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礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端高精度定位的方法
【專利摘要】本發(fā)明的名稱為“礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端高精度定位的方法”，提供一種在礦井巷道環(huán)境中對(duì)無(wú)線移動(dòng)終端進(jìn)行高精度定位的方法和系統(tǒng)，解決了目前無(wú)線定位方法和系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端高精度定位的問題。技術(shù)方案要點(diǎn)：勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行巷道無(wú)線信號(hào)采樣，建立巷道信號(hào)傳輸距離校正模型；定位基站接收移動(dòng)終端的定位請(qǐng)求信號(hào)，返回定位響應(yīng)信號(hào)；移動(dòng)終端將定位交互數(shù)據(jù)發(fā)給定位基站；定位基站計(jì)算移動(dòng)終端的理論距離；利用巷道信號(hào)傳輸距離校正模型對(duì)理論距離校準(zhǔn)，得到最大似然位置；利用本方法中的啟發(fā)式位置校正算法，得到移動(dòng)終端的最終位置。本發(fā)明可以廣泛用于礦井巷道人員及移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線高精度定位。
【專利說明】礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端高精度定位的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明系關(guān)于一種檢測(cè)礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端并精確計(jì)算其位置的方法，特別是 根據(jù)定位基站與無(wú)線移動(dòng)終端之間測(cè)量得到的定位信號(hào)飛行時(shí)間（TimeOfFlight，T0F) 和實(shí)地勘測(cè)建立的巷道信號(hào)傳輸距離校正模型以及啟發(fā)式位置校正算法進(jìn)行高精度定位 的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 礦井巷道精確定位主要有基于RSSI的方法和TOA方法。在RSSI方法中，假設(shè)定位 信號(hào)發(fā)射時(shí)強(qiáng)度恒定，根據(jù)基站收到的定位信號(hào)強(qiáng)度值，計(jì)算信號(hào)在傳播過程中的損耗，按 照理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播損耗模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，最終計(jì)算出移動(dòng)終端的位置。 由于無(wú)線信號(hào)受環(huán)境影響很大，加上嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，造成RSSI定位精度不高，只有5?10 米。TOA方法，利用測(cè)量定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間來計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間，根據(jù)時(shí)間與路程關(guān)系計(jì) 算距離。這種方法要求基站與無(wú)線移動(dòng)終端之間實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格時(shí)間同步，這對(duì)于移動(dòng)設(shè)備是非 常困難的，時(shí)間同步誤差直接導(dǎo)致距離誤差。對(duì)于NLOS(NoneLineOfSight，非視距)信 號(hào)，由于反射、繞射的影響，直接計(jì)算得到的距離誤差較大。礦井巷道狹長(zhǎng)彎曲，利用多基站 消除定位誤差的方法不再適用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)目前無(wú)線定位方法不能實(shí)現(xiàn)礦井巷道高精度定位的缺陷，研究開發(fā)一 種檢測(cè)礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端并精確計(jì)算其位置的方法，綜合利用定位基站與無(wú)線移動(dòng)終 端之間測(cè)量得到的定位信號(hào)飛行時(shí)間（TimeOfFlight,T0F)、實(shí)地勘測(cè)建立的巷道信號(hào) 傳輸距離校正模型和啟發(fā)式位置校正算法，實(shí)現(xiàn)礦井巷道人員及設(shè)備的無(wú)線高精度定位。
[0004] 本發(fā)明提供一種在礦井巷道對(duì)無(wú)線移動(dòng)終端進(jìn)行高精度定位的方法和系統(tǒng)，以實(shí) 現(xiàn)礦井巷道中人員和設(shè)備的高精度定位。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一套無(wú)線移動(dòng)終端高精度定位算法和系統(tǒng)，其包含下列步驟：確定礦井巷道中所有無(wú) 線定位基站的準(zhǔn)確安裝位置，精確測(cè)量并記錄其坐標(biāo)；勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)地信號(hào)采樣，建立巷道 信號(hào)傳輸距離校正模型，本模型包含了特定巷道位置處理論距離校正參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征；無(wú) 線移動(dòng)終端向周圍的定位基站發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)；定位基站向移動(dòng)終端回復(fù)定位響應(yīng)信 號(hào)；無(wú)線移動(dòng)終端將定位交互數(shù)據(jù)發(fā)給定位基站；識(shí)別出接收到移動(dòng)終端定位交互數(shù)據(jù) 最早的兩個(gè)基站；根據(jù)定位交互數(shù)據(jù)中記錄的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，計(jì)算定位信號(hào)單程飛行時(shí)間 T0F，并進(jìn)一步計(jì)算出無(wú)線移動(dòng)終端到兩個(gè)基站的理論距離；利用信號(hào)傳輸距離校正模型對(duì) 理論距離進(jìn)行校準(zhǔn)；根據(jù)兩個(gè)基站的坐標(biāo)，分別計(jì)算出移動(dòng)終端的可能位置坐標(biāo)，取兩個(gè)坐 標(biāo)的加權(quán)平均作為移動(dòng)終端的最大似然位置；利用本方法中的啟發(fā)式位置校正算法，對(duì)最 大似然位置進(jìn)行校正：參照歷史位置序列，確定最大似然位置處的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和平均運(yùn)動(dòng)速 率，對(duì)存在位置突變和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)改變的當(dāng)前位置進(jìn)行校正或剔除，從而得出準(zhǔn)確的位置坐 標(biāo)；加入歷史位置序列；輸出位置坐標(biāo)作為無(wú)線終端的定位結(jié)果。
[0006] 所述移動(dòng)終端包括但不限于人員定位識(shí)別卡。
[0007] 所述TOF是由定位基站和無(wú)線移動(dòng)終端協(xié)同測(cè)量得到。
[0008] 所述方法接收礦井下巷道無(wú)線定位基站發(fā)送的定位交互數(shù)據(jù)信息包。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：綜合利用巷道信號(hào)傳輸距離校正模型和啟發(fā)式位置校正 算法，利用無(wú)線移動(dòng)終端與兩個(gè)無(wú)線定位基站協(xié)同測(cè)量的定位信號(hào)飛行時(shí)間（Time Of Flight，T0F)來計(jì)算無(wú)線移動(dòng)終端的精確位置，該發(fā)明充分考慮了礦井巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和 生產(chǎn)組織特點(diǎn)，充分考慮了礦井巷道中無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)奶匦裕瑢?shí)現(xiàn)了礦井巷道中人員和設(shè) 備的高精度定位，該發(fā)明的定位精度達(dá)到〇. 3米，局部區(qū)域小于0. 15米。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為巷道中基站安裝位置和移動(dòng)終端位置示意圖 圖2為移動(dòng)終端位置計(jì)算示意圖 圖3為礦井巷道采樣距離分布圖 圖4為發(fā)明的工作流程圖 圖5為移動(dòng)終端精確定位意圖

【具體實(shí)施方式】
[0011] 本發(fā)明提供一種綜合無(wú)線移動(dòng)終端與兩個(gè)無(wú)線定位基站協(xié)同測(cè)量的定位信號(hào)飛 行時(shí)間（Time Of Flight，T0F)、巷道信號(hào)傳輸距離校正模型和啟發(fā)式位置校正算法，檢測(cè) 無(wú)線移動(dòng)終端并精確計(jì)算其位置的方法和系統(tǒng)，應(yīng)用于礦井巷道中人員及設(shè)備的無(wú)線高精 度定位。
[0012] 請(qǐng)參閱圖1。圖1示意了一段典型的礦井巷道、巷道中無(wú)線定位基站的安裝位置和 無(wú)線移動(dòng)終端的位置。無(wú)線移動(dòng)終端可以是人員定位標(biāo)識(shí)卡，然而并不限于此，例如也可以 是WIFI無(wú)線移動(dòng)電話。
[0013] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，利用礦井巷道的信號(hào)傳輸距離校正模型。建立此 模型的方法可以(包括但不限于）是：選擇一段具代表性的安裝有無(wú)線定位基站的巷道，在 巷道中選定一組測(cè)量點(diǎn)位，精確測(cè)量出每一點(diǎn)位到基站的準(zhǔn)確距離；用本發(fā)明的方法在每 一個(gè)測(cè)量點(diǎn)位處對(duì)測(cè)量點(diǎn)位到基站的距離進(jìn)行一組測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，得 到每個(gè)點(diǎn)位處的統(tǒng)計(jì)距離值，將上述一組測(cè)量點(diǎn)位的準(zhǔn)確距離和統(tǒng)計(jì)距離值作為此段巷道 的信號(hào)傳輸距離校正模型。
[0014]請(qǐng)參照?qǐng)D4。圖4顯示了按照本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作流程圖。于步驟SlOO中， 無(wú)線移動(dòng)終端發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)。信號(hào)中包含無(wú)線移動(dòng)終端的唯一標(biāo)識(shí)碼(包括但不限于 終端的MAC地址)、唯一網(wǎng)絡(luò)地址。通常，本方法需要無(wú)線移動(dòng)終端和定位基站建立無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)連接。于步驟SllO中，定位基站收到移動(dòng)終端的定位請(qǐng)求信號(hào)，返回移動(dòng)終端定位響應(yīng) 信號(hào)。響應(yīng)信號(hào)中包含基站的唯一標(biāo)識(shí)碼(包括但不限于基站的MAC地址)、唯一網(wǎng)絡(luò)地址、 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址。于步驟S120中，基站接收無(wú)線終端發(fā)送的定位交互數(shù)據(jù)。定位交互數(shù)據(jù)中 包含移動(dòng)終端唯一標(biāo)識(shí)碼、定位請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送時(shí)間、定位響應(yīng)信號(hào)接收時(shí)間、定位交互數(shù)據(jù) 發(fā)送時(shí)間、定位基站唯一標(biāo)識(shí)碼等信息。基站在交互數(shù)據(jù)中附加請(qǐng)求信號(hào)接收時(shí)間、定位響 應(yīng)信號(hào)發(fā)送時(shí)間、交互數(shù)據(jù)接收時(shí)間等信息，將交互數(shù)據(jù)發(fā)給本系統(tǒng)。通常，本方法需要連 接到網(wǎng)絡(luò)中，并與無(wú)線定位基站能夠網(wǎng)絡(luò)連通。
[0015] 于步驟S130中，識(shí)別出最先接收到數(shù)據(jù)的兩個(gè)基站。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中， 無(wú)線定位基站可以采用定向天線來接收無(wú)線移動(dòng)終端的信號(hào)，在這種情況下，可以僅識(shí)別 出最先接收到交互數(shù)據(jù)的無(wú)線定位基站的數(shù)據(jù)包。
[0016] 于步驟S140中，計(jì)算無(wú)線終端到兩基站的理論距離。理論距離按照礦井巷道中無(wú) 線信號(hào)傳播速度-時(shí)間公式計(jì)算產(chǎn)Φ:

【權(quán)利要求】
1. 一種用于計(jì)算礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端的位置的方法，其包括： 無(wú)線移動(dòng)終端； 準(zhǔn)確的無(wú)線基站在巷道中的位置； 定位信號(hào)的飛行時(shí)間TOF ; 礦井巷道信號(hào)傳輸距離校正模型； 歷史位置序列； 啟發(fā)式位置校正算法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述無(wú)線移動(dòng)終端包括但不限于人員定位識(shí)別 卡，例如也可以是裝有定位模塊的無(wú)線移動(dòng)電話等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其無(wú)線終端的通訊方式包括但不限于WIFI，例如也可 以是 ZIGBEE、UWB 等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，準(zhǔn)確的礦井巷道無(wú)線基站安裝位置由測(cè)量得到，包含 所在巷道名稱和位置坐標(biāo)，其坐標(biāo)參考系由相應(yīng)的礦井測(cè)繪部門給出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，礦井巷道信號(hào)傳輸距離校正模型通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)采樣 數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析建立，這一模型包含了巷道特定位置處距離誤差的統(tǒng)計(jì)特征。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，啟發(fā)式位置校正算法用于對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行校準(zhǔn)，具體 算法包括但不限于：對(duì)照所在巷道的信號(hào)傳輸距離校正模型，對(duì)理論距離進(jìn)行校正，得到最 大似然位置，然后根據(jù)無(wú)線移動(dòng)終端的最大似然位置所確定的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和平均運(yùn)動(dòng)速率， 參照歷史位置序列，對(duì)存在位置突變和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)改變的當(dāng)前位置進(jìn)行校正或剔除，從而得 出準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，定位信號(hào)(包括請(qǐng)求和響應(yīng)信號(hào)）的飛行時(shí)間TOF由無(wú) 線定位基站和移動(dòng)終端協(xié)同測(cè)量得到，用于最終計(jì)算無(wú)線終端的位置，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到 定位服務(wù)器或上位機(jī)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中包括歷史位置序列，用于保存無(wú)線移動(dòng)終端在過 去一段時(shí)間的位置信息，并作為啟發(fā)式位置校正算法的數(shù)據(jù)來源。
9. 一種用于確定礦井巷道無(wú)線移動(dòng)終端精確位置的方法，所述方法包括步驟： (a) 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣，建立巷道信號(hào)傳輸距離校正模型； (b) 確定所有無(wú)線定位基站的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)； (c) 定位基站接收移動(dòng)終端的定位請(qǐng)求信號(hào)，返回定位響應(yīng)信號(hào)； (d) 移動(dòng)終端發(fā)送定位交互數(shù)據(jù)給定位基站； (e) 定位基站計(jì)算移動(dòng)終端的理論距離； (f) 利用（a)中所述巷道信號(hào)傳輸距離校正模型校正（e)中的理論距離，得到最大似然 位置； (g) 利用本方法中的啟發(fā)式位置校正算法，對(duì)最大似然位置進(jìn)行校正； (h) 將校正后的位置加入歷史位置序列； (i) 輸出無(wú)線終端的位置作為定位結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01S5/02GK104316904SQ201410408078
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】蔡元龍, 張占軍, 董殿崢, 姚向, 陳昊 申請(qǐng)人:營(yíng)口瑞華高新科技有限公司