火灾搜救行动手机主动探测方法的研究

【摘要】当前，我国自然灾害以及人为因素导致的重大安全事故不断发生，尤其是经济的快速发展，导致火灾事故不断增多，严重威胁着人类的安全和社会的稳定。本设计有别于传统的搜救定位方法，它是通过探测火灾中的被困人员随身携带的手机从而间接获取被困人员的位置信息。该搜救系统能解决目前搜救方式的单一性和不灵活性，特别是用在大面积灾区的搜救行动中，能体现出该系统的高效率。能迅速获取火灾中的人员数量及位置分布情况，从而为救援力量的部署和搜救行动提供指导。

【关键词】搜救定位；位置分布

1.引言

首先，本文对现代蜂窝移动通信系统进行调研，了解网络端与手机的工作特点和规律。由于火灾后当地的通信网络被破坏、许多被困的人员随身携带的手机应该都处于待机状态，为了实时、有效的探测到手机的信号就必须要采用诱发技术使手机主动的发出信号。利用伪基站诱发目标手机进入伪网络，通过广播不同的位置区号，当手机发现自己存储的位置区识别号与伪基站广播的不同时以为进入了新的位置区，于是向网络发送位置更新请求信息。搜救系统捕获该信息就可以知道手机的身份识别号，从而可以知道目标区内的手机数量。其次，为了实现对手机的定位，结合火灾现场的实际情况，提出了一种适合火灾搜救的定位方法。即搜救系统的发射端采用了电调下倾角天线，接收端采用了智能阵列天线。通过调整电调天线的下倾角度可以改变伪基站的覆盖范围，在不同的覆盖范围内触发位置更新可以获得不同范围内的手机数量，通过比较排查可以把手机确定在一定半径的圆环内，再由自适应智能天线系统测出手机信号的到达角度。由手机到基站的距离和信号的到达角度，就可以计算出手机的位置。它即保证了定位精度，又克服了传统DOA定位方法需要多个基站对信号进行测量操作复杂的缺点。

2.手机主动探测方案的设计

目前国内外的手机探测技术都是被动式的，通过被动检测手机发射的信号达到探测目的，这种方法对处于待机状态的手机是无效的，而待机正是手机大多数情况下所处的一种状态。为了实时而有效地探测到手机，解决待机状态下手机的探测问题是关键。这里的难点是手机在待机时基本保持无线电缄默，它只在进行周期性位置更新时才发射信号与网络联系。移动通信网络采用这种设计思路主要是考虑到网络的处理能力和系统资源的有限性。要想实时有效的通过接收手机信号达到探测目的，就要采用诱发技术，使手机主动发出信号。

根据地震现场实际情况，该方案分两种情况考虑：一是移动通信网络完好，能正常工作；二是移动通信网络被破坏，当地无信号覆盖。其探测方案流程图如2-1所示。

它的工作原理如图2-2所示，当伪基站调整发射功率及天线的下倾角度，使信号很好的覆盖B区。伪基站在导频信道上广播系统消息，该系统消息的格式与商用基站发的系统消息格式一样，包括伪基站使用的频点、小区识别、位置区识别、接入控制参数等。手机为了能保持良好的通信质量会不断的对周边基站的信号电平进行测量，以此来决定是否进行小区重选[1]。当在B区的手机监测到伪基站发射的信号电平比A区基站所发射的信号电平高时，手机切入B区。手机继续监听新基站广播的系统消息，当它发现伪基站广播的位置区识别与手机中存储的不一样时，手机就以为发生了位置区的变化，则启动位置更新程序，从而实现了手机与伪基站系统的基本连接。伪基站系统通过模拟MSC和BSC信令，完成对目标手机IMSI的侦获[2]。

3.获取移动识别号

当条件成熟后，手机切入仿冒网络。由于这个过程时间很短，不利于手机的定位并且无法对目标区内的手机进行数量统计，所以需要获得手机的身份识别号。因为身份识别号是在网内唯一代表手机的，故可以通过统计身份识别号来获得目标区内的手机数量。同时，身份识别号也可以用来呼叫手机，使手机在相对长的时间内持续发信号以利于对其定位。而在位置更新这个过程中，手机需要将自己的身份识别号发送到网络端。

4.搜救系统的定位思路

综合考虑多种因素，设计了一种适合在地震灾害搜救中应用的定位系统。该搜救定位系统要实现的目的是对比较大区域内进行探测，得出目标区域内被压埋人员的位置分布情况。它的关键在系统的天线，本系统的发射端和接收端采用两种不同的天线。发射端采用电调倾角天线，通过设置合适天线下倾角，可以使伪基站发射的信号很好的覆盖在目标小区内。而接收端采用智能天线阵列，它的作用除了接收手机发来的信号还要测出信号到达的角度。

4.1 电调天线

电调天线可以通过改变天线共线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，从而使天线的垂直方向图下倾。由于天线各方向的场强是同时增大或减小，所以在改变天线倾角后其方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短。电调下倾天线允许不断电的情况下对垂直方向图下倾角进行调整，能实时监测调整的效果，其调整角度的步精度达0.1度。

4.2 智能天线

智能天线是移动通信研究人员把自适应天线阵应用于移动通信的名称[3]。智能天线是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，并自适应地调整波速方向跟踪每个用户，达到提高信号干扰噪声比SINR、增加系统容量的目的。概括来说，智能天线在移动通信中的应用有两个，一是对来自移动终端发射的多经电波方向进行到达角的估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰。二是对基站发射的信号进行波束赋形，使基站发射的信号能够沿着移动端电波的到达方向发送回移动台[4]。智能天线由天线阵列、收发信机单元及智能信号处理器组成。天线阵列由多个天线按特定方式组成，它接收所有到达阵列的信号，通过信号处理单元适当合并阵列输出，可以从接收到的多个用户信号中提取占用同一时间、同一频率的信号，通常又称“空间滤波”。收发信机单元的功能是解调信号，即把收到的射频信号解调到基带上或把经过D/A转换的基带信号调制到射频上。智能信号处理器是智能天线系统的核心，它负责自适应地调整加权参数，到达方向DOA（Direction Of Arrival）的估计，波束赋形等。

5.定位的实现

火灾搜救现场，如图5-1所示。L1至L4分别代表图中四个同心圆，它们表示电调天线在不同下倾角时所覆盖的区域。而电调天线的方向图垂直切面如图5-2所示。

从图5-1可以看出，当电调天线的下倾角度为零时，天线波束主瓣即其主要能量沿水平方向辐射；而当天线的下倾角度变为α时，能量辐射的方向将会与水平面存在一定角度，它的主瓣外边界最终会与地面的一点（A点）相交。由于天线在垂直方向有一定的波束宽度，因此在A点往B点方向，仍会有较强的能量辐射；根据天线技术的性能，在半功角β内，天线增益下降缓慢，超过半功角后，天线增益迅速下降。因此，在考虑天线倾角大小时，可以认为半功角延长线到地面的交点（B点）内也为该天线的实际覆盖范围[5]。

由此推导出天线高度、下倾角度和覆盖半径三者之间的关系：

由此可知，信号的覆盖半径由天线的高度和天线的下倾角度共同决定。

天线安在合适的高度，调整它的下倾角度，使伪基站发射的信号覆盖目标区域同时启动记时器。计时器设置了一定长的时间，它是了给系统提供足够的运算时间，保证触发位置更新和对信号源定位的成功[6]。在计时器设定的时间内系统要完成触发覆盖区内的手机进行位置更新，获取手机的身份识别号，同时智能天线系统测出接收到的手机信号的到达角度。

通过上述过程，我们可以获得手机与基站的距离及手机信号的入射角度，从而实现了对手机的定位。从而使救援人员准确的找到被困人员。

6.结语

本文主要阐述了地震搜救行动中手机主动探测方法的研究内容。根据火灾区域的实际情况，给出了在通信网络完好和通信网络被破坏两种情况下，给出了该搜救方法的主动探测方案及其实现过程，并设计了一种特殊的天线组合方式以实现对手机的定位。该方法利用电调天线调整信号覆盖范围、自适应智能天线测出手机信号的入射角度，即保证了定位精度，又克服了传统DOA定位方法需要多个基站对信号进行测量的缺点。

参考文献

[1]朱大立.一种基于诱发技术的移动电话主动探测方案[J].移动通信，2006.

[2]郑裕峰.定位GSM用户的一种方法[J].小型微型计算机系统，2008.

[3]刘鸣，袁超伟，贾宁，黄韬.智能天线技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]中兴通讯股份有限公司.TD-SCDMA无线系统原理与实现[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[5]郭榕.16单元蜂窝移动通信双频基站天线设计[J].微波学报，2007.

[6]钱善华，葛世荣，王永胜，王勇，柳昌庆.救灾机器人的研究现状及煤矿救灾的应用[J].机器人，2006.

作者简介：周力力（1983—），男，江西吉安人，成都理工大学信息科学与技术学院电路与系统专业硕士研究生，研究方向：智能信号在通信中的应用。