(shù)據(jù)計算出LoRa信標的基本位置。同時，依據(jù)無人機坐標向地面控制系統(tǒng)或應急救援平臺發(fā)送失聯(lián)目標的精確位置，從而為應急搜救工作提供依據(jù)。為了加大地面LoRa信標的接收角度，減少遮擋因素，機載LoRa基站掛載于無人機腹部，隨著無人機的飛行搜索，可大角度發(fā)送喚醒指令，同時錐形結構可降低風阻。其次，殼體材質選用透波材料進行加工，減少信號衰減。機載LoRa基站上部預留有通道方便LoRa模組與飛控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，同時無人機鋰電動力系統(tǒng)也為LoRa基站提供穩(wěn)定電源，如圖3所示。

LoRa信標根據(jù)應用場景和使用方式的不同，按照佩戴式、腕表式、臂章式及外掛式多種結構設計，如圖4所示。還可根據(jù)需要采集人體生命體征數(shù)據(jù)，LoRa信標支持RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示定位法）信號強度指示功能，可應用于測距、評估信號質量、改善通信網(wǎng)絡等多種操作。

地面控制系統(tǒng)是使用者對搜救無人機進行任務規(guī)劃和運行狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)，包括飛行配置、飛行模式、航線規(guī)劃、定位算法模塊、自動歸航5部分，其平臺框架如圖5所示。

機載LoRa基站接收到LoRa信標反饋的數(shù)據(jù)，通過JAT接口傳輸至無人機飛控系統(tǒng)后，數(shù)傳系統(tǒng)持續(xù)將數(shù)據(jù)傳送至地面搜救平臺。

地面控制系統(tǒng)包含數(shù)傳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分類及定位算法模塊，對接收到的數(shù)據(jù)進行逐級處理，最終計算出LoRa信標位置坐標，并在地面搜救平臺地圖界面上進行呈現(xiàn)，如圖6所示。

2.3 系統(tǒng)運行流程設計

空地感知定位應急搜救系統(tǒng)在執(zhí)行任務時，地面遠程控制應急搜救無人機到達目標區(qū)域后，通過無人機飛控系統(tǒng)發(fā)送指令至機載LoRa基站，并啟動空中喚醒功能；機載LoRa基站會以廣播形式不斷向地面發(fā)送喚醒指令；當?shù)孛鍸oRa信標接收到喚醒指令后將立即啟動進入信號接收狀態(tài)，并向外界發(fā)送反饋信號。此時，機載LoRa基站根據(jù)信號強度判定信標位置并反饋到飛控系統(tǒng)，結合無人機衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過算法功能精確計算出個人信標位置坐標，最終將坐標數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，地面救援隊伍根據(jù)指揮中心指令第一時間實施精準搜救作業(yè)，其系統(tǒng)運行流程如圖7所示。

3 空地感知定位搜救關鍵技術及應用

3.1 無人機技術

無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）俗稱無人機，是無人駕駛飛機系統(tǒng)（Unmanned Aircraft System，UAS）的組成部分，UAS包括一架無人機、一個地面控制器，以及兩者之間的通信系統(tǒng)。

3.1.1 工業(yè)無人機

無人機按照主要用途分為消費級和工業(yè)級兩類。工業(yè)無人機可替代人類在無法接觸或到達的復雜環(huán)境中工作，具有高效、精準、便捷的優(yōu)勢，人員可遠程操控其飛行或使其自主飛行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集、存儲及傳輸，其具備較強的航線適應性和抗惡劣環(huán)境的能力。

工業(yè)無人機的主流應用場景基本上已經(jīng)比較明確和清晰，比如消防應急、空中運輸、巡檢、安防等領域，集中度較高，但目前產品性能并不能很好滿足應用需求，許多關鍵技術仍待突破。

3.1.2 應急救援無人機

救援具有黃金期，搶時間就是搶生命。傳統(tǒng)救援主要依賴于車輛、船只等，而采用無人機實施空中救援有很好的靈活機動性，部署方便快捷，地面人員可遠程操控，提高了救援效率，另外還可通過空中運輸應急救援物資到達災區(qū)。1）城市消防。在城市環(huán)境中，應急救援無人機通過搭載光電吊艙對地面的火情或事故現(xiàn)場進行巡查、拍攝并將畫面實時回傳至救援中心或前指中心，為救援方案的制定與實施提供決策依據(jù)。2）森林消防。

在戶外森林環(huán)境中，無人機替代森林巡護員，搭載光電吊艙低空巡查，對火情發(fā)展趨勢進行拍攝偵查，對地面火災復燃進行巡護，能夠長時間巡航，是人工巡護所不能相比的，還可以為消防救援人員空投應急食品、飲用水和單兵滅火裝備等物資。3）自然災害救援。

針對自然災害頻發(fā)，應急救援無人機作為平臺型產品，可針對不同災害實施多種救援。疫情期間可實施空中噴霧消殺；洪澇災害期間可空中喊話疏散、夜間空中照明或者拋投救生圈等；地震災害期間可巡查搜索人員，機載空中基站可提供應急通信保障等。

3.2 空中喚醒技術

WOR（Wake On Radio，無線喚醒）技術是通過減少接收端射頻處于接收狀態(tài)的時間，而在其余時間使設備處在深度睡眠模式來降低設備整體功耗。LoRa信標周期性自動醒來搜尋空中無人機載LoRa基站發(fā)出的呼叫信號。如果無呼叫信號，LoRa信標會繼續(xù)進入睡眠狀態(tài)以降低功耗；如果出現(xiàn)呼叫信號，LoRa信標會被喚醒并進入信號接收狀態(tài)。因此，在空中沒有呼叫信號時處于睡眠狀態(tài)，LoRa信標的平均功耗明顯降低，以此實現(xiàn)長續(xù)航待機。

3.3 LoRa感知定位技術

LoRa技術是通過到達時間差（Time of Arrival，TOA）或到達時間差測量（Time Difference of Arrival，TDOA）的原理實現(xiàn)地理定位。2020年，郭建新等人構建了基于LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)通信的海上作業(yè)人員定位系統(tǒng)，其主要依靠北斗定位通信鏈路技術和AIS-MOB（AIS便攜式應急示位標）技術來實現(xiàn)定位，但LoRa技術僅僅用于數(shù)據(jù)的傳輸^[20]。2021年，李露等學者利用LoRa的通信優(yōu)勢，進行了基于北斗定位與LoRa無線技術的野外搜救監(jiān)測系統(tǒng)的設計及研究，在定位方面未開展相關研究^[21]。2020年，許璐等人提出了一種基于LoRa技術融合RSSI和TOA的戶外定位方法，通過多種方式提高定位準確性，且經(jīng)實測證明了其可用性，但仍存在精度不高和數(shù)據(jù)傳輸復雜的問題，需要在算法、實測及網(wǎng)關等方面進一步提升定位精度^[22]。

當LoRa信標需要定位時，LoRa定位技術可以借助空中無人機衛(wèi)星定位系統(tǒng)與衛(wèi)星定位技術的結合，將采集到的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）信息通過機載LoRa基站傳輸?shù)胶笈_，經(jīng)過計算或數(shù)據(jù)庫查詢來確定其相對于衛(wèi)星的位置。理論分析和實驗結果表明，融合RSSI和TOA的定位方法能夠有效篩選數(shù)據(jù)，且定位誤差減小了20%，穩(wěn)定性較高，可用于戶外定位，定位精度在半徑20～200 m范圍，滿足搜救工作的開展需求。

3.4 無人機衛(wèi)星定位技術

無人機飛行主要依賴于飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)一般內置了控制器、陀螺儀、加速度計和氣壓計等傳感器，無人機便是依靠這些傳感器來穩(wěn)定機體，再配合北斗、GPS及氣壓計數(shù)據(jù)，便可將無人機鎖定在指定的位置和高度^[23-24]。無人機定位是通過其攜帶的GPS或北斗定位模塊接收全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)信號，通過相應計算和轉換獲得當前位置信息。戶外復雜環(huán)境開展緊急搜救使用衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位會產生較大誤差，為了降低誤差對定位結果的影響采用Kalman濾波方法^[25]。考慮Kalman濾波器在預測模型不能很好估計狀態(tài)向量時可能出現(xiàn)計算錯誤的問題，研究采用自適應健壯Kalman濾波算法，可以很好地將定位誤差控制在可接受范圍內。

3.5 系統(tǒng)應用及效果分析

為驗證空地感知定位應急搜救系統(tǒng)的實際效果，選定陜西省某林業(yè)局管轄的秦嶺南麓片區(qū)作為測試區(qū)域。該區(qū)域面積廣闊，號稱秦嶺中的“死亡之谷”，已連續(xù)5年失蹤46人。此地復雜的地形致使人工搜救工作開展困難重重，還增加了衛(wèi)星定位設備和衛(wèi)星電話使用的難度。鑒于此，研究人員與該地區(qū)某林業(yè)局聯(lián)合，將該系統(tǒng)應用于秦嶺南麓片區(qū)的應急救援任務中。

3.5.1 應用場景介紹

根據(jù)應急搜救任務需求，該應急搜救系統(tǒng)以四旋翼無人機搭載LoRa基站作為天空端設備，以地面控制系統(tǒng)和人員佩戴式LoRa信標作為地面端系統(tǒng)。天空端搜救無人機續(xù)航時間為50 min，巡航速度按照15 m/s設計，同時搭載喊話系統(tǒng)，可遠程對地面搜救人員進行喊話指導；機載LoRa基站采用國內知名品牌模組，電源采用無人機動力電源轉換供電，2架無人機A1和A2分別配備地面控制系統(tǒng)，在林區(qū)選擇合適的位置控制無人機的起降；LoRa信標以掛牌式設計，電源采用紐扣電池供電，佩戴于搜救人員身上。應急搜救任務在選定的2個地點進行，2架搜救無人機A1、A2在200 m高度以盤旋式、地毯掃描式等飛行方式開展目標搜索。

3.5.2 效果分析

系統(tǒng)于上述復雜環(huán)境下的應急救援工作中，圓滿完成了一系列搜救任務。考慮本次搜救過程所使用的無人機、機載 LoRa 基站和 LoRa 信標等均是依據(jù)任務需求進行配置，且皆為固定電源供電，其性能等參數(shù)為固定值。故而，結合實地驗證所獲取的數(shù)據(jù)，著重對空地感知定位搜救系統(tǒng)中LoRa信號傳輸效果、LoRa定位效果以及系統(tǒng)的整體作業(yè)效果展開分析。1）LoRa信號傳輸效果。

在密林、疏林、空曠草地環(huán)境下，LoRa信標無線信號由常規(guī)的橫向穿越傳輸改變?yōu)槊嫦蛱炜盏目v向傳輸，或者只接收天空方向的信號；在密林環(huán)境中，地面向天空的遮擋物相對較少，對于LoRa信標無線信號的遮擋干擾降低，信號衰減也隨之減少。

在天空端由無人機掛載LoRa基站，以低空盤旋式、地毯掃描式等飛行方式進行目標搜索，大幅度增加了2個LoRa模組間無遮擋通信的概率。同時，通過圖8可以清晰地對比出來，在戶外森林環(huán)境中LoRa信標C與LoRa信標B1、B2之間的通信距離幾乎全部處于遮擋區(qū)域之內。LoRa信標C與機載LoRa基站A1、A2之間的通信只有20%～30%之間的距離是處于遮擋區(qū)域之內，其余70%～80%的距離是處于空曠無遮擋區(qū)域，如圖中綠色箭頭部分所示，并且隨著無人機不斷地改變飛行位置，傳輸信號通暢的概率也隨之增加，那么針對疏林和空曠草地這種空地感知定位的方法效果就更為突出。

此結果與2022年唐政權等^[26]基于433 MHz LoRa信號的森林傳播特性研究中的結果基本一致。即在復雜戶外環(huán)境中，無論是地形的阻礙、信號的衰減還是其他干擾因素，LoRa信號都顯示出良好的傳輸效果。

2）LoRa定位效果。

在搜救任務中，當機載LoRa基站接收到地面LoRa信標的反饋信號后，系統(tǒng)根據(jù)RSSI算法能夠初步判斷地面LoRa信標的大概位置；當無人機飛行至地面LoRa信標正上方或者飛行至無遮擋角度時，飛控系統(tǒng)在RSSI信號最強的時候對無人機坐標可進行一次記錄，同時將坐標實時回傳至地面控制系統(tǒng)進行顯示，并結合無人機的坐標位置自動修正地面信標的坐標位置。經(jīng)過上述多次修正后定位精度逐步提高，最終會將地面信標位置鎖定在一定的范圍之內，這為本次應急搜救工作提供了及時準確的坐標信息。結果表明，復雜場景中LoRa技術與無人機飛控系統(tǒng)的衛(wèi)星定位技術結合使用，定位精度顯著提高。

此次應急搜救工作，在林區(qū)200 m高度的飛行環(huán)境中，A1、A2無人機均按照1 km和1.5 km范圍的搜索半徑飛行開展搜救，根據(jù)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)測算分析，在任務開始后的第8分鐘，地面搜救平臺RSSI定位算法模塊測算到的位置坐標和2架無人機實際的位置坐標趨于接近，因此可判斷出該坐標點即為地面LoRa信標的坐標位置，故地面人員位置可以鎖定。

4 結語1）利用LoRa技術低功耗、感知喚醒的特性，針對戶外復雜應急救援場景設計的地面LoRa信標結構輕便，可方便佩戴附屬在人體或物體表面，且能夠實現(xiàn)長續(xù)航，解決了現(xiàn)有設備待機時間短、攜帶不便的問題。2）基于LoRa技術到達時間差測量定位特性，通過無人機飛控系統(tǒng)提供的實時衛(wèi)星定位坐標數(shù)據(jù)，結合地面搜救平臺的定位算法模塊，可估算出LoRa信標位置坐標；隨著無人機的對地掃描飛行，最終位置坐標趨于收斂，鎖定在一個穩(wěn)定的范圍之內。通過以上測算的坐標數(shù)據(jù)準確性大幅提升，定位精度半徑在20～200 m范圍，能夠滿足戶外搜救工作的開展需求。3）應急搜救無人機對于低空搜索具有突出優(yōu)勢，等同于將無人機作為現(xiàn)有衛(wèi)星定位模式的中繼，提出的基于LoRa技術創(chuàng)新應用方案通過借助空中應急搜救無人機，規(guī)避了在戶外復雜環(huán)境中地面多徑效應對于信號傳輸?shù)挠绊懞驼趽酰瑫r增加了信號接收的空間維度，傳輸效率大幅度增加，從而提高了定位的精度，也滿足戶外森林、山谷等復雜環(huán)境的實戰(zhàn)應用需求。

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（責任編輯：王強）