应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法与流程
本发明属于无线定位领域，具体涉及一种应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法。
背景技术：
随着信息化时代的深入，“位置”信息作为一类人们日常生活必不可缺的基本信息逐渐被予以关注，尤其是随着无线通信技术的快速发展，到如今人们日常生活中的很多活动都需要在卫星定位、导航技术下开展，然而在很多场合下卫星信号无法覆盖或者接收到的信号较弱，这时想要获取自身的相对位置便是一件很困难的事，但是人类目前的很多活动、工作已经完全离不开位置信息，这就使得越来越多的无线定位技术得以产生、发展，例如超宽带定位技术，超宽带(ultrawideband，uwb)无线通信技术的研究在近些年发展迅速，市场前景以及市场需要非常旺盛，尤其是在定位领域大放异彩，超宽带定位具有较高的时间分辨率和较强的抗多径干扰能力，理论上好的uwb定位算法可以使定位系统达到厘米级甚至更高的定位精度，而且硬件要求也并不高，实现起来也非常方便，适合很多工作场合进行区域内的相对定位。
现在市面上存在的无线定位技术有基于蓝牙，wifi，zigbee，rfid，uwb的定位技术，这些技术中由于uwb信号发射脉冲极短极窄，使得其在抗干扰性、抗衰减，高分辨率，抗多径方面有着很好的效果，同时相对于卫星导航uwb定位显得极其方便，它支持自主布站，不需要接收卫星信号，不需要高成本的同步时钟，能以低成本的硬件条件达到百米区域内厘米级的定位精度，非常适合一定范围区域内的自主定位。
基于uwb的定位算法目前有基于到达时间，到达时间差，接收信号强度，到达角度等多种算法。基于到达时间的算法目前使用较为广泛，它在系统容量，系统可靠性，算法复杂度方面有着较大的优势，因此成为了大家普遍采用的一种算法基础。但是在实际使用中由于使用场景的不同，定位目标的特性需要做一些特别的算法设计，本专利针对变电站人员采用卡尔曼滤波算法进行移动跟踪，针对复杂的电磁环境以及非视距环境影响引入了自主完好性算法，确保在多基站(4个以上)系统中少量基站出现通信故障的情况下系统仍然能正常工作，提供巡检人员的位置信息，并实现危险区域警示功能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法。
应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：针对变电站工作区域的地理特征，在待定位的工作区域周围选择合适的方位布置4个及以上的固定基站；
步骤2：根据uwb无线通信技术进行双边测距，即twr测距，得到待定位移动标签与各个固定基站之间的距离信息；
步骤3：将得到的四组以上的测距信息建立数学模型，应用基于toa的最小二乘融合泰勒算法进行位置解算，得到工作人员所携带标签的具体三维坐标信息；
步骤4：针对巡检人员需要移动的工作性质，应用卡尔曼滤波进行移动目标的跟踪；
步骤5：针对变电站的复杂工作环境，引入raim算法，系统自检自排除故障；
步骤6：将得到的坐标信息无线传输给控制端，通过上位机界面显示出来，同时在控制端设置危险区域进入或者超出报警。
步骤1的具体过程为：在基于到达时间的定位算法中，需要3个定位基站获取3组标签-基站距离信息来建立关于二维未知坐标的3个距离方程，解算出待测标签的二维坐标信息，需要4个基站解算出待测标签的三维坐标信息。
步骤2所述的twr测距包括以下步骤：
步骤2.1：首先标签向系统内的所有基站发出poll轮询信息，并记录下发送时间戳；
步骤2.2：接收到标签轮询信息的所有基站记下接收信息时间戳，然后发送response消息，同样记下发送消息时间戳；
步骤2.3：标签接收到response消息后记录下接收时间戳，并准备发送final消息，同样记录下final消息的发送时间戳；
步骤2.4：最后基站接收到final消息，记下接收时间戳，到此一个完整的twr交流周期结束，最终根据所有时间戳建立数学模型计算求出每个基站和标签之间的交流时间，由此算出各个基站到标签的距离，完成基础的测距信息获取；
步骤2.4所述建立数学模型表示为下式：
其中，tp1为发送时间戳，tp2为接收信息时间戳，tr1为发送response消息时间戳，tr2为收到response消息时间戳，tf1为final消息的发送时间戳，tf2为接收final消息时间戳。
所述的步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：给出待测标签的初始位置估计，可以简单的将初始位置坐标设置为(0，0，0)；
步骤3.2：将建立的距离模型应用泰勒展开进行线性化，建立关于距离的线性矩阵方程式；
步骤3.3：利用最小二乘法求解步骤3.2中的线性矩阵方程式，为了提高精度采用加权的最小二乘法求解定位坐标；
步骤3.4：运用牛顿迭代更新方程组的根，通过少数几次迭代就可以达到收敛的效果；
步骤3.5：检查迭代的收敛性，将迭代得到的位移值与预先设定的迭代门限值进行比较，直到坐标精度达到所预设的门限值。
所述的步骤4包括：定位跟踪时，根据经验运动的目标常常可以估计为匀速运动，因此可以通过上一时刻的位置和速度来预测出当前位置，然后把这个预测结果和观测结果做一个加权平均作为定位结果，权值的大小取决于观测位置和预测位置的不确定性程度，在数学上可以证明在预测过程和观测过程都是线性高斯时，按照卡尔曼的方法做加权是最优的；具体包括下面四个过程：建立系统的状态方程；建立系统的观测方程；对下一阶段的状态进行预测；卡尔曼增益更新和状态更新。
所述的步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：获取测量数据；
步骤5.2：判断系统中固定基站的个数，若基站个数大于等于4，则可以使用raim算法，否则raim算法无效；
步骤5.3：计算统计量，因为系统在非故障和存在故障的情况下，归一化变量分别服从不同的发布，根据这种分布特性即可进行故障检测并剔除。
所述的步骤6的包括：通过步骤3解算出的三维坐标信息，经过卡尔曼滤波跟踪后得到更为准确的坐标信息，最后将得到的坐标信息通过无线传输给控制端再经过上位机界面显示出来，控制人员可以直观的看到巡检人员在工作区域中的相对位置，同时系统可以根据判断解算出来的坐标是否靠近或者进入到危险区域，以此来实现人员的进入，或者超出报警。
本发明的有益效果在于：
本方法具有较高精度和较强鲁棒性，区域警示功能通过在上位机界面上设置警戒区域，当解算出来的坐标靠近或者进入到危险区域即进行警示，以此来实现人员的进入，或者超出报警。同时为了保证整个系统的可靠性，还引入接收机自主完好性算法(receiverautonomousintegritymonitoring，raim)进一步保证系统的可靠性、精准性，即在包含4个以上基站的系统中使用raim算法对故障基站进行识别和剔除，同时舍去测距误差较大的测量信息，从而进一步提高了定位的准确度和系统的稳定性。
附图说明
图1为定位方法示意图。
图2为定位方法流程图。
图3为上位机显示示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
1.在一些位置偏远地区，卫星信号无法正常接收的变电站环境中，巡检工作人员常常无法利用卫星信号进行定位，指挥人员也无法获悉正在工作区域中的巡检人员位置信息，无法进行远程指挥，甚至很难防止工作人员意外进入危险或者非工作允许区域的危险情况。由此为了解决上述问题本发明提出了一种应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法，该方法步骤如下：
(a)针对变电站工作区域的地理特征，在待定位的工作区域周围选择合适的方位布置4个及以上的固定基站，基站的布置应遵循远离金属物体，避免遮挡发射天线，基站避免处于同一个高度等原则，以利于减小干扰。
(b)应用uwb无线通信技术进行twr(双边测距)测距，得到待定位移动标签与各个固定基站之间的距离信息；
(c)将得到的四组以上的测距信息建立数学模型，应用基于toa的最小二乘融合泰勒算法进行位置解算，得到工作人员所携带标签的具体三维坐标信息；
(d)针对巡检人员的工作性质(需要移动)，应用卡尔曼滤波进行移动目标的跟踪，进而提高系统的实时精度；
(e)针对变电站的复杂工作环境，引入raim算法，及时发现系统内的故障基站或者标签，做到系统自检自排除故障，大大提高系统鲁棒性；
(f)最后将得到的坐标信息无线传输给控制端，进而通过上位机界面显示出来，控制人员可以直观的看到巡检人员在工作区域中的相对位置，进而方便远程指挥，同时还可以在控制端设置危险区域进入或者超出报警，便于做好安全防范。
2.步骤(a)关于系统基站布站和定位要求的具体解释如下：
在基于到达时间的定位算法中，至少需要3个定位基站获取3组标签-基站距离信息来建立关于二维未知坐标的3个距离方程，才可以解算出待测标签的二维坐标信息，同理至少需要4个基站才可以解算出待测标签的三维坐标信息。
3.步骤(b)的twr测距具体过程如下，以标签1-基站1之间的测距为例，其他模块之间的测据同理：
(b1)首先标签向基站发出poll轮询信息，并记录下发送时间戳tp1；
(b2)接收到标签轮询信息的基站记下接收信息时间戳tp2，然后发送response消息，同样记下发送消息时间戳tr1；
(b3)标签接收到response消息后记录下接收时间戳tr2，并准备发送final消息，同样记录下final消息的发送时间戳tf1；
(b4)最后基站接收到final消息，记下接收时间戳tf2，到此一个完整的twr交流周期结束，最终根据所有时间戳建立数学模型计算求出每个基站和标签之间的交流时间，由此算出各个基站到标签的距离，完成基础的测距信息获取，具体交流过程见附图。其计算过程为:
4.步骤(c)应用基于toa的最小二乘融合泰勒算法进行位置解算，得到工作人员所携带标签的具体三维坐标信息的具体过程如下：
(c1)给出待测标签的初始位置估计，可以简单的将初始位置坐标设置为(0，0，0)；
(c2)将建立的距离模型
由此建立关于距离的线性矩阵方程式b＝aδ,其中
(c3)利用最小二乘法求解(c2)中的线性矩阵方程式，为了提高精度采用加权的最小二乘法求解定位坐标；
(c4)运用牛顿迭代更新方程组的根，通过少数几次迭代就可以达到收敛的效果；
(c5)检查迭代的收敛性，将迭代得到的位移值与预先设定的迭代门限值进行比较，直到坐标精度达到所预设的门限值；
5.步骤(d)应用卡尔曼滤波进行移动目标的跟踪，进而提高系统的实时精度的具体过程如下：
定位跟踪时，根据经验运动的目标常常可以估计为匀速运动，因此可以通过上一时刻的位置和速度来预测出当前位置，然后把这个预测结果和观测结果做一个加权平均作为定位结果，权值的大小取决于观测位置和预测位置的不确定性程度，在数学上可以证明在预测过程和观测过程都是线性高斯时，按照卡尔曼的方法做加权是最优的。具体包括下面四个过程：建立系统的状态方程；建立系统的观测方程；对下一阶段的状态进行预测；卡尔曼增益更新和状态更新。
6.步骤(e)引入raim算法，及时发现系统内的故障基站或者标签，做到系统自检自排除故障的具体过程如下：
(e1)获取测量数据；
(e2)判断系统中固定基站的个数，若基站个数大于等于4，则可以使用raim算法，否则raim算法无效；
(e3)计算统计量，因为系统在非故障和存在故障的情况下，归一化变量分别服从不同的发布，根据这种分布特性即可进行故障检测并剔除。
7.步骤(f)控制人员直观的看到巡检人员在工作区域中的相对位置，控制端设置危险区域进入或者超出报警的具体过程如下：
通过c解算出的三维坐标信息，经过卡尔曼滤波跟踪后得到更为准确的坐标信息，最后将得到的坐标信息通过无线传输给控制端再经过上位机界面显示出来，控制人员可以直观的看到巡检人员在工作区域中的相对位置，同时系统可以根据判断解算出来的坐标是否靠近或者进入到危险区域，以此来实现人员的进入，或者超出报警。
一种应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法，包括以下步骤：
(a)针对变电站工作区域的地理特征，在待定位的工作区域周围选择合适的方位布置4个及以上的固定基站，基站的布置应遵循远离金属物体，避免遮挡发射天线，基站避免处于同一个高度等原则，以利于减小干扰。
(b)应用uwb无线通信技术进行twr(双边测距)测距，得到待定位移动标签与各个固定基站之间的距离信息；
(c)将得到的四组以上的测距信息建立数学模型，应用基于toa的最小二乘融合泰勒算法进行位置解算，得到工作人员所携带标签的具体三维坐标信息；
(d)针对巡检人员的工作性质(需要移动)，应用卡尔曼滤波进行移动目标的跟踪，进而提高系统的实时精度；
(e)针对变电站的复杂工作环境，引入raim算法，及时发现系统内的故障基站或者标签，做到系统自检自排除故障，大大提高系统鲁棒性；
(f)最后将得到的坐标信息无线传输给控制端，进而通过上位机界面显示出来，控制人员可以直观的看到巡检人员在工作区域中的相对位置，进而方便远程指挥，同时还可以在控制端设置危险区域进入或者超出报警，便于做好安全防范。
步骤(a)的具体过程如下：
在基于到达时间的定位算法中，至少需要3个定位基站获取3组标签-基站距离信息来建立关于二维未知坐标的3个距离方程，才可以解算出待测标签的二维坐标信息，同理至少需要4个基站才可以解算出待测标签的三维坐标信息。
步骤(b)的twr测距具体过程如下，以标签-基站之间的测距为例，基站与基站之间的测据同理：
(b1)首先标签向系统内的所有基站发出poll轮询信息，并记录下发送时间戳；
(b2)接收到标签轮询信息的所有基站记下接收信息时间戳，然后发送response消息，同样记下发送消息时间戳；
(b3)标签接收到response消息后记录下接收时间戳，并准备发送final消息，同样记录下final消息的发送时间戳；
(b4)最后基站接收到final消息，记下接收时间戳，到此一个完整的twr交流周期结束，最终根据所有时间戳建立数学模型计算求出每个基站和标签之间的交流时间，由此算出各个基站到标签的距离，完成基础的测距信息获取，具体交流过程见附图。
步骤(c)的具体过程如下：
(c1)给出待测标签的初始位置估计，可以简单的将初始位置坐标设置为(0，0，0)；
(c2)将建立的距离模型
(c3)利用最小二乘法求解(c2)中的线性矩阵方程式，为了提高精度采用加权的最小二乘法求解定位坐标；
(c4)运用牛顿迭代更新方程组的根，通过少数几次迭代就可以达到收敛的效果；
(c5)检查迭代的收敛性，将迭代得到的位移值与预先设定的迭代门限值进行比较，直到坐标精度达到所预设的门限值；
步骤(d)的具体过程如下：
定位跟踪时，根据经验运动的目标常常可以估计为匀速运动，因此可以通过上一时刻的位置和速度来预测出当前位置，然后把这个预测结果和观测结果做一个加权平均作为定位结果，权值的大小取决于观测位置和预测位置的不确定性程度，在数学上可以证明在预测过程和观测过程都是线性高斯时，按照卡尔曼的方法做加权是最优的。具体包括下面四个过程：建立系统的状态方程；建立系统的观测方程；对下一阶段的状态进行预测；卡尔曼增益更新和状态更新。
步骤(e)的具体过程如下：
(e1)获取测量数据；
(e2)判断系统中固定基站的个数，若基站个数大于等于4，则可以使用raim算法，否则raim算法无效；
(e3)计算统计量，因为系统在非故障和存在故障的情况下，归一化变量分别服从不同的发布，根据这种分布特性即可进行故障检测并剔除。
步骤(f)的具体过程如下：
通过c解算出的三维坐标信息，经过卡尔曼滤波跟踪后得到更为准确的坐标信息，最后将得到的坐标信息通过无线传输给控制端再经过上位机界面显示出来，控制人员可以直观的看到巡检人员在工作区域中的相对位置，同时系统可以根据判断解算出来的坐标是否靠近或者进入到危险区域，以此来实现人员的进入，或者超出报警。
本发明公开一种应用于变电站巡检人员的超宽带定位与警示方法，主要用于变电站巡检人员在巡检工作区域中的人员定位与危险警示。本方法具有较高精度和较强鲁棒性，其主要实现形式是通过在巡检人员身上携带移动定位标签，与预先布置的固定基站构建实时人员定位与警示系统，提供危险区域警戒功能，当作业人员临近或进入了危险区域，通过系统进行及时有效的警示，以便为作业人员的人身安全，变电站的运行安全提供重要保障。
人员定位的实现主要是通过基于时间的测距，加上最小二乘算法解算位置信息，具体步骤为测量超宽带信号在移动标签和固定基站之间的飞行时间，计算飞行时间乘上信号传播的速度(光速)得到两者之间的距离，最后通过算法解算标签的位置。区域警示功能通过在上位机界面上设置警戒区域，当解算出来的坐标靠近或者进入到危险区域即进行警示，以此来实现人员的进入，或者超出报警。同时为了保证整个系统的可靠性，还引入接收机自主完好性算法(receiverautonomousintegritymonitoring，raim)进一步保证系统的可靠性、精准性，即在包含4个以上基站的系统中使用raim算法对故障基站进行识别和剔除，同时舍去测距误差较大的测量信息，从而进一步提高了定位的准确度和系统的稳定性。
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