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基于射频的人员定位系统

Roger Christ, Dominion Wireless, Inc.

Robert Lavigne, Correctional Service Canada

摘要 - 本文将介绍可用于定位人员无线电频率传输起源的技术。 定位系统。 将讨论这些系统的开发和应用。将引入一类新的信号强度定位系统，为室内和校园环境中的定位精度设定标准。

许多技术已经用于定位无线电信号。早期的射频定位系统使用机械旋转的定向天线或伪多普勒阵列技术。它们是为相对较长范围的户外使用而开发的。可靠性和准确性达不到今天需要室内和室外覆盖大型建筑校园的人员位置要求。无处不在的全球定位系统（G.P.S.）服务在室外区域提供可靠的射频定位。差分G.P.S. 为大多数户外人员提供足够的准确性跟踪应用程序，近期OEM级G.P.S.的成本降低 接收器印刷电路组件已制成G.P.S. 经济上适用于户外人员定位的解决方案。基于LEOS的双向卫星定位系统正在开发中，也可应用于人员定位。 各种用户已经尝试使用相对到达时间（TOA）算法来定位发射机，其结果是混合的。 超宽带（UWB）技术提供了在室内和室外准确定位RF的潜力，但FCC对GPS服务的潜在干扰的担忧正在阻止批准。 当今安全行业中可操作的最准确的射频定位系统采用相对信号强度来计算位置。

信号强度建模软件和搜索算法的最新进展扩展了信号强度定位系统的精度。 这些进步已被纳入Dominion Wireless开发的WM系统中。 FLARE信号强度定位系统最初设计符合加拿大惩教局制定的规范，现已被美国和加拿大的其他惩戒机构采用。

本文将介绍FLARE的操作理论。 将讨论当前的实现，并将审查实际部署的系统的功能和限制。 最后，将介绍未来的FLARE改进和推进计划，并将提供增强性能的预测。

1. 引言

暴力犯罪的增加以及强制性判刑准则的实施大大扩大了人群的数量。 1998年，美国监狱人口攀升至140万人。尽管新建监狱建设的国家预算为24亿美元，但监狱容量的扩大未能跟上步伐。采用真相判决准则和取消假释，增加了囚犯的比例，因暴力犯罪而被监禁的人需要采用个人胁迫警报形式的先进技术来保护当前过度拥挤的监狱环境中的惩教人员。

无线电定位服务也在一般人群中需求。 在1996年与蜂窝电信行业协会达成的协议中，FCC要求分阶段实施紧急定位服务，并逐步提高定位精度。 该授权要求移动电话和个人通信服务（PCS）在2001年10月之前满足“第Ⅱ阶段”要求。第Ⅱ阶段标准包括定位蜂窝电话911呼叫的来源，准确度为100米（67％的时间） 截至2001年10月。此信息将转发至当地的公共安全应答点（PSAP）。 正在出现各种无线电定位服务以提供这种定位能力。我们将提供尝试使用蜂窝网络来定位E911呼叫的来源的服务以及允许手机定位的服务（即全球定位系统 - 或GPS）。我们将介绍更正和民用人员定位系统的要求，并将评估可用于提供这些服务的技术。将讨论每种技术的相对优点。最后，将介绍一种用于惩教设施和类似环境的有前途的新型分布式传感器技术，并将对迄今为止获得的结果进行评估。

1. 人员位置的要求

在本节中，我们将讨论人员定位系统的操作要求。 然后，将根据其提供这些功能的能力来判断潜在技术。 操作条件将根据用户，操作员和系统要求进行分组。

1. 用户要求

用户必须佩戴提供或允许位置和唯一标识的电子设备。 在绝大多数潜在的应用程序中，用户将意识到他的位置正在被监控。 我们将在本文的其余部分假设用户知道电子设备的存在和目的。

定位设备必须易于在日常活动和紧急情况下操作。 它必须坚固耐用且小巧，便携且无侵入性。电池寿命必须足以在延长工作或行程周期内维持运行，并且必须在操作受损之前立即报告电池电量不足的情况。一个有吸引力的可选功能是能够向佩戴者提供已收到其警报消息并启动响应程序的反馈。与任何商业电子设备一样，定位器的成本必须具有经济吸引力 - 定位现有无线电发射器（蜂窝电话，PCS手机，对讲机，双向寻呼机）的解决方案特别有吸引力。

1. 运营商要求

个人报警位置的报告必须与现有的应急响应基础设施兼容。 应急响应小组可能是远程的（9 1 1 PSAP或警察调度中心）或可能位于设施内。 声音和视觉警报对于允许操作员在警报发生之间执行现有工作分配至关重要。 操作员培训必须极少，用户界面必须简单直观。 中央监控计算机必须存档报警发生的数据库以进行性能和响应评估，并且必须支持网络连接，以便将报警数据自动传输到响应的应急团队。 最后，操作员必须不断更新系统的运行状态。 必须向系统管理员报告系统故障，停电和日常维护检查，以便立即引起注意。

1. 系统要求

个人报警定位系统的关键系统要求是定位精度和位置可靠性。定位系统的精度通常以距离为单位测量，而其可靠性以故障率表示（此处的故障定义为发生不正确位置估计的任何事件）。没有位置系统100％的时间是正确的。运营商必须了解这一百分比不准确性的重要性。必须最小化虚警，以避免系统操作员和应急响应团队过载。对于室内无线电定位环境，系统必须能够在多层建筑物的楼层之间进行分辨并显示每个级别的平面图。在当今混乱的通信环境中，系统必须能够抵抗辐射和传导的电磁干扰。必须立即报告对用户定位设备或位置硬件的任何篡改。必须存在冗余以防止单点故障损害位置准确性。不可升级电源（UPS）必须支持关键系统功能，并具有足够的容量以应对所有停电情况。

系统可靠性的一个重要贡献因素是连续自检。必须安装通信基础设施，模拟警报信号并监控系统响应。在实际报警信号的情况下，这种测试流量不得损害系统响应时间或准确度。自动诊断必须定位故障并为备用维护人员规定纠正措施 - 但必须有足够的硬件冗余才能在这些维修周期内保持运行。

个别警报（特别是在监狱和医院环境中）往往会爆发。运营将以极低和极高流量的时段为特征。个人报警定位系统必须具有足够的容量来准确定位和报告多个同时报警事件。同样，在两种交通状况下，警报位置报告必须立即生效 - 处理延误必须足够短，以便能够进行有效的应急响应。警报定位精度不得受到用户身体位置或附近金属物体或墙壁存在的不利影响。如果设备在攻击期间要令人满意地运行，这一点至关重要。同样，引入烟雾，阳光直射或降雨也不能妨碍准确定位。

由于用户要求在位置监控期间保持移动，我们将专注于无线解决方案进行通信并确定佩戴者的位置。 出于同样的原因，我们将忽略“签名”位置技术（RF ID，红外线，超声波和磁场），这些技术仅在用户通过路标“阅读器”进行物理行走时更新用户的位置。 必要时，我们将介绍相关频谱的传播特性，并讨论它们对系统性能的影响。

三、实用的解决方案

在本节中，我们将介绍可用于人员定位问题的当前技术。 将讨论每种技术的相对优点，并将确定用于组合各种技术以提供完整解决方案的方法。 最后，将介绍通过已安装的基于信号强度的定位系统获得的测试结果，并概述未来改进的计划。

1、到达角度（寻找方向）

最早的定位系统基于测向（DF）天线技术。这些系统计算了输入无线电信号的到达角。如果两个或多个接收站点配备有DF接收器，并且两个接收站点的相对位置已知准确，则可以通过计算两个到达角度的交点来计算发射器的位置。该计算通常称为三角测量。

调制解调器DF系统利用伪多普勒技术来确定输入无线电信号的到达角。可视化概念的有用方法是想象一个固定的单极天线安装在旋转盘的圆周上。在其旅行的某些部分中，单极天线将朝向发射站点移动。在其他部分期间，单极天线将远离发射站点。由于多普勒效应，当单极天线接近发射站点时，接收的载波频率将超过发射机的频率。当单极天线远离发射站点时，接收的载波频率将小于发射机的频率 - 再次，由于多普勒效应。来自旋转天线的观测输出频率将在单极天线的旋转频率处被调制。如果解调来自该单极天线的输出信号，则结果将是与单极天线的旋转速率相等的音频音调。然而，该音调的相对相位由发送载波的到达角确定。通过在该解调音调和单极子的物理旋转频率之间进行相位比较，将产生轴承角度。

从可靠性的观点来看，大的机械旋转结构是不希望的。实际实施将单旋转单极天线替换为使用电子换向器采样的固定偶极子阵列。这种多元天线称为Adcock阵列。图1给出了连接到DF接收器和处理器的Adcock阵列的框图。接收器是调谐到发射器频率的标准FM接收器。它将恢复的多普勒音调与发射机应用的任何调制（音频/数据）分开。轴承处理器包含一个相位比较器，它对天线换向器控制信号和接收器的解调输出进行操作。

当此过程应用于定位跟踪信标时，发送脉冲宽度非常窄（50-250 ms），最大占空比为10％。脉冲操作可最大限度地跟踪信标电池的使用寿命。 DF接收机的挑战是捕获足够的伪多普勒信息并在发射机的脉冲宽度内执行方位计算。伪多普勒原理适用于任何操作频率。然而，天线结构和RF传播的实际限制将商业DF系统限制在HF通过UHF频带。

伪多普勒系统的主要限制是对多径的敏感性（来自相邻物体的RF载波反射）。 DF接收器将确定到达天线阵列的最大幅度信号的到达角。由于多路径，最大信号的到达角经常偏离发射机的实际方位。在高多径环境中，例如密集的城市区域，DF接收器通常会产生错误的结果。在室内，直接视线路径很少存在，伪多普勒DF接收器和三角测量是无用的。此外，Adcock阵列体积较大，应安装在桅杆上以获得最佳性能。这种装置通常不受欢迎的建筑物内部。

在理想的视线条件下，商用DF系统的轴承精度通常为3度RMS。在一英里的范围内，该轴承精度对应于276英尺的位置不确定性。在多径条件下，这种精度会急剧下降。为了获得更高的精度，DF接收器需要更紧密地间隔开。对于20英尺的精度，DF接收器和发射器之间的最大距离为380英尺。 DF系统可以定位通过大型开放式化合物移动的个体，如果他们的移动被限制在室外。 DF系统与室内定位功能结合使用，可以将覆盖范围扩展到大型设施的远程室外区域。 DF系统本身无法为室内区域的人员定位提供单一解决方案。

2、基于卫星的无线电辐射

基于卫星的定位系统利用一系列通信卫星来定位地球人员定位设备（PLD）。 通过计算各个卫星与PLD之间的相对距离以及所接收的载波的多普勒频移来计算位置和速度数据。 这些系统中最成熟的全球定位系统（GPS）可为只接收的手持设备提供准确的时间，位置和速度数据，允许无限数量的地面单元同时访问。其他系统已部署 最近或正在开发中，利用一系列低地球轨道（LEO）卫星向商业用户提供双向数据通信和定位信息。两种类型的基于卫星的定位系统，G.P.S。以下将讨论Eagle-Eye Technologies正在开发的新系统。

2.1 全球定位系统（G.P.S.）

全球定位系统。开发用于使用标准定位参考，向遍布全球的无限数量的同时用户提供准确的位置，速度和时钟数据。 1990年，只有13个轨道G.P.S.服务中的卫星，将系统的可用性限制为每天18小时。如今，24颗卫星提供全方位服务，在全球范围内提供24小时三维定位。军事服务的基本准确度为8米，商业G.P.S的基本准确度为35米。接收器（美国国防部引入选择性可用性 - SA限制商业用户的准确性）。克林顿政府内部最近的行动可能会消除选择性可用性实践，并为商用GPS用户提供8米精度。差分G.P.S.服务可以显着提高准确性，但差异G.P.S.服务需要与第二个固定地面GPS站进行通信。全球定位系统。卫星在两个L波段频率（约1.5 GHZ）上发射信号，使系统能够根据电离层传播时间延迟的变化进行调整.4用户根据至少四个G.P.S.的测距测量值获得三维坐标。卫星。从接收到的G.P.S的多普勒频移中提取速度信息。载体。全球定位系统。利用扩频编码格式，允许卫星传输占用相同的频谱，同时启用地球上的G.P.S.接收器独立跟踪载波相位和代码。

图2给出了基于G.P.S.的人员定位设备的框图。 PLD将从G.P.S获得其位置。接收器。激活后，PLD会将此位置连同ID代码一起发送到中央监控站点。

由于G.P.S.的要求。接收机，用于获取，解码和处理四个独立的卫星信号，标准G.P.S.接收器需要超过一分钟来确定加电后的位置。在获得第一个轴承后，位置更新发生得更快。一分钟的首次定位时间（TTFF）与需要紧急响应的人员定位应用程序不兼容。紧急定位系统的典型响应时间最长为3秒。一个潜在的解决方案是操作G.P.S.接收器不断保持当前位置信息。但是，现有OEM G.P.S的功耗。接收器板太高，无法在没有频繁充电的情况下从体戴式通信电池组进行连续操作。

标准G.P.S.服务有效地局限于户外位置。链路余量（超过检测阈值的过量信号）非常小，以至于大多数建筑材料中的RF载流子穿透损耗降低了G.P.S.信号电平低于接收器检测阈值。例如，标准煤渣块产生的穿透损耗在1.5 GHz时为21 dB。回想一下，准确的位置需要四个卫星信号才能到达G.P.S.接收器同时。即使接收器在户外操作，也必须小心地将接收天线向上引导 - 这种限制对于大多数身体佩戴的PLD应用来说并不实用。

全球定位系统。 离地和附近物体的载波反射可以严重降低精度。 反射信号与直接路径信号组合以产生多径效应。 多径效应导致慢衰落（接收信号幅度包络的1 Hz变化），并且在扩频系统中，会破坏代码和载波同步。 Van Nee获得了以下结果：

其中SMR是多径信号比和B的直接信号，是位置误差超过均值的频率。换句话说，在农村和郊区使用静止的G.P.S.在接收器中，直接路径信号的幅度超过多径信号5dB，并且在a处发生33米误差。1 Hz速率。在城市环境中，街道两旁都是高楼，多径延迟扩展较短，多径引起的平均误差会更大。

如此大的误差（33米）超过了监狱和医院快速应急响应的最大可容忍位置误差。它符合FCC对E911服务规定的精度要求。然而，将

资料编号：[5699]