地基北斗增強系統在智慧消防中的應用設計

李靜 陳劉成

摘要：我國已經有約60%的人口生活在城市，人類有近80%的時間生活在室內，城市和地下空間日益擁擠，建筑消防、地下消防形勢嚴峻。如何解決衛星導航在遮擋環境下的應用問題，充分發揮衛星導航對智慧消防建設的支撐和促進作用，本文提出了建立地基北斗系統，實現天基真北斗、地基偽北斗的獨立或者聯合應用，基于普通GNSS接收機或個人智能手機，實現室內外無縫無感連續精確定位導航授時服務。設計了典型應用場景和應用模式，在消防出警全過程路徑優化、輔助建立綜合火場態勢信息、有效保障火場內攻人員安全、自動考核消防巡查制度落實、輔助地下工程人員逃生等方面可以顯著提升消防指揮、消防救援和人員自主疏散效率，提升城市消防信息化、智能化水平。

關鍵字：衛星導航;地基北斗;智慧消防;室內定位

中央全面深化改革領導小組在《關于推進防災減災救災體制機制改革的意見》中提出要注重災前預防、減輕災害風險、健全體制，全面提高防災救災能力。火災精準防控及高效滅火救援已成為消防研究的重點，智慧消防成為破解城市消防難題的鑰匙，消防應急救援逐步向“科技消防”和“智能消防”邁進。各類位置信息是消防信息化和智能化的基礎和支撐，如進行逃生路線設計，獲取被困人員位置、消防員火場位置、消防車輛停靠點、消防設施位置等信息，對消防救援行動和指揮決策日趨重要，對定位技術的便利化、自動化、智能化要求越來越高。

衛星導航是目前在各行各業應用范圍最廣、綜合服務性能最好的定位技術，其應用只受人類想象力的限制，正在智慧城市和智慧消防建設中發揮越來重要的作用。衛星導航提供的定位、導航和授時信息已經成為社會有序運行的基礎支撐，是人類活動空間有序拓展的重要保證，也是推動人與人、人與物、物與物建立緊密聯系的技術手段，對智慧消防裝備設施建設具有顯著的“基礎性、支撐性、滲透性、融合性”作用。但由于衛星導航信號極為微弱，在地面物理遮擋環境下難以發揮作用，使其在城市消防和建筑消防中的作用受到了限制。本文提出利用偽北斗衛星技術建立“地基北斗系統”，支撐衛星導航在消防領域的無縫室內外連續應用。相比較其他室內定位技術，具有“與真實北斗系統時空基準和信號體制完全兼容，可聯合或獨立部署和使用;無需輔助設備僅基于普通衛星導航硬件裝備，定位精度和自動化程度高”等優點，借助個人智能手機APP就可實現消防施救與被救方的點對點直接聯系，形成實時高效的綜合消防救援態勢信息，破除衛星導航在室內、地下、城市峽谷等消防作業場景的應用限制。

一、常用室內定位技術比較分析

（一）慣性導航技術

慣性導航設備安裝在運動載體內部，工作時不依賴外界信息，是一種自主式導航系統;不向外界輻射能量，不易受到干擾，應用領域非常廣泛。能提供位置、速度、航向、姿態數據，導航信息連續性好。但不能輸出時間信息，每次使用時需要首先初始對準;漂移誤差會隨時間累積，通常和其他導航手段組合使用。高精度慣性導航系統通常價格昂貴、體積較大，適用于消防領域的是微機電（MEMS）慣性傳感器，它包括陀螺儀和加速度計，根據精度由高低可分為消費級（零偏>100°/h）和戰術級（零偏0.1°/h到10°/h）。MEMS慣性導航具有小型化、低成本的優勢，在過去幾十年內得到了迅速發展。但是適合消防救援場景的MEMS慣性導航設備獨立工作時，還難以滿足精度要求。

（二）基于移動通信網絡的定位技術

基于移動通信網絡的定位技術是指通過移動通信網絡控制信令來傳遞定位相關消息的定位技術，也稱控制平面的定位技術。其原理是：首先運營商根據網絡信令消息確定任意移動終端的服務基站的扇區，然后根據扇區的中心位置估計該終端的大概位置。目前主要采用的是扇區定位技術，通過智能網信令來尋找每個終端的服務基站。扇區定位技術對終端要求低，適用范圍廣，但是定位精度較低，一般只能平面定位。通過“時-空-碼”域相關性與差分定位處理，可在一定程度上提升定位性能。目前基于手機和移動通信網絡，室內定位性能如下：

基于Wi-Fi的室內定位系統主要有兩類。一類是Wi-Fi無線AP（AccessPoint）區間定位，通過收集Wi-Fi無線AP安裝位置和定位臺接收到的全球唯一的MAC地址，實現區間定位。此類技術成本低，但是通常精度不高。另一類采用Wi-Fi無線信號RSSI指紋匹配定位技術。該技術需要建立相關指紋特征數據庫，對數據庫運維要求高。定位精度受信號強度的影響大，適合用于重點場所的局部應用。

ZigBee定位技術與Wi-Fi定位技術相似，定位精度較高，但是信號強度受環境影響大，定位算法要求高，人員走動、墻體和門的遮擋反射均會導致定位精度顯著下降。

基于RFID的定位技術主要有兩類：一是采用門禁方式進行區間定位;二是根據RFID標簽的信號強度及已知標簽位置進行實時定位。后者定位精度高，但是需要密集布設大量的參考標簽，難以大范圍推廣應用。

藍牙定位技術與Wi-Fi定位類似，成本低、功耗小，可以在筆記本或手機上普及使用。但是指紋數據獲取成本高，而且維護難度大，信號容易被干擾，目前藍牙節點遠不如Wi-Fi無線AP普及。

UWB定位基于無載波通信技術，早期用于近距離高速數據傳輸，近年也利用納秒至亞納秒級非正弦波窄脈沖做室內定位。UWB室內定位脈沖寬度窄，時間分辨率高，偽距測量精度高、抗多路徑能力強。但是作用距離非常有限，僅在數十米的范圍，限制了推廣應用。

從定位技術自動化程度、適用范圍場景、定位精度性能、系統裝備要求、用戶設備體積重量功耗、抗干擾能力、技術成熟程度、服務容量、經濟成本等多個角度綜合比較來看，衛星導航技術具有相對明顯的優勢，如果能夠克服遮擋環境的應用限制，實現室內外無縫連續應用，將在智慧消防領域發揮巨大的推動作用。

二、地基北斗增強系統

我國北斗衛星導航系統已經完成全球基本系統建設，在我國本土范圍內的定位精度已達3-6米。但是受遮擋和環境多路徑影響，在城市峽谷、地下工程、室內環境等消費典型應用環境，其可用性和定位性能尚不能保證滿足要求。為此，本文設計提出了地基北斗增強系統。

（一）系統簡介

地基北斗增強系統包括偽衛星和接收機。偽衛星充當導航衛星（如圖1），價格低廉，發射與北斗真實衛星一致的導航信號。必要時信號發射功率和空域可利用功放和陣列天線進行自動控制。接收機即為普通的GNSS接收機，例如個人手機。偽衛星基帶由接收天基真實北斗信號的授時模塊PPS驅動，可以將本地偽北斗的發射信號同步到天基北斗時。偽衛星之間通過雙向觀測實現偽衛星之間的精確時間同步。

地基北斗系統部署采用星型、鏈式方式或者兩者的混合方式進行布置。偽衛星至少要設置一個主星，負責接收天基北斗系統信號實現自身與真實北斗系統的時間同步;其他偽衛星通過直接或者間接與主星雙向觀測實現與主星時間同步，進而實現整個地基北斗偽衛星、與真實天基北斗系統的時間精確同步。偽衛星可以提前在建筑內部、地下工程或者室內環境部署;也可以隨消防車在需要時現場部署，面向特定救援環境臨時快速提供增強服務。

從消防站車庫停車位到火災作業救援作業場地的全過程精確導航。消防隊接到火災出警命令后，最需要的到達失火目標的路徑信息、失火目標環境信息和周邊消防設施位置信息等。在地基北斗的支持下，基于“衛星導航+地理信息+移動（無線）通信技術”，可以消除遮蔽環境對衛星導航應用的影響，在隧道、高架橋下、城市峽谷、地下工程等任何環境下，基于普通智能終端實時獲取的自身精確位置，以最優路徑、最快速度到達求援位置，以最科學的方式展開救援作業。甚至在行進過程中，可以根據實時路況信息，實時優化行進路線。

建立火場救援綜合態勢信息。在地基北斗系統支撐下，基于消費級的個人手機，就可幫助消防員實時向指揮所自動報告精確位置，甚至可以實現消防員間的實時位置的共享;火場被困人員也可以通過個人手機APP準確發送自身位置;支持火場個人在濃煙等不易識別位置和方向的情況下，依靠手機導航選擇最優逃生路線。上述綜合態勢信息可以極大地優化救援力量部署、提高救援效率，有效保障消防員和人民群眾的生命安全。

有效保障火場內攻人員安全。當火場現場有人員被困、救援環境復雜時，消防人員需深入火場進行偵察、救助、滅火，這對消防人員來說具有較大的危險性。在地基北斗支持下，現場人員將自身位置信息和內部情況實時傳輸給指揮所，輔助指揮員優化決策，優化內攻和撤離路徑，提高內功搜救效率和安全性。在救援人員遇到危險時組織有效施救，從而減少自身傷亡。

用于消防重點部位或者消防設施巡查的自動考核。消防安全重點單位應當進行每日防火巡查，并確定巡查的人員、內容、部位和頻次。其他單位可以根據需要組織防火巡查。公眾聚集場所在營業期間的防火巡查應當至少每兩小時一次;營業結束時應當對營業現場進行檢查，消除遺留火種。醫院、養老院、寄宿制學校、托兒所、幼兒所應當加強夜間防火巡查，其他消防安全重點單位可以結合實際組織夜間防火巡查。消防設施、器材應當依法進行維修保養檢測。地基北斗系統的部署可支持工作人員手機定位連續信息自動對上述內容進行核查，極大降低消防管理成本、提高管理效率。

有效提高地下環境人員火災逃生成功率。隨著城市發展空間的日益擁擠，多個國家或者城市已經推出“地下發展戰略”。例如，地鐵已經成為流動人口密度最大的交通系統，但地鐵站不像自然光條件下容易辨別方向和觀察到著火點的位置及燃燒情況。在此類環境中部署地基北斗系統，可以支持用戶以類似地面路徑導航的方式以最優的路線在陌生環境中自主逃離危險區域。

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