本發(fā)明涉及導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中人員定位系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，我國正處于經(jīng)濟轉(zhuǎn)軌和社會轉(zhuǎn)型期，城市化建設(shè)步伐加快，各類致災(zāi)因素明顯增多，重特大火災(zāi)和其他各類災(zāi)害事故時有發(fā)生，災(zāi)害規(guī)模不斷擴大。面對復(fù)雜的滅火救援形勢，一個不容忽視的問題就是我國廣大消防指戰(zhàn)員在滅火救援中出現(xiàn)傷亡的比例正在逐步增加。據(jù)統(tǒng)計，1997年至2006年10年間，全國消防員犧牲131人，傷殘1610人；而2007年至2009年僅3年間，全國就有153名消防員犧牲，500余人傷殘。我國平均每年有近30名消防員犧牲、近300名消防員受傷甚至致殘。從近年消防案例來看，造成消防隊員傷亡的重要原因是火災(zāi)現(xiàn)場情況復(fù)雜，消防員防護裝備落后，指揮員對現(xiàn)場情況缺乏全面了解，不清楚消防隊員在滅火救援過程中所處位置及實時運動狀態(tài)，只能在外邊“干著急”，既不能對滅火進行詳細指揮，又不能有效地組織后續(xù)救援工作。由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和對定位精度和安全性的特殊要求，使得室內(nèi)無線定位技術(shù)有著不同于普通定位系統(tǒng)的鮮明特點。室內(nèi)定位范圍相對較小，因此對定位的精度要求相對而言較室外定位要求較高。室內(nèi)信號微弱，且反射現(xiàn)象嚴重，故要求定位算法對各種誤差的魯棒性要強。室內(nèi)定位的應(yīng)用場合通常決定了定位設(shè)備簡單、功耗小、計算量和通信開銷也不能太大，在特殊場合還需要考慮不對室內(nèi)其它設(shè)備造成干擾。

當(dāng)前室內(nèi)定位較為流行的是超寬帶(UWB)技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)以及基于RSSI技術(shù)的WIFI室內(nèi)定位。三者能實現(xiàn)較為精確的室內(nèi)定位。然而，這三種定位技術(shù)均需要事先在建筑物內(nèi)已知位置布置好節(jié)點，系統(tǒng)復(fù)雜，造價高。UWB定位精度較高，但是定位距離較短；RFID系統(tǒng)定位精度由參考標(biāo)簽的位置決定，參考標(biāo)簽的位置會影響定位。系統(tǒng)為了提高定位精度需要增加參考標(biāo)簽的密度，然而密度較高會產(chǎn)生較大的干擾，影響信號強度。因為要通過公式計算歐幾里德公式得到參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的距離，所以計算量較大；WIFI定位采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達到較高的精度，固定點AP的位置測算設(shè)置比較繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是需要提供一種無需事先在建筑物內(nèi)已知位置布置節(jié)點、定位精度較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適用場合為消防滅火、特警執(zhí)行任務(wù)或者反恐演習(xí)等的復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中的人員定位系統(tǒng)。

為了解決上述技術(shù)問題，本申請的實施例首先提供了一種復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中人員定位方法，該方法包括：預(yù)先根據(jù)對建筑物的估測信息、設(shè)置在建筑物附近的三個基站的位置信息和各基站之間的位置信息，建模生成建筑物的室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖以及各基站在建筑物附近的位置示意圖，根據(jù)移動過程中的人員的行走航向、行走位移和行走時間計算出人員移動的路徑；提取采集的數(shù)據(jù)變化特征值，對所述數(shù)據(jù)變化特征進行聚類分析，判斷當(dāng)前人員的運動特征是否滿足地理標(biāo)簽屬性，若滿足，但是沒有已有的地理標(biāo)簽與之相匹配，則在所述室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖中將當(dāng)前人員位置標(biāo)注為相應(yīng)的新的地理標(biāo)簽；若可以匹配到已有的地理標(biāo)簽，則將當(dāng)前人員位置匹配到該室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖的對應(yīng)的地理標(biāo)簽處，從而對計算出的路徑進行修正得到人員定位信息。

優(yōu)選地，該方法還包括如下至少一個步驟：在計算出人員移動的路徑之前，還采用零速校正技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行誤差補償；獲取移動過程中的人員與三個基站之間的距離，基于各個距離進一步對修正后的人員定位信息進行輔助估算。

優(yōu)選地，在當(dāng)前人員的運動特征不滿足地理標(biāo)簽屬性時，則根據(jù)具體應(yīng)用場景對當(dāng)前人員所處的場所進行識別。

優(yōu)選地，所述地理標(biāo)簽包括樓梯、電梯、入口和自動扶梯中的至少之一，在GPS信號出現(xiàn)設(shè)定幅度的衰減時，則判定當(dāng)前人員所處的位置滿足入口屬性；通過訓(xùn)練獲得電梯、自動扶梯或樓梯地標(biāo)的地理標(biāo)簽屬性。

優(yōu)選地，采用落腳點判斷技術(shù)和寬動態(tài)濾波技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明實施例還提供了一種用于復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中的人員定位系統(tǒng)，其用來對處于復(fù)雜未知環(huán)境中的人員進行定位，該人員定位系統(tǒng)包括：建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)建模單元，其預(yù)先根據(jù)對建筑物的估測信息、設(shè)置在建筑物附近的三個基站的位置信息和各基站之間的位置信息，建模生成建筑物的室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖以及各基站在建筑物附近的位置示意圖；定位模塊，其根據(jù)移動過程中的人員的行走航向、行走位移和行走時間計算出人員移動的路徑，提取采集的數(shù)據(jù)變化特征值，對所述數(shù)據(jù)變化特征值進行聚類分析，判斷當(dāng)前人員的運動特征是否滿足地理標(biāo)簽屬性，若滿足，但是沒有已有的地理標(biāo)簽與之相匹配，則在所述室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖中將當(dāng)前人員位置標(biāo)注為相應(yīng)的新的地理標(biāo)簽；若可以匹配到已有的地理標(biāo)簽，則將當(dāng)前人員位置匹配到該室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖的對應(yīng)地理標(biāo)簽處，從而對計算出的路徑進行修正得到人員定位信息。

優(yōu)選地，所述定位模塊進一步執(zhí)行如下至少一個步驟：在計算出人員移動的路徑之前，還采用零速校正技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行誤差補償；獲取移動過程中的人員與三個基站之間的距離，基于各個距離進一步對修正后的人員定位信息進行輔助估算。

優(yōu)選地，所述定位模塊，其進一步在當(dāng)前人員的運動特征不滿足地理標(biāo)簽屬性時，則根據(jù)具體應(yīng)用場景對當(dāng)前人員所處的場所進行識別。

優(yōu)選地，所述地理標(biāo)簽包括樓梯、電梯、入口和自動扶梯中的至少之一，所述定位模塊，其進一步在GPS信號出現(xiàn)設(shè)定幅度的衰減時，則判定當(dāng)前人員所處的位置滿足入口屬性；通過訓(xùn)練得到電梯、自動扶梯或樓梯地標(biāo)的地理標(biāo)簽屬性。

優(yōu)選地，所述定位模塊，其進一步采用落腳點判斷技術(shù)和寬動態(tài)濾波技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點或有益效果：

本發(fā)明實施例的系統(tǒng)具有應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，定位精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適用場合為消防滅火、特警執(zhí)行任務(wù)或者反恐演習(xí)等的優(yōu)點。在硬件方面，該系統(tǒng)不需要事先在室內(nèi)安裝節(jié)點或者發(fā)射源，使用方式靈活，室外指控計算機能夠?qū)ξ粗ㄖ锘窘Y(jié)構(gòu)進行快速三維建模，實時獲取人員所處的室內(nèi)位置，及各房間之間的通道位置，實現(xiàn)人員室內(nèi)三維定位功能。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明的技術(shù)方案而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)和/或流程來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本申請的技術(shù)方案或現(xiàn)有技術(shù)的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分。其中，表達本申請實施例的附圖與本申請的實施例一起用于解釋本申請的技術(shù)方案，但并不構(gòu)成對本申請技術(shù)方案的限制。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中人員定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中人員定位方法的流程示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的人員移動的路徑計算方法的原理示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于三臺無線數(shù)傳電臺基站與移動終端設(shè)備的距離對人員定位信息進行輔助估算的定位原理圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的指控計算機C的功能框圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成相應(yīng)技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。本申請實施例以及實施例中的各個特征，在不相沖突前提下可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

另外，附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執(zhí)行指令的計算機系統(tǒng)中執(zhí)行。并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)雜未知室內(nèi)環(huán)境中人員定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成示意圖。如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括單兵設(shè)備(移動終端設(shè)備)A、通信系統(tǒng)和指控計算機C等設(shè)備。

單兵設(shè)備A主要包括慣性傳感器模塊、微控制器和無線數(shù)傳電臺標(biāo)簽設(shè)備(也可以稱為無線數(shù)傳電臺終端)，該單兵設(shè)備A具有體積小、攜帶方便、適用復(fù)雜建筑環(huán)境、定位精度高等特點。其中，慣性傳感器模塊主要采集人員的行走航向和行走位移；微控制器，其主要用來對慣性傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并控制電臺終端發(fā)送采集到的信息。無線數(shù)傳電臺終端，其與室外環(huán)境中的通信系統(tǒng)進行通信，將傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

在硬件電路方面，當(dāng)前數(shù)傳電臺較為普遍，在選擇數(shù)傳電臺時，電臺參數(shù)需符合“GA1086—2013《消防員單兵通信系統(tǒng)通用技術(shù)要求》”。當(dāng)前較為成熟的有ANYKEY AV1000單兵通信傳輸系統(tǒng)，LocalSense等。慣性傳感器模塊優(yōu)先選用ADIS16405BMLZ陀螺儀傳感器。ADIS16405BMLZ是一款完整的三軸陀螺儀、磁力計與加速計慣性檢測系統(tǒng)。這款傳感器結(jié)合了ADI公司的iMEMS與混合信號處理技術(shù)，提供校準(zhǔn)的數(shù)字慣性檢測，是高集成度的解決方案。SPI接口和簡單的輸出寄存器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了方便的數(shù)據(jù)訪問和配置控制。通過SPI端口可以訪問下列嵌入式傳感器：X、Y和Z軸角速度；相對首向檢測；X、Y和Z軸線性加速度；內(nèi)部溫度；電源；以及輔助模擬輸入。慣性傳感器在各個軸上執(zhí)行精密對準(zhǔn)，并對失調(diào)和靈敏度進行校準(zhǔn)。嵌入式控制器可以動態(tài)補償對MEMS傳感器的所有主要影響，因此能夠在無需測試、電路或用戶干預(yù)的情況下保證高度精確的傳感器輸出。以下可編程特性能夠簡化系統(tǒng)集成：系統(tǒng)內(nèi)自動偏置校準(zhǔn)、數(shù)字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監(jiān)控，以及輔助數(shù)字輸入/輸出。

通信系統(tǒng)主要包括三個無線數(shù)傳電臺基站T1、T2、T3和網(wǎng)絡(luò)通信N。無線數(shù)傳電臺基站僅為優(yōu)選示例，可以選取其他形式的基站。這三個基站設(shè)置在建筑物周圍設(shè)定范圍，且與移動終端設(shè)備A的無線數(shù)傳電臺終端通信，接收采集得到的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信單元N，其將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到室外環(huán)境中的指控計算機C中。

指控計算機C包括數(shù)據(jù)通信單元C1、數(shù)據(jù)處理單元C2和定位信息顯示單元C3(參見圖5所示)，該指控計算機C基于地理信息系統(tǒng)(GIS)顯示消防員的定位信息，且具有快速建立二維和三維建筑模型的功能。具體地，數(shù)據(jù)通信單元C1，其接收來自通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的慣性傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理單元C2包括建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)建模單元C21和定位模塊C22，其中，建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)建模單元C21，其預(yù)先根據(jù)對建筑物的估測信息、建筑物與三臺無線數(shù)傳電臺基站的位置信息和各無線數(shù)傳電臺基站之間的位置信息，建模生成建筑物H的內(nèi)部近似結(jié)構(gòu)圖以及無線數(shù)傳電臺基站T在建筑物H附近的位置示意圖，具體的，根據(jù)對建筑物估測的長、寬、高及窗戶位置、數(shù)量，利用軟件建模生成三維建筑物近似外部框架及內(nèi)部樓層圖；定位模塊C22，其根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，基于移動過程中的人員的行走航向、行走位移和行走時間計算出人員移動的路徑，對該路徑進行修正得到人員定位信息。定位信息顯示單元C3，其根據(jù)人員定位信息，基于建筑物H的內(nèi)部近似結(jié)構(gòu)圖以及無線數(shù)傳電臺基站T在建筑物H附近的位置示意圖顯示出該人員在建筑物H的內(nèi)部的位置。

在一個例子中，預(yù)先設(shè)定建筑物H(如圖1所示)為火災(zāi)地點。消防員進入室內(nèi)滅火救生前，在建筑物的周圍，優(yōu)選在距離建筑物的20～30m處分別放置三個基站T1、T2、T3，各基站T與建筑物H的相對位置已知，各基站T之間的相對位置已知。每名消防員攜帶一臺單兵設(shè)備A，單兵設(shè)備A與各基站T采取無線通信，通信協(xié)議中包含單兵設(shè)備A的識別碼，可區(qū)分不同的消防員。指控計算機C與三個基站T1、T2、T3通過集線器M連接，采取UDP通信協(xié)議或者適合定位信息傳輸特點的自定義通信協(xié)議。指控計算機C的操作員粗略測量關(guān)于建筑物H的信息，該信息包括建筑物H的層高、每層房間數(shù)、窗戶位置等信息，同時輸入基站T1、T2、T3的位置信息，這些位置信息包括各基站T與建筑物H的相對位置和各基站T之間的相對位置。然后，指控計算機C中的建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)建模單元C21生成建筑物H內(nèi)部的近似結(jié)構(gòu)圖以及三個基站T1、T2、T3的位置示意圖。定位模塊C22根據(jù)人員的行走航向、行走位移和行走時間計算出人員移動的路徑，并對路徑進行修正得到人員定位信息。指控計算機C承擔(dān)著通信、數(shù)據(jù)處理、三維建模等多項工作，同時兼顧攜帶性，對計算機性能要求較高，可選用移動工作站作為指控計算機，如戴爾的M4800移動工作站。

指控計算機C中的定位模塊C22為本系統(tǒng)中的核心部分，下面參照圖2所示優(yōu)選的實施例流程來說明該定位模塊C22如何實現(xiàn)對室內(nèi)人員的定位。

概括來說，消防員在建筑物H入口處啟動單兵設(shè)備A，初始化設(shè)備，并作為初始點。消防員進入建筑物H內(nèi)，在消防員移動過程中，單兵設(shè)備A的慣性傳感器模塊采集人員行走的相關(guān)數(shù)據(jù)，一方面，定位模塊C22讀取慣性傳感器數(shù)據(jù)，并將其中加速度傳感器讀數(shù)、電子羅盤及計時器數(shù)據(jù)輸入航位推算系統(tǒng)，同時收集傳感器數(shù)據(jù)，采用零速校正技術(shù)對航位推算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行校正，確定人員的運動航向和位移，結(jié)合初始位置利用航位推算法進行路經(jīng)計算；另一方面，定位模塊C22從傳感器數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)變化特征值，對數(shù)據(jù)變化特征進行聚類分析，判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)特征是否具有地標(biāo)屬性，若具有地標(biāo)屬性并且能與已有的地標(biāo)進行匹配，則將人員位置匹配到該已有地標(biāo)，并對計算所得的路徑進行修正、調(diào)整步長，起地標(biāo)修正的作用，從而推算人員當(dāng)前位置；若具有地標(biāo)屬性但是沒有已知地標(biāo)與當(dāng)前位置和/或當(dāng)前數(shù)據(jù)特征地標(biāo)相匹配，則在所述室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)記該位置為新的地標(biāo)，計算所得的路徑即為當(dāng)前推算人員位置所需的路徑；若當(dāng)前的數(shù)據(jù)特征不具有地標(biāo)屬性，則進行場所識別，根據(jù)具體應(yīng)用場景識別為相應(yīng)的場所，同樣，計算所得的路徑即為當(dāng)前推算人員位置所需的路徑，其中涉及的具體應(yīng)用場景除了火災(zāi)現(xiàn)場建筑以外，還可以是反恐演習(xí)的應(yīng)用場景等，不做具體限定。以人員從一樓乘電梯上升至二樓為例，定位模塊C22收集傳感器數(shù)據(jù)，并提取到特征值進行聚類分析，得到該位置人員運動特征不具有地標(biāo)屬性，則判斷此時人員在一樓樓層活動；若提取到GPS讀數(shù)出現(xiàn)顯著變化且加速度傳感器數(shù)據(jù)先后出現(xiàn)正向、負向較大的起伏，并對該數(shù)據(jù)解析得到大于設(shè)定閾值的加速度數(shù)值差，進行聚類分析后得到該位置人員運動特征具有上電梯屬性，此時將該具有電梯屬性的位置信息與已有地標(biāo)的位置信息進行對比，判斷該位置能否與已有的地標(biāo)位置進行匹配，若不能匹配，則標(biāo)記該位置為電梯的位置并將當(dāng)前計算所得路徑作為推算人員位置所需路徑，且判斷人員正在從一樓乘電梯上二樓；若能與已有地標(biāo)匹配，則匹配已有地標(biāo)，并對計算所得的路徑進行修正、調(diào)整步長，從而判斷人員當(dāng)前是從一樓上二樓；在二樓，若提取到特征值進行聚類分析，得到人員運動特征不具有地標(biāo)屬性，則判斷人員在二樓樓層活動；需注意的是，兩個位置信息能否匹配通過訓(xùn)練獲得，在一定的誤差范圍內(nèi)認為可以匹配，超過訓(xùn)練所得誤差的則認為不能匹配。此外，定位模塊C22還通過計算消防人員與周圍三臺數(shù)傳電臺基站的距離，通過三點定位技術(shù)對所推算得的人員位置進行修正。

容易理解，為了使計算得到的行走路徑的精度較高，在進行三維實時定位之前，通過慣性傳感器模塊的微控制器或定位模塊C22可以對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。具體在慣性傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程中可以采用落腳點判斷技術(shù)、寬動態(tài)濾波技術(shù)等，建立消防員的定量步態(tài)識別方法，克服人體運動抖動對方向測量的干擾。

下面針對上面圖2所示的流程進行具體說明。

具體來說，一方面，定位模塊C22利用航位推算系統(tǒng)來計算人員的行走路徑。在已知上一個時刻位置的坐標(biāo)、航向的基礎(chǔ)上，從上一個位置開始，根據(jù)這段時間內(nèi)人員走過的位移和航向，推測出人員當(dāng)前的位置和航向。如圖3所示，人員在T₀時刻的起始位置是(E₀，N₀)，沿著航向角度α行走位移為I₀，T₁時刻到達位置(E₁，N₁)，在T₁時刻開始沿著航向角度行β走了位移I₁，T₂時刻到達位置(E₂，N₂)，在T₂時刻開始沿著航向角度γ行走了位移I₂，T₃時刻到達位置(E₃，N₃)，T₁與T₂兩個時刻的位置信息方程如下公式所示：

E(T₂)＝E(T₁)+I₁·sinβ 式(1)

N(T₂)＝N(T₁)+I₁·cosβ 式(2)

由上述基本原理可知，定位精度主要因素包括：初始位置、行走航向以及行走位移。本實施例利用定位系統(tǒng)中的慣性傳感器模塊來采集人員行走的步數(shù)、航向以及步長的數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行分析進而推算、跟蹤人員的位置。更具體地，基于慣性傳感器模塊中的加速度傳感器讀數(shù)，可以計算出人員行走時走過的步數(shù)，因此能夠推測出用戶的位移；基于電子羅盤，可以得知人員每一步的前進方向。再加上時間，可以得到人員的運動矢量<位移，方向，時間>，進而可以估算出人員移動的路徑。但是由于人員移動的行為具有隨機性和變化性，通過傳感器分析得到的步數(shù)、步長和航行也都存在誤差，因此僅通過上述方法計算出的人員位置信息會產(chǎn)生誤差累積，進而導(dǎo)致定位誤差累積。

因此，另一方面，在本發(fā)明實施例中，定位模塊C22采用如下方法來修正上述位置：定位模塊C22提取慣性傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)變化特征值，對數(shù)據(jù)變化特征值進行判斷當(dāng)前人員所處的位置是否滿足某種地理標(biāo)簽屬性，若滿足，則判斷當(dāng)前人員附近是否存在已有的地理標(biāo)簽，若存在已有的地理標(biāo)簽，則將當(dāng)前人員位置匹配到相應(yīng)的地理標(biāo)簽，從而對計算出的路徑進行修正得到人員定位信息。本實施例將建筑物內(nèi)的一些特定結(jié)構(gòu)(比如電梯、樓梯)作為種子地標(biāo)，根據(jù)人員在地標(biāo)上移動時慣性傳感器的數(shù)據(jù)特征快速識別地標(biāo)，修正消防員的行走路徑，進而進行較精確的定位，可以得到消防員從哪層哪個房間通過電梯/樓梯進入到哪層哪個房間等，實現(xiàn)消防員三維定位信息直觀顯示與實時跟蹤。

地理位置標(biāo)簽(也稱“種子地標(biāo)”)標(biāo)注了建筑內(nèi)能夠使慣性傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出特定特征的地理位置。由于室內(nèi)的平面結(jié)構(gòu)圖已經(jīng)通過指控計算機建模近似生成，再加上被標(biāo)注過的特殊地理位置，那么根據(jù)這些標(biāo)簽，人員的路徑就能夠被修正，進而進行較精確的室內(nèi)定位。需要說明的是，由于室內(nèi)的平面結(jié)構(gòu)圖建模完成后，其內(nèi)部的地理標(biāo)簽是不完整的，需要結(jié)合后期對人員所處在不同地理位置進行場所識別，在室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖中補充標(biāo)注相應(yīng)的地理標(biāo)簽，這樣隨著地理標(biāo)簽密度的增加，定位精度也變得更高。

種子地標(biāo)本質(zhì)上是建筑物的一些特定結(jié)構(gòu)——樓梯、電梯、入口、自動扶梯，這些位置都能使傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生特定變化。例如，當(dāng)人員從建筑外進入建筑這個過程中，GPS信號會出現(xiàn)大幅度的衰減，通過對采集的數(shù)據(jù)解析得到GPS信號出現(xiàn)設(shè)定幅度的衰減時，可以斷定人員此時的位置處于建筑物的入口處；電梯開動和停止、樓梯、自動扶梯的上下會使加速度傳感器讀數(shù)出現(xiàn)較大的起伏，通過對采集到的數(shù)據(jù)解析得到設(shè)定變化時，則判定當(dāng)前人員處于電梯、自動扶梯或樓梯處，這些電梯、自動扶梯或樓梯具體地標(biāo)屬性的判斷可通過訓(xùn)練獲得。如果人員從樓門口進入，并準(zhǔn)備去乘坐電梯上樓，在樓門口由于GPS讀數(shù)的顯著變化可以精確定位人員的位置，接下來再根據(jù)路徑推測來確定人員的位置，由于存在一定誤差，因此只能確定人員在電梯的附近，但是一旦人員乘坐了電梯，加速度傳感器讀數(shù)出現(xiàn)了較大的峰值，根據(jù)這個獨有的特征能夠判斷出人員在電梯中，因此對人員路徑進行了修正，得到了人員精確的位置，也為下階段的路徑推測打下了基礎(chǔ)。相似的過程，當(dāng)人員下了電梯開始新的階段的路徑推測時，每當(dāng)他經(jīng)過一個地標(biāo)時，路徑都能夠得到精確的修正，因此只要地標(biāo)達到一定的密度，系統(tǒng)就可以控制路徑推測出的位置達到一定的精度。在具體應(yīng)用中增加地標(biāo)的密度，能夠使誤差頻繁的歸零，從而降低平均誤差。由于該定位系統(tǒng)應(yīng)用在消防場合，所以該環(huán)境下的地標(biāo)一般只有樓梯，所以試驗得到樓梯的特征數(shù)據(jù)即可。

此外，除了上面基于地標(biāo)的方式來進行定位修正以外，還可以執(zhí)行如下至少一種方法來修正誤差(圖2所示的流程圖)：第一種是在計算出人員移動的路徑之前，采用零速校正技術(shù)對慣性傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)進行誤差補償，零速校正是一種誤差補償技術(shù)，可以有效控制慣導(dǎo)系統(tǒng)長時間工作的誤差積累。消防員在室內(nèi)時不可能一直處于運動狀態(tài)，當(dāng)其靜止時，以停下的速度誤差作為觀測量，對人員的其他位置信息進行修正。第二種是在單兵設(shè)備A與室外環(huán)境中的三臺數(shù)傳電臺基站T1、T2、T3通信過程中，可通過測距原理得到人員的位置信息，進一步對修正后的人員定位信息進行輔助估算。

零速校正ZUPT作為一種誤差補償技術(shù)，可以有效控制慣導(dǎo)系統(tǒng)長時間工作的誤差積累，提高系統(tǒng)的精度。所謂零速校正，即以載體停車時的速度誤差作為觀測量，來對載體的其它信息進行修正。零速校正的方法較為成熟，如二次曲線擬合、實時卡爾曼濾波、平滑估計法等。二次曲線擬合方法簡單，但精度較差。實時卡爾曼濾波應(yīng)用于ZUPT時，狀態(tài)量較多，存在計算精度下降，濾波估計值易發(fā)散，方位誤差角在停車修正期間難以估計等問題。該系統(tǒng)中，提前對人員勻速運動時速度誤差進行試驗測量，之后可以運用改進的曲線擬合法和濾波估計法進行計算。

如圖4所示，在圓周定位模型中，通過單兵設(shè)備A與室外環(huán)境中的三臺數(shù)傳電臺基站T1、T2、T3的物理距離來計算人員位置信息，具體原理如下：在圓周定位模型中，理論上如果知道移動節(jié)點到三個信標(biāo)節(jié)點的物理距離，用這三個信標(biāo)節(jié)點做三個圓的圓心，到移動節(jié)點的物理距離為半徑，畫三個圓，這三個圓與移動節(jié)點都應(yīng)該是相交的，即三個圓的公共交點就是移動節(jié)點MS的位置。但在實際中，由于噪聲的影響，信號遇到障礙物以后的急劇衰落，測量工具帶來的誤差等原因，在圓周模型中的三個圓是不可能相交于一點的。由于在室內(nèi)環(huán)境下，周圍的障礙物等對電磁波信號的吸收，一般使得接收機接收到的信號強度值會小于預(yù)計的信號強度值，反映到推導(dǎo)出來的移動節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的估計距離上，結(jié)果就是所畫的三個圓的半徑都偏大。這一種情況應(yīng)該算是最為常見的情況，如圖4所示：圖中畫出來的三個圓一共有三個交點，形成一個三角形區(qū)域。所求的移動節(jié)點MS的位置就在這三個圓的公共交集區(qū)域內(nèi)。通過取三角形的質(zhì)心，作為移動節(jié)點MS的估計位置。

通過單兵設(shè)備的航位推算、零速校正和三點定位修正已經(jīng)能較精確地實現(xiàn)定位，以此方法來識別地標(biāo)，使火災(zāi)現(xiàn)場建筑物“透明化”，使消防指揮人員通過指揮地面站可以實時獲取各樓層的消防員布屬情況和各消防員的運動狀態(tài)，一方面使指揮救援工作有章可循，另一方面增加了對消防人員的安全監(jiān)控，并同時將地標(biāo)匹配修正消防員的位置修正，增加了定位的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明實施例的系統(tǒng)具有應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，定位精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適用場合為消防滅火、特警執(zhí)行任務(wù)或者反恐演習(xí)等的優(yōu)點。在硬件方面，該系統(tǒng)不需要事先在室內(nèi)安裝節(jié)點或者發(fā)射源，使用方式靈活，室外指控計算機能夠?qū)ξ粗ㄖ锘窘Y(jié)構(gòu)進行快速三維建模，實時獲取室內(nèi)人員的位置，實現(xiàn)人員室內(nèi)三維定位功能。

雖然本發(fā)明所揭露的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。