一种利用氦气球升空发送求救信息的系统及定位方法

1.本发明涉及物理技术领域，更进一步涉及救援设备技术领域中的一种利用氦气球升空发送求救信息的系统及定位方法。本发明可通过氦气球携带信号发射器升空后向外发送求救信号，再由接收器获取信号发射器位置并拟合轨迹的装置及方法获取出受困者的位置。


背景技术：

2.随着生活水平的大幅度提高，旅游成为人们闲暇时的主要选择。在户外探险中，如果遇到突发状况，野外复杂的地形加大了搜救的难度与准度，如何让整个求救过程快速且精确成为必要。目前常用的求救设备，手机、手表等电子设备，受困者身处的外界环境中遮挡物对信号的干扰或者附近没有通信基站难以保证求救信号的传输；一些依靠声音、视觉向外求救的设备和方法，求救范围受限，救援时间过长；一些精度较高的求救设备体型较大，不便于携带。如何在保证救援设备容易携带与操作的同时，也能完成信号长距离传输，救援人员对受困者位置的精准定位成为了需要解决的关键问题。
3.广东技术师范大学天河学院在其申请的专利文献“一种野外求救设备”(专利申请号cn 202010385262.x，申请公布号cn 111572749 a)中公开了一种高空控制野外救装置。该装置包括控制系统、气瓶和气囊，求救人员可通过控制系统控制气阀开启以使气瓶向气囊充气，气囊充气后膨胀并由释放通道释放至外部，气囊可带动该户外求救设备上升至空中，增加该野外求救设备的高度和移动速度，从而提高信号发射接收模块以及gps定位模块的信号搜索效率，便于野外求救设备搜索到通信信号和位置信息；在检测到位置信息和通信信号后，信号发射接收模块将位置信息发送给通信信号，帮助搜救人员快速确定求救人员的位置，提高救援的成功率。该方法存在的不足之处是，首先，该设备较复杂，户外探险人员不易掌握使用方法，也不便于携带；其次，该设备的造价较高，不便于普及。
4.深圳市达伦仕科技有限公司在其申请的专利文献“户外救援定位器”(专利申请号cn 202010472592，申请公布号cn 111640271a)中公开了一种户外救援定位器。该装置包括容气罐、气球容纳部、绳索容纳部和警示气球，其中，所述容气罐的顶部与所述气球容纳部可拆卸连接且密封配合，所述警示气球位于所述气球容纳部内且所述警示气球与所述容气罐的开口相连通，所述容气罐内的气体能进入到所述警示气球内且充气后的所述警示气球能升空；所述容气罐的底部与所述绳索容纳部可拆卸连接且密封配合，所述绳索容纳部内设置有绳索，所述绳索的一端与所述容气罐固定连接，所述绳索的另一端伸出所述绳索容纳部。充气后的警示气球会带着容气罐升空，绳索可以限制警示气球的升空高度，使得警示气球在空中长时间悬停，可使救援人员发现进行救援。该方法存在的不足之处是，警示气球只在视觉上引起救援人员注意，求救的速度较慢，定位精度较低，容易错过最佳救援时间；相对的求救范围较小，仍存在局限性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种利用氦气球升空发送求救信息的系统及定位方法，用于解决现有装置造价高，体积大；解决现有装置的操作复杂，用户使用困难；求救过程长，容易错过最佳救援时间；求救范围有限、救援信号易受遮蔽物阻挡的问题。
6.实现本发明目的的思路是：
7.本发明系统中的求救装置是一个由氦气球、信号发射器、氦气罐等物件构成的小型圆柱形物体，装置中的信号发射器向外发送信号不接收信号，克服了现有技术中装置内部构造复杂带来的造价较高，设备体积大的问题；本发明系统采用一键式启动结构，打开保护开关硬质塑料外壳并按压求救装置的开关，本发明装置上部分外壳解体，氦气罐开始向氦气球充气，信号发射器中延时启动器开始工作，克服了现有技术操作复杂，用户使用困难的问题，使得本发明可以简化受困者的操作，缩短受困者求救的时间。本发明采用氦气球携带信号发射器升空传输信号的方式，克服了现有技术在求救过程中求救范围有限、救援信号易受遮蔽物阻挡的问题，使得本发明求救信号的传递成功率高，保证了求救信号的远距离精准传输。本发明的定位方法采用三维曲线拟合的方法，计算每个时刻信号发射器的坐标位置，确定信号发射器的有效坐标位置，再对有效的信号发射器进行三维曲线拟合得到曲线，与水平坐标面相交获取受困者精确位置坐标，克服了现有技术在获取受困者位置过程中精确度低，救援过程长的问题。
8.本发明所述一种利用氦气球升空发送求救信息的系统包括求救装置、地面接收器，所述求救装置为圆柱体，其上部设有氦气球、信号发射器、气球托，圆柱体的下部放置一个氦气罐；所述地面接收器中包括位置计算模块、异常点去除模块、曲线拟合模块、确定位置坐标模块；其中：
9.所述信号发射器位置计算模块，用于计算每个时刻信号发射器的坐标位置；
10.所述异常点去除模块，用于将接收器可视化处理后的每个位置坐标信息，在坐标系中标注到相应的坐标位置上；通过计算信号发射器位置坐标的均值与标准差，删除信号发射器的位置坐标异常点；
11.所述曲线拟合模块将信号发射器所有有效三维位置的坐标拟合后绘制为一条曲线；
12.所述确定位置坐标模块，用于将拟合后曲线与水平坐标面相交点，确定为受困者位置的坐标。
13.本发明所述一种利用氦气球升空发送求救信息的系统的定位方法，计算每个时刻信号发射器的坐标位置，确定信号发射器的有效坐标位置，拟合坐标位置点的轨迹；该定位方法的具体步骤包括如下：
14.步骤1，受困者启动求救信息的装置；
15.步骤2，氦气球升空；
16.步骤3，信号发射器传输信号：
17.信号发射器在延时预设的时间后，自动以固定的频率向外传输信号；
18.步骤4，计算每个时刻信号发射器的坐标位置：
19.信号发射器位置计算模块计算每个时刻信号发射器的坐标位置；
20.步骤5，确定信号发射器的有效坐标位置：
21.异常点去除模块将接收器可视化处理后的每个位置坐标信息，在坐标系中标注到相应的坐标位置上；通过计算信号发射器位置坐标的均值与标准差，删除信号发射器的位置坐标异常点；
22.步骤6，拟合坐标位置点的轨迹：
23.曲线拟合模块将信号发射器所有有效三维位置的坐标拟合后绘制为一条曲线；
24.步骤7，确定受困者位置坐标：
25.确定位置坐标模块将拟合后曲线与水平坐标面相交点，确定为受困者位置的坐标。
26.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
27.第一，由于本发明系统中的求救装置是一个由氦气球、信号发射器、氦气罐等物件构成的小型圆柱形物体，装置中的信号发射器向外发送信号不接收信号，克服了现有技术中装置内部构造复杂带来的造价较高，设备体积大的问题，使得本发明装置成本低，易于携带。
28.第二，由于本发明系统采用一键式启动结构，打开保护开关硬质塑料外壳并按压求救装置的开关，本发明装置上部分外壳解体，氦气罐开始向氦气球充气，信号发射器中延时启动器开始工作。克服了现有技术操作复杂，用户使用困难的问题，使得本发明可以简化受困者的操作，缩短受困者求救的时间。
29.第三，由于本发明的定位方法采用氦气球携带信号发射器升空传输信号的方式，克服了现有技术在求救过程中求救范围有限、救援信号易受遮蔽物阻挡的问题，使得本发明求救信号的传递成功率高，保证了求救信号的远距离精准传输。
30.第四，由于本发明的定位方法采用三维曲线拟合的方法，计算每个时刻信号发射器的坐标位置，确定信号发射器的有效坐标位置，再对有效的信号发射器进行三维曲线拟合得到曲线，与水平坐标面相交获取受困者精确位置坐标，克服了现有技术在获取受困者位置过程中精确度低，救援过程长的问题，使得本发明通过上述方法，完成对受困者位置的精确定位，缩短救援时间。
附图说明
31.图1为本发明系统中求救装置的结构示意图；
32.图2为本发明定位方法的流程图；
33.图3为本发明信号发射器定位原理示意图；
34.图4为本发明受困者位置定位图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
36.参照图1和实施例，对本发明系统做进一步的详细描述。
37.本发明的系统包括求救装置、地面接收器。
38.所述求救装置为外部结构和内部结构组成的圆柱体。
39.所述圆柱体的外部结构中包含求救装置的开关，硬质外壳，绳结。圆柱体上部外壳
是由绳结固定，按压求救装置的开关后，固定上部外壳的绳子松动，上部外壳自动解体。
40.所述求救装置的开关为装置的启动开关。
41.所述硬质外壳为一块硬质塑料外壳保护，防止误触。
42.所述绳结材质为尼龙，结实耐用，固定求救装置的上部外壳，紧绑在求救装置的开关上，求救装置的开关按压后松开。
43.所述圆柱体内部结构分为上、下两个部分，上面部分内装有氦气球、信号发射器、电线、绳子及气球托，气球托在氦气罐上方，氦气球的进气口在气球托的固定下，紧密包裹住氦气罐的出气口，绳子将信号发射器绑在气球托上；下面部分内放置一个与圆柱体内壁紧贴的圆柱形的氦气罐，氦气罐的出气口位于顶部，求救装置的开关在侧壁上，通过电线与信号发射器电路串联。求救装置的开关暴露在圆柱体外侧，外侧有一块硬质塑料外壳保护，防止误触。
44.所述氦气球为一次性使用产品，材质采用与探空气球的材质相同的天然胶乳或者氯丁胶乳。氦气球充满约为15寸，可以携带最多800g的物品。氦气球的进气口套在氦气罐的出气口上。
45.所述信号发射器由脉冲信号发射器、时延启动器与电池依次串联组成。
46.本发明实施例的脉冲信号发射器选用的型号为at89c1051，求救装置的开关触发后，信号发射器的时延启动器启动工作，在设定的延时5分钟后，实现脉冲信号发射器以固定的频率向外界持续发射求救信号。
47.所述电池为扣式(纽扣)电池。
48.所述电线，用于连接信号发射器及求救装置的开关。
49.所述绳子材质为尼龙，结实耐用，将信号发射器绑在气球托上。
50.所述氦气罐开关为按压式启动开关，位于求救装置的开关内侧，按压求救装置开关就可以压下内侧氦气罐开关启动充气，氦气罐内部储存4升左右用于氦气球升空的氦气，在给氦气球完全充气后自动闭合出气口。
51.所述绳子材质为尼龙，结实耐用，将信号发射器绑在氦气球的进气口外的气球托上。
52.所述气球托为塑料制品，用以实现氦气球的进气口紧密包裹住氦气罐的出气口。
53.本发明实施例的地面接收器中包括位置计算模块、异常点去除模块、曲线拟合模块、确定位置坐标模块。其中：
54.所述信号发射器位置计算模块，用于计算每个时刻信号发射器的坐标位置。
55.所述异常点去除模块，用于将接收器可视化处理后的每个位置坐标信息，在坐标系中标注到相应的坐标位置上。通过计算信号发射器位置坐标的均值与标准差，删除信号发射器的位置坐标异常点。
56.所述曲线拟合模块将信号发射器所有有效三维位置的坐标拟合后绘制为一条曲线。
57.所述确定位置坐标模块，用于将拟合后曲线与水平坐标面相交点，确定为受困者位置的坐标。
58.参照图2和实施例，对本发明的定位方法做进一步的描述。
59.步骤1，受困者启动求救装置。
60.受困者打开求救装置中保护开关硬质塑料外壳并按压求救装置的开关，固定外壳的绳子松开，上部分外壳解体，压缩氦气罐开启并向氦气球内部充气，信号发射器内部时延启动器开始工作。
61.步骤2，氦气球升空。
62.氦气罐完成向氦气球充气后，氦气罐出气口闭合，氦气球携带着氦气罐及信号发射器向上升空。
63.步骤3，信号发射器传输信号。
64.信号发射器中的时延启动器在延时计时达到预设的5分钟时间后，信号发射器开始以固定的频率向外界传输信号。
65.步骤4，计算每个时刻信号发射器的坐标位置。
66.参照图3和实施例，对本发明实施例中的信号发射器位置定位原理做进一步的描述。
67.图3中的坐标系为地心坐标系，该坐标系是以地球质心为原点建立的空间直角坐标系，以x，y，z为其坐标元素，选用cgcs2000坐标系作为计算所用坐标系，x轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面(历元2000.0)的交点，z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，y轴方向为与z轴、x轴构成右手正交坐标系的方向。
68.图3中的(za,ya,za)、(xb,yb,zb)和(xc,yc,zc)分别为接收器a、b、c在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置，(xi,yi,zi)分别为第i个时刻信号发射器在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置，分别为接收器a、b、c接收到信号发射器发射信号的第i个时刻，v为信号传输速度。
69.按照下式，计算每个时刻信号发射器在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置：
[0070][0071]
步骤5，确定信号发射器的有效坐标位置。
[0072]
对接收器获取得到的氦气球的位置坐标信息进行可视化处理，将获取的所有位置坐标信息都标注在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置，形成对应位置坐标点；再将获取的所有位置坐标点按照时间顺序，每2000个坐标点为一组，共截取成段时间窗，将每个时间窗中的所有坐标点作为一个数据集，计算均值与标准差，将与均值相差超过三倍标准差的点作为离群点，即为信号发射器的位置坐标异常点，在坐标系中删除该离群点。
[0073]
步骤6，拟合坐标位置点的轨迹。
[0074]
对其余有效的信号发射器的位置坐标点进行三维曲线拟合，得到信号发射器的运动轨迹s。位置坐标点随着个数的不断增加，三维曲线拟合的结果越来越逼近真实的氦气球运动轨迹。
[0075]
步骤7，确定受困者位置坐标。
[0076]
参照图4和实施例，对本发明实施例中确定受困者位置做进一步的描述。
[0077]
将拟合得到信号发射器的运动轨迹s绘制在cgcs2000坐标系中，沿着氦气球运动轨迹方程的逆方向，在图中找到逆氦气球运动方向与xoy平面的交点，记为初始点；在三维
模型图中找到初始点的位置信息，记为(x(0),y(0),0)，即受困者在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置。

技术特征：
1.一种利用氦气球升空发送求救信息的系统，该系统包括求救装置、地面接收器，其特征在于，所述求救装置为圆柱体，其上部设有氦气球、信号发射器、气球托，圆柱体的下部放置一个氦气罐；所述地面接收器中包括位置计算模块、异常点去除模块、曲线拟合模块、确定位置坐标模块；其中：所述信号发射器位置计算模块，用于计算每个时刻信号发射器的坐标位置；所述异常点去除模块，用于将接收器可视化处理后的每个位置坐标信息，在坐标系中标注到相应的坐标位置上；通过计算信号发射器位置坐标的均值与标准差，删除信号发射器的位置坐标异常点；所述曲线拟合模块将信号发射器所有有效三维位置的坐标拟合后绘制为一条曲线；所述确定位置坐标模块，用于将拟合后曲线与水平坐标面相交点，确定为受困者位置的坐标。2.根据权利要求1所述系统的一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，计算每个时刻信号发射器的坐标位置，确定信号发射器的有效坐标位置，拟合坐标位置点的轨迹；该定位方法的具体步骤包括如下：步骤1，受困者启动求救装置；步骤2，氦气球升空；步骤3，信号发射器传输信号：信号发射器在延时预设的时间后，自动以固定的频率向外传输信号；步骤4，计算每个时刻信号发射器的坐标位置：信号发射器位置计算模块计算每个时刻信号发射器的坐标位置步骤5，确定信号发射器的有效坐标位置：异常点去除模块将接收器可视化处理后的每个位置坐标信息，在坐标系中标注到相应的坐标位置上；通过计算信号发射器位置坐标的均值与标准差，删除信号发射器的位置坐标异常点；步骤6，拟合坐标位置点的轨迹：曲线拟合模块将信号发射器所有有效三维位置的坐标拟合后绘制为一条曲线；步骤7，确定受困者位置坐标：确定位置坐标模块将拟合后曲线与水平坐标面相交点，确定为受困者位置的坐标。3.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步骤1中所述启动求救装置指的是，受困者打开求救装置中保护开关硬质塑料外壳并按压求生装置的开关，固定外壳的绳子松开，外壳解体，压缩氦气罐开启向氦气球内部充气，信号发射器内部时延启动器开始工作。4.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步骤2中所述氦气球升空指的是，氦气罐完成向氦气球充气后，氦气罐出气口闭合，氦气球携带着氦气罐及信号发射器向上升空。5.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步骤3中所述信号发射器传输信号指的是，信号发射器中的时延启动器在延时计时达到预设的5分钟时间后，信号发射器开始以固定的频率向外界传输信号。6.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步
骤4中所述计算每个时刻信号发射器的坐标位置是由下述公式计算得到的：其中，(x
a
,y
a
,z
a
)、(x
b
,y
b
,z
b
)和(x
c
,y
c
,z
c
)分别为接收器a、b、c在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置，(x
i
,y
i
,z
i
)分别为第i个时刻信号发射器在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置，分别为接收器a、b、c接收到信号发射器发射信号的第i个时刻，v为信号传输速度。7.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步骤5中所述确定信号发射器的有效坐标位置指的是，对接收器获取得到的氦气球的位置坐标信息进行可视化处理，将获取的所有位置坐标信息都标注在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置，形成对应位置坐标点；再将获取的所有位置坐标点按照时间顺序，每2000个坐标点为一组，共截取成段时间窗，将每个时间窗中的所有坐标点作为一个数据集，计算均值与标准差，将与均值相差超过三倍标准差的点作为离群点，即为信号发射器的位置坐标异常点，在坐标系中删除该离群点。8.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步骤6中所述拟合坐标位置点的轨迹指的是，删除离群点后，对其余有效的信号发射器的位置坐标点进行三维曲线拟合，得到信号发射器的运动轨迹及拟合曲线的方程表达式；位置坐标点随着个数的不断增加，三维曲线拟合的结果越来越逼近真实的氦气球运动轨迹。9.根据权利要求2所述一种利用氦气球升空发送求救信息的定位方法，其特征在于，步骤7中所述确定受困者位置坐标指的是，将拟合得到信号发射器的运动轨迹s绘制在cgcs2000坐标系中，沿着气球运动轨迹方程的逆方向，在图中找到逆氦气球运动方向与xoy平面的交点，记为初始点；在三维模型图中找到初始点的位置信息，记为(x(0),y(0),0)，即受困者在cgcs2000坐标系中对应的坐标位置。

技术总结
本发明公开了一种利用氦气球升空发送求救信息的系统及定位方法，主要解决用于解决现有装置造价高体积大、操作复杂、求救过程长；求救范围有限、救援信号易受遮蔽物阻挡的问题。本发明实现步骤为：受困者启动求救信息的装置；氦气球升空；信号发射器传输信号；信号发射器位置计算模块计算每个时刻信号发射器的坐标位置；确定信号发射器的有效坐标位置；拟合坐标位置点的轨迹；确定受困者位置坐标。本发明在地面接收器获取信号发射器位置后采用三位曲线拟合的定位方法，装置成本低，易于携带，简化受困者的操作，缩短受困者求救的时间，求救信号传递成功率高，保证了求救信号的远距离精准传输，完成高精确度的定位。完成高精确度的定位。完成高精确度的定位。


技术研发人员：许录平 阎博 张华 张家宁 关润雨 张陈柠 田明昊 李小军
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/9/14