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将日常手机变成搜救信标
拯救生命的同时为 6G 做好准备
在科罗拉多州崎岖的山区地形中，寻找失踪的徒步旅行者就像大海捞针，即使有一架直升机在树梢上方 50 英尺处盘旋。但是，一种名为 Lifeseeker 的新型蜂窝检测系统正在将我们最普遍的设备之一手机转变为强大的定位信标，从而改变荒野搜救行动。
科罗拉多高地直升机公司的急诊医学医师兼搜救项目协调员 Tim Durkin 说道：“这意义深远。飞机进入峡谷，立即就接收到了信号。在一分半钟内，你就可以在几米之内对某人进行地理定位。”
这种快速定位能力代表了搜索救援技术的革命性进步。传统的搜索方法有局限性。搜救犬在很大程度上依赖于环境条件，例如风和湿度。红外摄像机可以探测到体热，但无法透过茂密的树冠。即使用直升机进行目视搜索，也常常无法发现穿着与自然背景相近颜色衣服的人。
该系统实际上将救援直升机变成了移动手机信号塔。安装后，Lifeseeker 的硬件会连接到三根天线（两个蜂窝天线和一个 GPS 天线），并发出搜索区域内的任何活动手机都会尝试连接的信号。该系统会拒绝所有其他手机，只连接到它正在搜索的设备，从而保护附近其他手机的数据。使用由 MATLAB® 提供支持的复杂飞行时间分析和信号处理，该系统可以快速对失踪人员的设备进行三角定位，即使在没有蜂窝信号覆盖的地区也是如此。
尽管技术复杂，Lifeseeker 的部署却很简单。“这是一种即插即用的解决方案，”Durkin 说道。搜救队的工作人员可以在三到五分钟内将整个系统安装到直升机上，只需要四根电缆连接。该界面可通过 Wi-Fi® 连接在任何平板电脑上运行，以飞行员和搜索队熟悉的格式显示数据。当紧急服务部门提供失踪人员的电话详细信息时，团队可以对系统进行编程，使其只关注该设备，过滤掉搜索区域内的其他蜂窝信号。
使用 Lifeseeker 技术执行的搜索和救援任务。（视频所有权：CENTUM)
安装在直升机下方的天线。（图片所有权：CENTUM)
这种易用性与结果的可靠性相结合，可能就是 Durkin 工作中取得成功与遇到最大困难之间的分界线。Durkin 说道，“我们必须告诉一个家庭我们已经用尽了一切资源，但还是找不到他们的亲人，这是搜救过程中最艰难的对话之一。”这就是为什么这项技术如此令人兴奋的原因。它为我们提供了另一种使用手机定位人员的工具，即大多数人都随身携带的手机。”
救生技术
CENTUM 是 Lifeseeker 背后的西班牙公司，于 2011 年开始开发该工具，其理念颇具远见：将手机变成紧急信标。创始人相信市场已经为空中搜救解决方案做好了准备，但发现搜救组织尚未意识到蜂窝技术的潜力。
为了在快速发展的蜂窝技术中保持领先，同时满足严格的航空要求，三位工程师在该工程系统的早期阶段进行原型设计，使用一系列仿真工具克服跨越不同蜂窝世代和多样地形检测和定位手机的挑战。
早期原型面临另一个重大挑战：蜂窝技术的快速发展。CENTUM 最初的系统是为 2G 网络设计的，但当它准备就绪时，由于 3G 网络的普及，它几乎已经过时了。这次经历凸显了 CENTUM 需要克服的一个独特挑战：在两个非常不同的技术世界之间架起桥梁。
CENTUM 技术经理 Brais Sánchez Rama 表示：“我们属于发展速度超快的电信行业，但我们也属于发展缓慢的航空业，该行业最关注的是安全，任何变革对于飞机制造商和航空电子集成商来说都是痛苦的。”
为了在快速发展的蜂窝技术中保持领先，同时满足严格的航空要求，三位工程师在该工程系统的早期阶段进行原型设计，使用一系列仿真工具克服跨越不同蜂窝世代和多样地形检测和定位手机的挑战。该技术使用来自紧急服务和蜂窝运营商的特定手机标识符来监控搜索区域内商业蜂窝网络的状态。一旦输入这些标识符，系统就可以检测目标手机并分析蜂窝信号以估计人的位置，同时又能考虑到飞机运动和速度，天气状况以及来自无线网络的无线电传播效应等变量。
Lifeseeker 地理定位事件。（图片所有权：CENTUM)
物理原型之前的仿真
开发过程从广泛的仿真开始。该团队使用 MATLAB 和 Simulink® 仿真不同蜂窝信号在不同环境中的行为方式。这个虚拟试验场使他们能够在进入现场试验之前尽早发现设计故障并优化他们的地理定位技术。最大的技术障碍之一是确保该系统能够与任何手机兼容。
“能够首先仿真我们的系统可以让我们提高效率。我们从具有很大技术不确定性的开放性问题开始，并通过仿真缩小范围。
每一代蜂窝通信都使用不同的波形、协议和信号结构，”Sánchez Rama 说道。“我们的系统必须兼容所有版本的蜂窝通信，因为我们不知道失踪人员是否拥有 2G、3G、4G 或 5G 手机。”
移动服务提供商在每个国家/地区部署的网络也不同，这又增加了一层复杂性。当 CENTUM 首次在美国测试其系统时，由于它针对欧洲蜂窝网络进行了优化，因此运行效果并不如预期。仿真各种网络配置的能力有助于 CENTUM 开发无论位于何处均可运行的解决方案。
在整个开发过程中，该团队利用了十多个专用工具箱，包括 Communications Toolbox™、LTE Toolbox™ 和 5G Toolbox™ 来生成、修改和解码跨代信号。Signal Processing Toolbox™ 和 Radar Toolbox 有助于优化处理方法。RF Toolbox™、Antenna Toolbox™ 和 Phased Array System Toolbox™ 模拟硬件对信号处理链的影响，这对于理解物理因素如何影响检测能力至关重要。
Mapping Toolbox™ 和 Navigation Toolbox™ 是开发地理定位算法的关键，可以准确在地图上定位失踪人员的位置。依赖于 MATLAB 的系统仿真阶段获得的知识和解决方案随后被转移到生产中。该系统允许搜救队使用可在平板电脑或笔记本电脑上轻松操作的基于网络的界面。
在向 Lifeseeker 部署更新之前，该团队使用软件定义的无线电设备在实验室中验证了他们的算法。这些硬件通过 Communications Toolbox 进行控制，弥补了仿真和实际性能之间的差距。
平板电脑上使用 Lifeseeker 技术来帮助定位人员。（图片所有权：CENTUM)
通过仿真各种蜂窝环境和协议，CENTUM 能够适应电信技术的不断演变。传统方法需要在纸上勾勒解决方案，直接在软件中实现，构建硬件组件，并对每次迭代进行飞行测试，这是一种成本更高、更耗时的方法。
“能够首先仿真我们的系统可以让我们更加高效，”Sánchez Rama 说道。“我们从具有很大技术不确定性的开放性问题开始，并通过仿真缩小范围。”该团队估计，与传统方法相比，这种方法可将设计时间缩短三分之一到一半。
当现场测试发现新的挑战时，他们可以在实验室中收集任务数据，分析信号结构和协议问题，并通过仿真开发更强大的解决方案。这种系统方法帮助他们从特定国家/地区的实施演变为一种更普遍的系统，能够跨越不同的网络部署在全球范围内工作。
“技术不确定性越高，我们在第一次设计迭代中出现某种失败的可能性就越大，”Sánchez Rama 说道。“能够在不需要原型的情况下及早失败是高效工程生命周期的关键。”
拯救生命的同时，为未来做好准备
据报道，过去一年里，Lifeseeker 已成功完成 220 多次任务，此外还有更多任务因隐私限制而未报告，Lifeseeker 的影响已经帮助了 20 多个国家/地区的 40 多位客户。瑞士和列支敦士登的空中救援服务机构 Rega 的一次任务特别展示了该系统的救生能力。
“AI 将成为 6G 的基础。无线电系统将有望具备相互学习以及从周围环境学习的能力。”
一天凌晨，Rega 收到警报，称一名老人与她的车辆自前一天起失踪。与警方合作，Rega 识别出该人手机最后连接的手机信号塔，但搜索区域仍然巨大。凌晨 3 点，Rega 直升机载着 Lifeseeker 起飞。
大约 10 分钟后，司机的手机连接到 Lifeseeker 系统。几分钟后，救援人员精确定位到了手机的位置：车辆冲过路堤并坠毁在下面的森林里。撞击导致司机被困在车内，她的手机被丢在了残骸中够不着的地方。Lifeseeker 帮助他们及时找到飞机残骸，并将受害者送往医院，她最终成功康复。
随着 CENTUM 展望未来，他们正在为下一代蜂窝技术做准备。6G 将带来新的挑战和机遇，特别是通过人工智能的融合。Sánchez Rama 表示：“AI 将成为 6G 的基础。无线电系统有望具备相互学习以及从周围环境学习的能力。”该团队希望利用 Deep Learning Toolbox™ 使他们的系统适应这种新的基于 AI 的范式。
使用机载电话定位系统进行搜索和救援。（视频所有权：CENTUM)
随着未来蜂窝标准的发展，CENTUM 也在探索与非地面网络的整合，将地面塔与卫星站合并，从而有可能提供地面与空间通信之间的无缝覆盖。同时，使用天线阵列以电子方式控制信号方向的波束成形技术为提高定位精度提供了另一种有前途的方式。
随着蜂窝技术的持续快速发展，CENTUM 始终专注于其核心使命：将日常手机变成潜在的救生设备。该公司采用的开发方法在适应快速技术变革的同时，严格遵循航空领域的安全标准，一步一个脚印地不断推动全球搜救能力的提升。
