十多年來(lái)，在GPS拒絕的基礎(chǔ)設(shè)施深處，第一響應(yīng)者的精確定位一直是消防安全和應(yīng)急人員社區(qū)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。目標(biāo)是在數(shù)十分鐘內(nèi)將位置精確定位到幾米以內(nèi)。巧合的是，這些目標(biāo)與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)幾乎相同，今天選擇的解決方案可能至少花費(fèi)10，000美元，并且具有令人望而卻步的尺寸，重量和威力。這些相同的解決方案被用于第一響應(yīng)者的早期概念驗(yàn)證演示器，但被證明是實(shí)際部署的障礙（成本和規(guī)模）。

因此，急救人員的位置確定仍然是當(dāng)今最復(fù)雜的位置應(yīng)用之一。沒(méi)有一種銀彈傳感器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，但需要多個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于能力的前沿。此外，它還涉及大規(guī)模的傳感器融合和系統(tǒng)集成方法。

高性價(jià)比的高性能MEMS慣性傳感器現(xiàn)在可以為潛在的解決方案提供種子。本文設(shè)想了一個(gè)完整的傳感器到云傳感器融合系統(tǒng)，包括高度復(fù)雜的算法。

主要辦法和使能技術(shù)見(jiàn)下文表1。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員面臨的主要挑戰(zhàn)可歸納為以下三大類：程序、環(huán)境和傳感器融合。在設(shè)計(jì)多傳感器解決方案的過(guò)程中，必須毫不妥協(xié)地理解第一響應(yīng)者任務(wù)的高度復(fù)雜性，加上各種極端環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

程序

消防安全搜救任務(wù)遵循高度紀(jì)律化的過(guò)程，同時(shí)必須適應(yīng)完全不確定的現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景。可部署的精確定位系統(tǒng)必須最大限度地適應(yīng)現(xiàn)有的流程和設(shè)備。由此產(chǎn)生的一個(gè)要求是在沒(méi)有任何固定或臨時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下運(yùn)行，因?yàn)榧本热藛T通常已經(jīng)背負(fù)著大量設(shè)備（重量和成本）的負(fù)擔(dān)。任何系統(tǒng)開(kāi)發(fā)都應(yīng)從早期階段開(kāi)始就以實(shí)現(xiàn)小型化嵌入式設(shè)備和智能手機(jī)量級(jí)的響應(yīng)者成本為目標(biāo)。在這里指出，現(xiàn)有的智能手機(jī)位置性能非常不足，因此存在挑戰(zhàn)。圖 1 概述了所需系統(tǒng)最相關(guān)的主要和次要操作要求。

圖1.定義第一響應(yīng)者設(shè)計(jì)問(wèn)題的關(guān)鍵操作要求。

環(huán)境的

雖然戶外定位在GPS覆蓋下變得無(wú)處不在，但完全室內(nèi)或混合（室內(nèi)/挑戰(zhàn)室外）環(huán)境的支持要少得多。一些室內(nèi)定位情況（如購(gòu)物中心）可以通過(guò)安裝的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是，對(duì)于第一響應(yīng)者的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，這些既不精確，也不實(shí)用。對(duì)于跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，以下注意事項(xiàng)推動(dòng)設(shè)計(jì)定義、組件選擇和風(fēng)險(xiǎn)緩解方法：

射頻傳播路徑。

溫度/沖擊對(duì)傳感器的影響。

基礎(chǔ)設(shè)施損壞/改變的可能性。

傳感器融合

前面提到的過(guò)程和環(huán)境挑戰(zhàn)是此問(wèn)題的核心設(shè)計(jì)方法（傳感器融合）的基礎(chǔ)。選擇相關(guān)的主檢測(cè)模式，以在關(guān)鍵操作模式下提供不折不扣的性能，同時(shí)互補(bǔ)傳感器與應(yīng)用每個(gè)階段的關(guān)鍵障礙相匹配，如表2所示。

由于MEMS能夠在沒(méi)有外部基礎(chǔ)設(shè)施的情況下運(yùn)行，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境中提供精度，因此如果能夠在極端環(huán)境中運(yùn)行，并且與適當(dāng)?shù)拇渭?jí)傳感器配合使用，則有望在整個(gè)解決方案中發(fā)揮主要作用。

微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)展

雖然消費(fèi)慣性MEMS器件已經(jīng)朝著商品化的方向發(fā)展（對(duì)性能規(guī)格的關(guān)注有限），軍用MEMS仍然非常昂貴，但工業(yè)和汽車MEMS（見(jiàn)圖2）的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)性能和成本水平。

圖2.工業(yè)級(jí)MEMS器件即使在極端運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)低噪聲和穩(wěn)定運(yùn)行。

與消費(fèi)行業(yè)相比，工業(yè)和汽車行業(yè)需要在相對(duì)復(fù)雜和極端的環(huán)境中進(jìn)行精確傳感，該領(lǐng)域的供應(yīng)商已經(jīng)采用了專門(mén)調(diào)整的架構(gòu)特征，以拒絕性能批評(píng)者，例如離軸運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和沖擊事件，以及由于時(shí)間和溫度引起的誤差。雖然這種設(shè)計(jì)特征通常最容易通過(guò)更大的傳感器或更昂貴的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但汽車和日益重要的工業(yè)市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)壓力迫使采用更關(guān)鍵的方法來(lái)設(shè)計(jì)性能和成本效益。結(jié)果是MEMS元件具有極具吸引力的性能/價(jià)格定位，這些元件專為工業(yè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，如表3所示，其中比較了三類主要元件的誤差相對(duì)于行進(jìn)距離的百分比。工業(yè)級(jí)MEMS可以提供幾乎與高端軍用設(shè)備一樣好的導(dǎo)航能力，同時(shí)以合理的價(jià)格與商品化的消費(fèi)MEMS組件相媲美。

這一優(yōu)勢(shì)的原因需要更深入地研究MEMS元件相對(duì)于目標(biāo)應(yīng)用的關(guān)鍵規(guī)格。在第一響應(yīng)者目標(biāo)的情況下，MEMS傳感器的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是識(shí)別正在經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)類型，并測(cè)量步數(shù)和步幅。與行人運(yùn)動(dòng)模型相反，第一響應(yīng)者的運(yùn)動(dòng)將更加隨機(jī)、動(dòng)態(tài)且難以辨別。此外，由于精度目標(biāo)，傳感器必須能夠抑制虛假運(yùn)動(dòng)，例如振動(dòng)、沖擊以及腳或身體的左右搖擺/搖擺。除了基于傳感器噪聲的簡(jiǎn)單精度分析（這對(duì)于行人模型來(lái)說(shuō)可能就足夠了）之外，第一響應(yīng)者模型還必須包括線性g抑制和跨軸靈敏度等關(guān)鍵規(guī)格。表4提供了工業(yè)和低端MEMS器件的并排比較，查看了三個(gè)值得注意的規(guī)格的RSS誤差組合。不難看出，噪聲不是有害因素，而是線性g和交叉軸性能，許多低端器件甚至沒(méi)有指定，是最重要的問(wèn)題。

雖然僅在短短幾年前，高性能慣性傳感器主要只能通過(guò)光纖等方法實(shí)現(xiàn)，但工業(yè)MEMS工藝現(xiàn)在已經(jīng)清楚地證明了它們可以勝任這項(xiàng)任務(wù)，下表5中指出了關(guān)鍵導(dǎo)航指標(biāo)的相對(duì)比較。

如圖2所示，ADIS16488A就是一個(gè)工業(yè)MEMS IMU示例，它集成了10自由度高性能檢測(cè)，并且還通過(guò)了最苛刻的應(yīng)用（商用航空電子設(shè)備）的認(rèn)證（如表6所示），表明它已準(zhǔn)備好滿足急救人員的極端應(yīng)用需求。

慣性MEMS性能的進(jìn)步，以及質(zhì)量和耐用性的持續(xù)證明，現(xiàn)在正與集成方面的重大進(jìn)步相結(jié)合。最后一個(gè)障礙尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿绻恍⌒墓芾恚瑐鞲衅鞒叽缈赡芘c性能和耐用性成反比。必須證明和合并一系列高度戰(zhàn)略性、協(xié)調(diào)性和具有挑戰(zhàn)性的工藝進(jìn)步，以實(shí)現(xiàn)此應(yīng)用所需的性能密度水平，如圖3所示。

圖3.工業(yè)MEMS IMU在性能、尺寸、成本和集成度（不折不扣）方面不斷進(jìn)步，以獨(dú)特的方式實(shí)現(xiàn)急救人員等關(guān)鍵應(yīng)用。

傳感器加權(quán)

為給定應(yīng)用選擇合適的傳感器之后，進(jìn)行深入分析，以了解它們?cè)谡麄€(gè)任務(wù)的不同階段的權(quán)重（相關(guān)性）。在行人航位推算的情況下，解決方案主要取決于可用設(shè)備（例如智能手機(jī)中的嵌入式傳感器），而不是性能設(shè)計(jì)。因此，人們嚴(yán)重依賴GPS，而其他可用的傳感器（如嵌入式慣性和磁性傳感器）對(duì)確定有用位置信息的任務(wù)僅提供一小部分貢獻(xiàn)。這在室外工作得相當(dāng)好，但在具有挑戰(zhàn)性的城市環(huán)境或室內(nèi)，GPS不可用，并且其他可用傳感器的質(zhì)量很差，在位置信息的質(zhì)量上留下了很大的差距，或者換句話說(shuō)，不確定性。盡管通常采用先進(jìn)的濾波器和算法來(lái)合并這些傳感器，但如果沒(méi)有額外的傳感器或質(zhì)量更好的傳感器，該軟件實(shí)際上幾乎沒(méi)有縮小不確定性差距，這最終會(huì)顯著降低報(bào)告位置的置信度。圖 4 從概念上對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

圖4.基于智能手機(jī)的行人導(dǎo)航主要依賴于GPS，帶有補(bǔ)充但未優(yōu)化的預(yù)嵌入傳感器，在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的高置信度或可靠覆蓋方面留下了顯著差距，僅靠算法無(wú)法解決。

相比之下，工業(yè)航位推算場(chǎng)景（如第一響應(yīng)者）專為性能而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)定義和組件選擇由特定的精度要求指導(dǎo)。質(zhì)量明顯更好的慣性傳感器使它們能夠發(fā)揮主要作用，并小心利用其他傳感器來(lái)縮小不確定性差距。從概念上講，算法更側(cè)重于傳感器之間的最佳加權(quán)、切換和互相關(guān)，以及對(duì)環(huán)境和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的感知，而不是外推/估計(jì)可靠傳感器讀數(shù)之間的位置（見(jiàn)圖 5）。

圖5.通過(guò)專門(mén)針對(duì)第一響應(yīng)者任務(wù)全覆蓋的傳感器選擇，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性大大提高。

上述任何一種情況下的精度都可以通過(guò)改進(jìn)質(zhì)量傳感器來(lái)提高，雖然傳感器濾波和算法是解決方案的關(guān)鍵部分，但它們本身并不能消除有限質(zhì)量傳感器的覆蓋范圍差距。

精確定位和映射 （PLM） 系統(tǒng)

對(duì)于第一響應(yīng)者跟蹤的特定情況，任務(wù)已分為以下階段，以便最好地評(píng)估傳感器處理要求：到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)、部署、建筑物內(nèi)部和救援 - 表 7。據(jù)設(shè)想，消防車配備了高端GPS/INS系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)對(duì)車輛的位置進(jìn)行地理定位，作為已知的參考點(diǎn)。從這一點(diǎn)開(kāi)始，直到消防員進(jìn)入建筑物，有一個(gè)不確定和隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)序列，精確定位和映射系統(tǒng)依賴于超寬帶測(cè)距實(shí)現(xiàn)來(lái)保持消防員位置和方向的準(zhǔn)確定位。進(jìn)入結(jié)構(gòu)后，慣性傳感器成為主要的跟蹤傳感器，目標(biāo)是提供幾米的定位精度。如果需要，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為僅依靠慣性傳感器，但也能夠在可用且可靠的情況下利用其他機(jī)會(huì)信號(hào)，例如UWB測(cè)距信號(hào)，磁力計(jì)校正和氣壓測(cè)量。如前所述，實(shí)現(xiàn)的算法不僅跟蹤位置，而且生成搜索模式的實(shí)時(shí)路徑圖。如果消防員倒下或遇險(xiǎn)，從初始路徑生成的地圖是救援消防員的補(bǔ)充傳感器輸入，救援消防員也由慣性傳感引導(dǎo)。

任務(wù)間隔	初級(jí)傳感	輔助傳感	時(shí)期	準(zhǔn)確性
到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)	全球定位系統(tǒng)	慣性的	—	地圖修復(fù)
部署	超寬帶	慣性的	未知	分米
大樓內(nèi)	慣性的	機(jī)會(huì)的信號(hào)	~30分鐘	米
救	慣性的	路徑圖，其他	紀(jì)要

雖然高性能傳感器肯定是PLM系統(tǒng)的核心，但以下因素也是該系統(tǒng)的關(guān)鍵推動(dòng)因素：

深入了解組件傳感器及其在應(yīng)力下的漂移特性/限制。

對(duì)人體運(yùn)動(dòng)模型有廣泛的了解。

詳細(xì)的應(yīng)用程序級(jí)別見(jiàn)解和操作模式定義。

這些為傳感器融合處理的實(shí)施提供了定義、指導(dǎo)和邊界（參見(jiàn)圖 6）。處理的核心是粒子過(guò)濾器，它隨著時(shí)間的推移跟蹤多個(gè)可能的運(yùn)動(dòng)，在過(guò)濾器區(qū)分它們時(shí)消除錯(cuò)誤的路徑。傳感器本身分布在消防員身上，以獲得最佳性能，無(wú)線身體網(wǎng)絡(luò)以及堅(jiān)固的回程通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接消防員、救援人員、指揮和控制，以及基于云的地圖和協(xié)調(diào)，如果可能和有用。

圖6.PLM 系統(tǒng)是基于高性能傳感器、互補(bǔ)傳感器過(guò)濾和處理以及基于云的數(shù)據(jù)庫(kù)和分析的完整傳感器融合解決方案。輸出是精確的位置和搜索路徑圖。

精確的定位和映射系統(tǒng)提供了一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的定位檢測(cè)方法，利用高性能傳感器和高級(jí)算法以最佳方式合并所有機(jī)會(huì)信號(hào)。系統(tǒng)目標(biāo)是米級(jí)精度和實(shí)時(shí)路徑圖生成。工業(yè)級(jí)MEMS慣性傳感器的進(jìn)步使PLM成為可能，完整的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法允許解決技術(shù)障礙，同時(shí)實(shí)現(xiàn)商業(yè)指標(biāo)。

持續(xù)的工作重點(diǎn)是集成最新一代傳感器的進(jìn)步，并將其與第一響應(yīng)者操作場(chǎng)景定義中的新見(jiàn)解相匹配。最終集成將包括優(yōu)化的外形尺寸和機(jī)身位置，以及更完整地實(shí)施所需的通信鏈路和最終系統(tǒng)認(rèn)證。

審核編輯：郭婷