用于在挖泥機(jī)下定位人員的自治系統(tǒng)

描述

用于在挖泥機(jī)下定位人員的自治系統(tǒng)

以倒塌的建筑物為先導(dǎo)的各種災(zāi)難仍然處于封鎖狀態(tài)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已退役。可以使用手機(jī)發(fā)出的信號(hào)定位個(gè)人。

該項(xiàng)目的目的是使用放置在受災(zāi)地區(qū)附近的接收設(shè)備創(chuàng)建災(zāi)區(qū)的無線電地圖。

一般系統(tǒng)由兩類設(shè)備組成：一臺(tái)中央設(shè)備和若干位于分析區(qū)域周圍的接收設(shè)備。

接收設(shè)備由：GPS 模塊、加速度計(jì)模塊、來自設(shè)定頻率范圍的無線電檢測(cè)模塊、用于向中央子系統(tǒng)傳輸信息的模塊組成。

中心設(shè)備包括：GPS模塊、加速度計(jì)模塊、接收設(shè)備信息接收模塊。校準(zhǔn)模塊是基于信號(hào)處理卡對(duì)傳播模型進(jìn)行測(cè)量，并通過FPGA算法并行計(jì)算，準(zhǔn)確判斷無線電信號(hào)源的位置和整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的地圖上的圖形解釋。

無線電定義軟件 (SDR) 是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，適用于需要無線電鏈路的廣泛領(lǐng)域。與經(jīng)典無線電架構(gòu)相比，SDR 技術(shù)提供了一種高效且相對(duì)便宜的解決方案，在架構(gòu)方面非常靈活。簡(jiǎn)單地說，SDR技術(shù)代表了無線電鏈的所有元素，其中一些功能，甚至全部功能由軟件定義。無線電限定軟件 (SDR) 的優(yōu)勢(shì)，例如源代碼的重用或關(guān)鍵 SDR 架構(gòu)元素的輕松更新，導(dǎo)致針對(duì)軟件定義無線電設(shè)備 (SDR) 的最終目標(biāo)制定特定標(biāo)準(zhǔn)，即可以在其上實(shí)現(xiàn)這些功能的通用平臺(tái)作為無線電鏈實(shí)現(xiàn)的一大優(yōu)勢(shì)。

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認(rèn)知無線電是研究新無線電通信技術(shù)的最新概念。一旦無線電限定軟件成為現(xiàn)實(shí)，無線電認(rèn)知技術(shù)就是發(fā)展無線電通信的下一步。無線電認(rèn)知的想法源于以更有效的方式使用無線電頻譜以及在給定條件下使用最有效的通信形式的需要。使用現(xiàn)有技術(shù)，可以設(shè)計(jì)和開發(fā)能夠分析無線電頻譜、檢測(cè)自由頻率并在給定條件下使用最佳通信形式的無線電系統(tǒng)。這樣，無線電認(rèn)知技術(shù)能夠獨(dú)立選擇頻段、調(diào)制類型、調(diào)整輸出功率，同時(shí)考慮到特定地理區(qū)域法律要求的通信條件和規(guī)則。

一、定義

ITU：認(rèn)知無線電是一種分析無線電頻譜的特定頻譜的系統(tǒng)，能夠根據(jù)機(jī)會(huì)調(diào)整其自主和動(dòng)態(tài)參數(shù)。

FCC：認(rèn)知無線電可以根據(jù)與其運(yùn)行的無線電頻譜的交互來調(diào)整其傳輸參數(shù)。

NTIA：認(rèn)知無線電是一種能夠分析電磁環(huán)境（其工作的頻譜）并能夠動(dòng)態(tài)和自主地修改其操作參數(shù)的系統(tǒng)，例如：發(fā)射控制、最小化干擾、促進(jìn)互操作性（適應(yīng)不同類型的調(diào)制）。

WWRF：Cognitive Radio是指對(duì)射頻時(shí)間-頻率-功率參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量和分析，以優(yōu)化選擇工作頻率、帶寬，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)通信。

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無線電認(rèn)知的方塊圖

無線電認(rèn)知架構(gòu)

在無線電認(rèn)知概念中，射頻部分必須非常靈活，不僅可以掃描頻段，還可以選擇占用不同帶寬的工作模式。為此，需要非常靈活的前端（輸入電路）；因此，信號(hào)數(shù)字化必須在天線端子處或附近進(jìn)行，模擬前端不在討論之列。

對(duì)于這樣的性能，需要具有巨大動(dòng)態(tài)范圍、能夠在超過 GHz 的頻率下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器。以今天的技術(shù)水平，這是不可能的，無法滿足無線電認(rèn)知的要求，但是，毫無疑問，這將在不久的將來發(fā)生，使無線電認(rèn)知成為現(xiàn)實(shí)。

一對(duì)天線之間的傳播衰減表示發(fā)射功率與接收功率的比值，一般用分貝表示。包括與電磁波與發(fā)射天線和接收天線之間的任何物體之間的相互作用相關(guān)的所有可能的緩解因素 [9]。對(duì)于受快速衰落影響很大的信道，例如移動(dòng)信道，傳播衰減適用于幾個(gè)衰落周期內(nèi)的功率（局部平均衰減）。這些衰減難以直接測(cè)量，因?yàn)楸仨毧紤]無線電系統(tǒng)中的各種緩解和增益。這些最好通過建立傳輸預(yù)算來分析，這通常是分析無線電通信系統(tǒng)的第一步。為了有效地定義傳播衰減，必須考慮系統(tǒng)中的緩解措施和收益。直接無線電鏈路的元素如圖所示。

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在文獻(xiàn)中，有許多方法可以在災(zāi)后情況下從損壞的源頭傳播無線電波。

因此在[1]中提出了一個(gè)具有大尺度衰落的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型能夠分別估計(jì)900和1、800 MHz的GSM頻段在地震下基站和手機(jī)之間的衰減，該模型由兩部分。第一部分是基站與廢墟外穿透點(diǎn)之間的自由空間中的路徑衰減，使用 Walfisch-Ikegami 模型計(jì)算。第二部分介紹了一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，代表廢墟的衰減。該模型參考了一種理想結(jié)構(gòu)，由平行的分層廢墟組成，并假設(shè)路徑通過分層結(jié)構(gòu)的衰減是線性的；后續(xù)研究將分析真實(shí)緊急情況下出現(xiàn)的“混沌結(jié)構(gòu)”。

此外，在 [2] 中研究了兩種可能的情況。第一種情況是指高度災(zāi)難的情況，或完全倒塌的建筑物。發(fā)射源被大量碎片掩埋，信號(hào)被大量干擾元素大大衰減。在第二種情況下，使用部分受災(zāi)建筑物進(jìn)行測(cè)量，廣播源（868 MHz）在其中之一，發(fā)現(xiàn)無線電信號(hào)受到多徑傳播的影響很大。

在 [3] 中，在暗室中模擬了災(zāi)難場(chǎng)景，測(cè)量了這種情況下典型障礙物（鋼筋混凝土和磚塊）的衰減。已經(jīng)得出結(jié)論，這些材料在 900 和 1800 MHz 的頻率下表現(xiàn)不同，多徑傳播和衍射現(xiàn)象以不同的方式影響不同的無線電信號(hào)。

在 [4] 中研究了電磁屏蔽的發(fā)展，能夠保護(hù)大型建筑物內(nèi)的電子設(shè)備免受武器電磁的影響。實(shí)驗(yàn)是在三座計(jì)劃通過內(nèi)爆拆除的大型建筑物中進(jìn)行的，測(cè)量是在不同的頻率下進(jìn)行的，包括用于移動(dòng)電話的頻率，分別為 900 和 1800 MHz。購(gòu)買了三組數(shù)據(jù)。

1. 內(nèi)爆之前 - 排放源位于建筑物的不同區(qū)域，測(cè)量是從外部進(jìn)行的。

2. 在內(nèi)爆前、內(nèi)爆時(shí)和內(nèi)爆后立即比較完好建筑物和內(nèi)爆后廢墟接收到的信號(hào)功率。

3. 第三組數(shù)據(jù)架設(shè)，監(jiān)測(cè)通過建筑物倒塌后裸露的金屬碎片（鋼筋、長(zhǎng)電線）接收到的信號(hào)。這些金屬元素就像輻射體一樣，在某些情況下可以大大改善信號(hào)的接收。

該項(xiàng)目被引導(dǎo)到自主機(jī)器人平臺(tái)的開發(fā)

盡可能準(zhǔn)確地搜索和定位下面的無線電廣播源

拆除。為此，人們?cè)O(shè)想并實(shí)現(xiàn)了無線電和廣播無線電模塊，這

足夠小以集成到機(jī)器人平臺(tái)上，價(jià)格便宜但在相同的安全操作時(shí)間內(nèi)，主要目的是進(jìn)行類似于實(shí)驗(yàn)室儀器精度的測(cè)量。圖 6.1 顯示了從地下無線電設(shè)備接收信號(hào)并通過數(shù)字系統(tǒng)購(gòu)買的一般框圖。

參考

[1]Ling Chen、Marc Loschonsky、Leonhard M. Reindl – “災(zāi)難和救援場(chǎng)景中移動(dòng)通信的大規(guī)模衰落模型” – 無線通信和信號(hào)處理 (WCSP)，2010 年 IEEE 國(guó)際會(huì)議

[2] Alessandro DiCarlofelice、Emidio DiGianpaolo、Mauro Feliziani、Pierro Tagnolatti –“災(zāi)難后歷史城鎮(zhèn)廢墟下電磁傳播的實(shí)驗(yàn)特性”– IEEE 車輛技術(shù)匯刊，卷。64，沒有。6、2015年6月

[3] Lun-Shang Chai、Jiao He、Xing-Chang Wei – “本地化救援系統(tǒng)的無線電信道建模和測(cè)量” – IEEE 會(huì)議出版物，卷。2, pages1060-1063, 2013

[4] Christopher L. Holoway、Galen Koepke、Denis Camell、William F. Young、Kate A.Remley – “三座大型公共建筑倒塌之前、期間和之后的傳播測(cè)量” – IEEE 天線和傳播雜志，卷。56，沒有。3、2014年6月

[5] Jiao He、Er-Ping Li、Sai-Qiong Zhou、Kun Liao – “廢墟環(huán)境中無線電信道的實(shí)驗(yàn)特性” – IEEE 天線和無線傳播快報(bào)，卷。2016 年 15 日

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