基于滅火救援現場磁準靜態場的消防員室內定位技術研究

摘要：本文總結整理了消防員的室內外精確定位與跟蹤系統項目的發展歷程和系統能力，闡述了該系統的核心技術，即磁準靜態場定位技術原理，并梳理了其中的關鍵技術難點，旨在為我國消防領域室內定位技術發展提供新思路。

關鍵詞：滅火救援；室內定位；磁準靜態場；消防員

引言

國內消防員綜合定位系統大多采用“衛星定位+慣性推算+UWB脈沖定位”多傳感器融合技術，確保在火場中精確、快速、高效地搜尋定位到待搜救隊員，可極大提高消防、救援指揮效率，最大程度保障人員生命安全。消防員的室內外精確定位與跟蹤系統的研發和應用測試，使得定位和跟蹤內攻消防員變得更加高效且精確，提高了救援行動的成功率和安全性，為室內消防救援定位提供了重要技術支持和保障。

一、消防員的室內外精確定位與跟蹤系統項目簡介

消防員的室內外精確定位與跟蹤系統是一項開創性的消防救援人員實時定位跟蹤技術，該技術使用磁準靜態場對消防人員進行三維定位，即便在能見度低的情況下，滅火救援指揮部仍可以厘米級精度定位沖進火場的消防員，從而最大程度確保消防員的人身安全。

（一）系統組成

消防員的室內外精確定位與跟蹤系統由指揮控制終端、固定發射器、小型接收器組成。發射器可安裝在室外的救援車輛上，消防員攜帶小型接收器進入室內開展救援活動，系統通過測量磁場信號解算距離信息，同時可測量三軸磁場分量來解算姿態測量，接收器通過ISM頻段將位置信息發送回指揮控制終端，控制終端顯示消防員的位姿信息。

（二）創新性

傳統的室內定位方案通常依賴多個信號源進行三邊或多邊測量，主要使用無線電信號，如GNSS、超寬帶和各種信標系統。然而，這些方案容易受到路徑中物體遮擋或多徑效應的影響，特別是在室內環境中，面臨更大挑戰[1-3]。與傳統解決方案不同，消防員的室內外精確定位與跟蹤系統采用了一種創新的途徑，通過檢測磁場而非無線電信號來實現室內定位，利用的磁場被稱為磁準靜態場（MQS）。這種新穎的方法為室內定位提供了一種更可靠、更精確、更低成本的解決方案，能夠避免傳統無線電信號在復雜環境中遇到的干擾和挑戰。

消防員的室內外精確定位與跟蹤系統使用了人工產生的磁準靜態場，其發射器和接收器都采用三個線圈陣列，x、y、z方向正交，在不同的發射器和接收器相對位姿條件下，發射器合成的磁準靜態場具有與接收器這三個軸不同的關系分量，因此可實現利用磁場變化檢測距離，通過檢測相對于三個軸的場分量來確定姿態。消防員的室內外精確定位與跟蹤系統的另外一個優勢是它可以利用單一基站同時實現測距和定向。在某些情況下，利用多個基站是有益的，如某些類型的結構和材料會擾亂磁準靜態場導致誤差，多個發射器不僅是備份容錯，還有助于減少上述干擾帶來的估計誤差。

（三）能力現狀

消防員的室內外精確定位與跟蹤系統的定位能力在某些場景超越了GPS，可以支持室內、地下和水下環境中的人員定位和跟蹤；無多路徑信號反彈影響，無慣性導航系統存在的漂移問題，可在非視距條件下應用；無須三角測量。目前系統可以在距離發射器約75m的范圍內應用。因此，如果將發射器放置在建筑物外約10m處，如在消防車上，可以穿透建筑物內部約65m，這涵蓋了許多一層、兩層甚至三層的結構，位置精度可以是1m甚至更小，原理上可以達到1cm。

二、磁準靜態場定位技術

（一）基本概念與原理

磁定位已經成為一項具有競爭力的定位技術，市場上已部署的運動跟蹤解決方案是其最佳證明。磁定位根據磁場可分為地球或環境磁場定位以及人工磁場定位兩類。根據工作頻率的不同，磁定位系統可分為直流場和時變場定位系統。直流場源也可使用永磁體代替線圈實現。在大多數應用中，磁準靜態場的使用是由于需要在有損介質中或周圍進行定位，如穿透墻面、地面或水面定位。針對磁場強度隨距離增加而迅速減小的問題，科學家們提出了使用交流信號以提高傳輸效率。

人工生成的磁場通常可以用磁偶極場模型表達式：

B（x，y，z，z）=μ04π[3（m·r）r-mr2r5]e-jωt（1）

μ0為自由空間磁導率，r為空間中某點到場源的相對位置矢量，|r=r，m為線圈磁矩，ω為交流電頻率。磁矩與線圈表面正交且m=NIS，N是線圈匝數，I是通電電流大小，S是線圈表面積。根據法拉第感應定律，感應線圈內的交變磁場會產生感應電壓，感應線圈處的感應電壓為：

V（x，y，z，t）=-jωNSB（x，y，z，t）·（2）

是感應線圈的單位法向向量，利用k個預先已知位置和方向的場源線圈和一個感應線圈，可以確定感應線圈的位置。使用最小二乘方法通過最小化與實測感應電壓與理論感應電壓之間的差可實現位置估計，如公式所示：

Φ=∑ki=1[VTi-VMi]2=∑ki=1ε2i（3）

VT是根據公式（1）計算的理論感應電壓，VM是感應線圈實測感應電壓，εi是每個感應線圈與發射線圈對應的感應電壓殘差，殘差平方和最小的估計位置即為感應線圈的位置。在使用直流信號時也采用類似的方法，測量值變成了磁場強度測量值而不是電壓測量值。

基于交流時變磁準靜態場的系統通常相對于基于直流場的系統表現出更高的工作范圍，這一結論可以通過公式（2）得出，其中感應電壓與工作頻率成正比。此外，通常使用共振線圈可進一步改善系統的工作范圍并減少系統的電流能量消耗。

（二）技術優勢和局限性

當今流行的定位解決方案就是基于全球定位系統，如GPS、伽利略、北斗等基于地球衛星的定位系統。通過設備接收到衛星發送到地面電磁波信號，利用電磁波的到達時間估計出所在地面位置。GPS使用高頻電磁波，電磁波會被固體屏蔽、反射，如建筑物、人體或者植被等。從而導致在建筑物或地下室無法使用GPS定位。為解決地下、建筑物、水泥掩體內精確定位問題，科學家們開始研究基于磁準靜態場的定位技術，也稱為電磁感應定位技術。

磁感應定位技術的基本原理非常簡單：在金屬線圈中通有交變電流便可以在周圍產生交變磁場，它可以使用附近的其他線圈感應出交變感應電動勢，這個原理在電機、發電機、揚聲器中都被使用，在早期的無線電廣播，特斯拉無線電能傳送中也使用了相似系統。之所以在室內定位中重新使用這些古老的技術，是因為電磁感應的優勢，可以應用在電磁波無法到達的地方。例如，它可以穿透很多固體媒介，如土壤、水、人體、水泥、巖石等，被吸收衰減極小。電磁場是矢量場，也就是說在空間每一點的磁場都有方向和強度。例如，一個條形磁鐵，它有南北極，這也決定了磁通量的方向。電磁感應磁場是一個近似靜態磁場，沒有多徑傳輸效應。像WiFi信號，或者手機信號就會受到多徑傳輸影響，使得在一個地點的場強會發生變化。此外，在產生和檢測磁場信號方面也非常簡單。

當然電磁感應信號用于定位也有缺點，如金屬，特別是鐵磁金屬會使得磁場變形，這使得在富含金屬環境內定位變得比較困難。另外，電磁感應磁場隨著距離衰減比較快，磁場強度隨著距離的三次方衰減，而電磁波強度是隨著距離的二次方衰減。

（三）技術挑戰與發展方向

1.近距離定位

磁準靜態場不受低損耗介質的干擾，適用于對室內環境中移動設備的定位測量。直流技術需要高驅動電流通常需要≥12A，且限制發射和接收設備之間的距離需要≤10m。交流技術受低頻限制（≤10kHz）和法拉第定律影響，也僅適用于短距離≤10m的定位應用。

提出了一種利用磁準靜態場在短距離上移動設備精確定位技術，該被動定位技術的關鍵優點在于移動設備無須電池僅作為電磁感應器，并在現有環境中表現良好。通過優化發射和接收功率來提高系統的信噪比和測距范圍，并使用線圈作為發射（TX）和接收（RX）天線。實驗結果表明，利用磁共振和磁準靜態場可以實現近距離位置和姿態測量，在相對距離1686m的情況，定位誤差和均方差僅為061cm和076cm。

2.遠距離穿墻定位

2020年有專家指出使用更高頻率技術可以實現更長距離室內的定位，并提出了針對室外發射裝置與室內接收裝置之間的長距離磁準靜態場耦合理論。在室內住宅面積gt;80m2發射裝置位于室外距離外墻11m條件下，開展了一種緊湊的移動MQS接收器設備的定位試驗，試驗結果表明該系統可以定位誤差和均方根分別為075m和108m，誤差最大為54m，經分析發現最大的誤差來源是在廚房冰箱和洗衣房區域附近，這些家用電器帶來強渦流和強二級散射磁場影響，未來還需更深入地研究和解決如何減小上述誤差。

3.定位誤差抑制

通過使用低頻磁態準靜態場進行準確的遠程位置和方向傳感，即使在遮擋視線的情況下也能實現高精度，通過使用理論場方程和添加高斯噪聲，定量分析了由測量噪聲引起的位置和方向誤差，研究發現動態范圍的增加可以顯著減少位置和方向誤差，實驗結果表明，動態范圍的增加可以使2D位置誤差降低633%，3D位置誤差降低507%，方位角方向誤差降低606%，仰角方向誤差降低392%。提出了正交發射線圈方案和測量解算方法，并證明相較于單線圈發射器，通過使用正交構型發射線圈顯著減少了定位和定向誤差。使用正交發射器配置的平均位置誤差和方向誤差分別為021m和112m，與單發射器配置相比，其誤差分別降低了661%和608%。

三、潛在應用領域

本文重點介紹的消防員的室內外精確定位與跟蹤系統項目是將磁準靜態場定位技術用于消防員室內定位應用領域的典型代表。然而，除此之外，該技術還具有廣泛的潛在應用領域。

（一）礦井、巖洞、水下通信

在礦井、巖洞和水下通信領域，磁準靜態場定位技術也有著廣泛的潛在應用。相比于定位，通信應用面臨的挑戰在于需要在無基礎設施條件下實現長距離通信，通常要求通信距離達到30m。為了解決這一問題，牛津大學的研究團隊利用了三個垂直線圈，同時實現了電磁信號的發送和接收，從而可以測量得到三維矢量場，并提高了通道內數據傳輸的帶寬。他們已經成功地開發出了適用于30m巖石礦洞內通信的系統。通過增加設備節點數，還可以實現信號接力以進一步提高工作范圍。

（二）建筑工程結構深入嵌埋探測

在建筑工程結構深入嵌埋探測方面，磁準靜態場技術也顯示出潛力。在微觀尺度上，科研人員正在探索使用電磁感應技術檢測水泥結構中的裂縫和應力。許多交通基礎設施，如橋梁、鐵路和隧道等，都需要定期進行安全檢查和維護。一種創新的方法是將三個相互正交的線圈埋入結構中，通過測量它們的位置和方向變化來重建出結構變化的網格圖像。

（三）總結與展望

磁準靜態場理論有望解決室內、水下、地下等受限環境中的定位和通信問題。然而，現有技術和產品的工作距離仍然十分有限。遠距離磁定位通信技術的發展面臨著諸多挑戰。首先，復雜介質磁場精確建模是關鍵問題之一。受限環境中的介質結構復雜，地形地貌的變化以及周圍環境的材料組成都會對磁場產生影響，因此準確建模這些磁場變化是至關重要的，也是一項技術上的挑戰。其次，干擾抑制與補償是另一個重要問題。受限環境中存在各種干擾源，如電器設備、金屬結構等，它們可能會影響磁場的穩定性和準確性。因此，需要開發有效的干擾抑制和補償技術，以確保磁定位通信系統的可靠性和穩定性。此外，設備小型化也是遠距離磁定位通信技術發展的一個重要方向。目前的磁場傳感器和通信設備相對較大，不利于在受限環境中的部署和應用。因此，需要研發更小型化、輕量化的設備，以滿足不同場景下的需求。

結語

總的來說，盡管磁準靜態場技術在解決受限環境中的定位和通信問題方面具有巨大潛力，但仍然面臨諸多挑戰。未來的研究方向應集中在精確建模復雜介質磁場、干擾抑制與補償技術以及設備小型化等方面，以推動遠距離磁定位通信技術的進一步發展和應用。

參考文獻

[1]肖超.基于無線信號的室內定位方法綜述[J].黑龍江科技信息，2017（12）：62.

[2]閆大禹，宋偉，王旭丹，等.國內室內定位技術發展現狀綜述[J].導航定位學報，2019，7（04）：5-12.

[3]孫大洋，章榮煒，李贊.室內定位技術綜述[J].無人系統技術，2020，3（03）：32-46.

作者簡介：張嘉祥（1986— ），男，漢族，河北石家莊人，研究生，研究方向：滅火救援。