地基北斗增强系统在智慧消防中的应用设计

李静 陈刘成

摘要：我国已经有约60%的人口生活在城市，人类有近80%的时间生活在室内，城市和地下空间日益拥挤，建筑消防、地下消防形势严峻。如何解决卫星导航在遮挡环境下的应用问题，充分发挥卫星导航对智慧消防建设的支撑和促进作用，本文提出了建立地基北斗系统，实现天基真北斗、地基伪北斗的独立或者联合应用，基于普通GNSS接收机或个人智能手机，实现室内外无缝无感连续精确定位导航授时服务。设计了典型应用场景和应用模式，在消防出警全过程路径优化、辅助建立综合火场态势信息、有效保障火场内攻人员安全、自动考核消防巡查制度落实、辅助地下工程人员逃生等方面可以显著提升消防指挥、消防救援和人员自主疏散效率，提升城市消防信息化、智能化水平。

关键字：卫星导航;地基北斗;智慧消防;室内定位

中央全面深化改革领导小组在《关于推进防灾减灾救灾体制机制改革的意见》中提出要注重灾前预防、减轻灾害风险、健全体制，全面提高防灾救灾能力。火灾精准防控及高效灭火救援已成为消防研究的重点，智慧消防成为破解城市消防难题的钥匙，消防应急救援逐步向“科技消防”和“智能消防”迈进。各类位置信息是消防信息化和智能化的基础和支撑，如进行逃生路线设计，获取被困人员位置、消防员火场位置、消防车辆停靠点、消防设施位置等信息，对消防救援行动和指挥决策日趋重要，对定位技术的便利化、自动化、智能化要求越来越高。

卫星导航是目前在各行各业应用范围最广、综合服务性能最好的定位技术，其应用只受人类想象力的限制，正在智慧城市和智慧消防建设中发挥越来重要的作用。卫星导航提供的定位、导航和授时信息已经成为社会有序运行的基础支撑，是人类活动空间有序拓展的重要保证，也是推动人与人、人与物、物与物建立紧密联系的技术手段，对智慧消防装备设施建设具有显著的“基础性、支撑性、渗透性、融合性”作用。但由于卫星导航信号极为微弱，在地面物理遮挡环境下难以发挥作用，使其在城市消防和建筑消防中的作用受到了限制。本文提出利用伪北斗卫星技术建立“地基北斗系统”，支撑卫星导航在消防领域的无缝室内外连续应用。相比较其他室内定位技术，具有“与真实北斗系统时空基准和信号体制完全兼容，可联合或独立部署和使用;无需辅助设备仅基于普通卫星导航硬件装备，定位精度和自动化程度高”等优点，借助个人智能手机APP就可实现消防施救与被救方的点对点直接联系，形成实时高效的综合消防救援态势信息，破除卫星导航在室内、地下、城市峡谷等消防作业场景的应用限制。

一、常用室内定位技术比较分析

（一）惯性导航技术

惯性导航设备安装在运动载体内部，工作时不依赖外界信息，是一种自主式导航系统;不向外界辐射能量，不易受到干扰，应用领域非常广泛。能提供位置、速度、航向、姿态数据，导航信息连续性好。但不能输出时间信息，每次使用时需要首先初始对准;漂移误差会随时间累积，通常和其他导航手段组合使用。高精度惯性导航系统通常价格昂贵、体积较大，适用于消防领域的是微机电（MEMS）惯性传感器，它包括陀螺仪和加速度计，根据精度由高低可分为消费级（零偏>100°/h）和战术级（零偏0.1°/h到10°/h）。MEMS惯性导航具有小型化、低成本的优势，在过去几十年内得到了迅速发展。但是适合消防救援场景的MEMS惯性导航设备独立工作时，还难以满足精度要求。

（二）基于移动通信网络的定位技术

基于移动通信网络的定位技术是指通过移动通信网络控制信令来传递定位相关消息的定位技术，也称控制平面的定位技术。其原理是：首先运营商根据网络信令消息确定任意移动终端的服务基站的扇区，然后根据扇区的中心位置估计该终端的大概位置。目前主要采用的是扇区定位技术，通过智能网信令来寻找每个终端的服务基站。扇区定位技术对终端要求低，适用范围广，但是定位精度较低，一般只能平面定位。通过“时-空-码”域相关性与差分定位处理，可在一定程度上提升定位性能。目前基于手机和移动通信网络，室内定位性能如下：

基于Wi-Fi的室内定位系统主要有两类。一类是Wi-Fi无线AP（AccessPoint）区间定位，通过收集Wi-Fi无线AP安装位置和定位台接收到的全球唯一的MAC地址，实现区间定位。此类技术成本低，但是通常精度不高。另一类采用Wi-Fi无线信号RSSI指纹匹配定位技术。该技术需要建立相关指纹特征数据库，对数据库运维要求高。定位精度受信号强度的影响大，适合用于重点场所的局部应用。

ZigBee定位技术与Wi-Fi定位技术相似，定位精度较高，但是信号强度受环境影响大，定位算法要求高，人员走动、墙体和门的遮挡反射均会导致定位精度显著下降。

基于RFID的定位技术主要有两类：一是采用门禁方式进行区间定位;二是根据RFID标签的信号强度及已知标签位置进行实时定位。后者定位精度高，但是需要密集布设大量的参考标签，难以大范围推广应用。

蓝牙定位技术与Wi-Fi定位类似，成本低、功耗小，可以在笔记本或手机上普及使用。但是指纹数据获取成本高，而且维护难度大，信号容易被干扰，目前蓝牙节点远不如Wi-Fi无线AP普及。

UWB定位基于无载波通信技术，早期用于近距离高速数据传输，近年也利用纳秒至亚纳秒级非正弦波窄脉冲做室内定位。UWB室内定位脉冲宽度窄，时间分辨率高，伪距测量精度高、抗多路径能力强。但是作用距离非常有限，仅在数十米的范围，限制了推广应用。

从定位技术自动化程度、适用范围场景、定位精度性能、系统装备要求、用户设备体积重量功耗、抗干扰能力、技术成熟程度、服务容量、经济成本等多个角度综合比较来看，卫星导航技术具有相对明显的优势，如果能够克服遮挡环境的应用限制，实现室内外无缝连续应用，将在智慧消防领域發挥巨大的推动作用。

二、地基北斗增强系统

我国北斗卫星导航系统已经完成全球基本系统建设，在我国本土范围内的定位精度已达3-6米。但是受遮挡和环境多路径影响，在城市峡谷、地下工程、室内环境等消费典型应用环境，其可用性和定位性能尚不能保证满足要求。为此，本文设计提出了地基北斗增强系统。

（一）系统简介

地基北斗增强系统包括伪卫星和接收机。伪卫星充当导航卫星（如图1），价格低廉，发射与北斗真实卫星一致的导航信号。必要时信号发射功率和空域可利用功放和阵列天线进行自动控制。接收机即为普通的GNSS接收机，例如个人手机。伪卫星基带由接收天基真实北斗信号的授时模块PPS驱动，可以将本地伪北斗的发射信号同步到天基北斗时。伪卫星之间通过双向观测实现伪卫星之间的精确时间同步。

地基北斗系统部署采用星型、链式方式或者两者的混合方式进行布置。伪卫星至少要设置一个主星，负责接收天基北斗系统信号实现自身与真实北斗系统的时间同步;其他伪卫星通过直接或者间接与主星双向观测实现与主星时间同步，进而实现整个地基北斗伪卫星、与真实天基北斗系统的时间精确同步。伪卫星可以提前在建筑内部、地下工程或者室内环境部署;也可以随消防车在需要时现场部署，面向特定救援环境临时快速提供增强服务。

从消防站车库停车位到火灾作业救援作业场地的全过程精确导航。消防队接到火灾出警命令后，最需要的到达失火目标的路径信息、失火目标环境信息和周边消防设施位置信息等。在地基北斗的支持下，基于“卫星导航+地理信息+移动（无线）通信技术”，可以消除遮蔽环境对卫星导航应用的影响，在隧道、高架桥下、城市峡谷、地下工程等任何环境下，基于普通智能终端实时获取的自身精确位置，以最优路径、最快速度到达求援位置，以最科学的方式展开救援作业。甚至在行进过程中，可以根据实时路况信息，实时优化行进路线。

建立火场救援综合态势信息。在地基北斗系统支撑下，基于消费级的个人手机，就可帮助消防员实时向指挥所自动报告精确位置，甚至可以实现消防员间的实时位置的共享;火场被困人员也可以通过个人手机APP准确发送自身位置;支持火场个人在浓烟等不易识别位置和方向的情况下，依靠手机导航选择最优逃生路线。上述综合态势信息可以极大地优化救援力量部署、提高救援效率，有效保障消防员和人民群众的生命安全。

有效保障火场内攻人员安全。当火场现场有人员被困、救援环境复杂时，消防人员需深入火场进行侦察、救助、灭火，这对消防人员来说具有较大的危险性。在地基北斗支持下，现场人员将自身位置信息和内部情况实时传输给指挥所，辅助指挥员优化决策，优化内攻和撤离路径，提高内功搜救效率和安全性。在救援人員遇到危险时组织有效施救，从而减少自身伤亡。

用于消防重点部位或者消防设施巡查的自动考核。消防安全重点单位应当进行每日防火巡查，并确定巡查的人员、内容、部位和频次。其他单位可以根据需要组织防火巡查。公众聚集场所在营业期间的防火巡查应当至少每两小时一次;营业结束时应当对营业现场进行检查，消除遗留火种。医院、养老院、寄宿制学校、托儿所、幼儿所应当加强夜间防火巡查，其他消防安全重点单位可以结合实际组织夜间防火巡查。消防设施、器材应当依法进行维修保养检测。地基北斗系统的部署可支持工作人员手机定位连续信息自动对上述内容进行核查，极大降低消防管理成本、提高管理效率。

有效提高地下环境人员火灾逃生成功率。随着城市发展空间的日益拥挤，多个国家或者城市已经推出“地下发展战略”。例如，地铁已经成为流动人口密度最大的交通系统，但地铁站不像自然光条件下容易辨别方向和观察到着火点的位置及燃烧情况。在此类环境中部署地基北斗系统，可以支持用户以类似地面路径导航的方式以最优的路线在陌生环境中自主逃离危险区域。

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