基于手机信号的灾后信道参数提取与定位搜救方法研究

作     者：胡喆馨 

作者单位：中国人民公安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卜凡亮;谭林

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：灾后搜救 神经网络 手机信号 信道参数 定位算法 

摘      要：各种灾害会对人们的生命安全造成威胁,如何能够在灾难发生后高效可靠地完成定位搜救是救援工作的重要内容。随着信息技术的高速发展,手机携带率及使用率逐年升高、移动通信基础设施趋于完善,基于手机信号的定位搜救技术引起越来越多的关注。然而,目前基于手机信号的定位搜救方法尚未成熟,灾后现场的复杂环境给精确的定位带来了困难和挑战。针对现阶段手机通信救援方案面临的难题,本文将基于神经网络的信道参数提取方法与基站定位算法相结合运用于灾后搜救方法的研究,并分别针对多基站与单基站定位算法进行分析。其具体的创新和工作如下:(1)针对非视距环境下反向传播神经网络对信道参数的提取的问题,提出GAPSO优化的神经网络信道参数提取方案,增加了非视距环境下信道参数的提取能力与稳定性。首先采用Qua Dri Ga仿真平台生成非视距状态下的信道传播场景,获取时延、方位角等表征信道特性的相关参数,输入到反向传播神经网络进行训练,并利用遗传算法与粒子群算法结合的GAPSO算法对原有的神经网络进行优化,以克服在训练过程中出现的易陷入局部最小值、估计精度不足等问题。信道参数的提取既能为灾后通信系统的恢复提供帮助,更对幸存者的位置精确解算有着重要作用。(2)针对非视距传播条件下的基站定位问题,提出改进的多基站与单基站定位算法,改善了灾后复杂环境下基站定位的精度。当灾害现场的原有基站未被完全毁坏,或手持便携基站数量充足时,可使用多基站定位方案进行定位搜救。首先,利用改进的残差加权算法进行待定位目标位置的初值估计;其次,在原泰勒算法的基础上融入待定位目标间的位置约束关系,进行多元泰勒级数展开以获得更精确的位置估计;最后,对两个阶段的定位结果进行残差加权,有效降低非视距误差的影响,得到更好的定位效果。而当灾害现场基站损坏严重或便携救援基站匮乏时,针对单基站定位算法,结合手持移动救援基站方便移动的特点,对反射体位置进行拟合,并使用虚拟基站进行目标位置求解,同时充分利用冗余信息进行几何约束下的加权位置解算,提高单基站的定位精度。(3)针对整体的定位搜救方案,初步设计了集管理、搜救、统计等于一体的定位搜救系统,解决实际灾后搜救过程中后方指挥人员与前线手持便携基站的搜救人员协同联动问题。通过对多个板块的设计,将现场的监控、信道参数的获取、多基站与单基站定位等算法和待搜救的幸存者的统计整合起来,使操作人员在后台就可以掌握具体所需的数据与救援的实时状态,以帮助完成对灾情及伤亡情况的整体评估。