矿井巷道无线移动终端高精度定位的方法

矿井巷道无线移动终端高精度定位的方法
【专利摘要】本发明的名称为“矿井巷道无线移动终端高精度定位的方法”，提供一种在矿井巷道环境中对无线移动终端进行高精度定位的方法和系统，解决了目前无线定位方法和系统不能实现矿井巷道无线移动终端高精度定位的问题。技术方案要点：勘测现场，进行巷道无线信号采样，建立巷道信号传输距离校正模型；定位基站接收移动终端的定位请求信号，返回定位响应信号；移动终端将定位交互数据发给定位基站；定位基站计算移动终端的理论距离；利用巷道信号传输距离校正模型对理论距离校准，得到最大似然位置；利用本方法中的启发式位置校正算法，得到移动终端的最终位置。本发明可以广泛用于矿井巷道人员及移动设备的无线高精度定位。
【专利说明】矿井巷道无线移动终端高精度定位的方法

【技术领域】
[0001] 本发明系关于一种检测矿井巷道无线移动终端并精确计算其位置的方法，特别是 根据定位基站与无线移动终端之间测量得到的定位信号飞行时间（TimeOfFlight，T0F) 和实地勘测建立的巷道信号传输距离校正模型以及启发式位置校正算法进行高精度定位 的方法。

【背景技术】
[0002] 矿井巷道精确定位主要有基于RSSI的方法和TOA方法。在RSSI方法中，假设定位 信号发射时强度恒定，根据基站收到的定位信号强度值，计算信号在传播过程中的损耗，按 照理论或经验的信号传播损耗模型将传播损耗转化为距离，最终计算出移动终端的位置。 由于无线信号受环境影响很大，加上严重的多径效应，造成RSSI定位精度不高，只有5?10 米。TOA方法，利用测量定位信号的到达时间来计算信号传播时间，根据时间与路程关系计 算距离。这种方法要求基站与无线移动终端之间实现严格时间同步，这对于移动设备是非 常困难的，时间同步误差直接导致距离误差。对于NLOS(NoneLineOfSight，非视距)信 号，由于反射、绕射的影响，直接计算得到的距离误差较大。矿井巷道狭长弯曲，利用多基站 消除定位误差的方法不再适用。


【发明内容】

[0003] 本发明针对目前无线定位方法不能实现矿井巷道高精度定位的缺陷，研究开发一 种检测矿井巷道无线移动终端并精确计算其位置的方法，综合利用定位基站与无线移动终 端之间测量得到的定位信号飞行时间（TimeOfFlight,T0F)、实地勘测建立的巷道信号 传输距离校正模型和启发式位置校正算法，实现矿井巷道人员及设备的无线高精度定位。
[0004] 本发明提供一种在矿井巷道对无线移动终端进行高精度定位的方法和系统，以实 现矿井巷道中人员和设备的高精度定位。
[0005] 为实现以上技术目的，本发明的技术方案是 一套无线移动终端高精度定位算法和系统，其包含下列步骤：确定矿井巷道中所有无 线定位基站的准确安装位置，精确测量并记录其坐标；勘测现场，实地信号采样，建立巷道 信号传输距离校正模型，本模型包含了特定巷道位置处理论距离校正参数的统计特征；无 线移动终端向周围的定位基站发射定位请求信号；定位基站向移动终端回复定位响应信 号；无线移动终端将定位交互数据发给定位基站；识别出接收到移动终端定位交互数据 最早的两个基站；根据定位交互数据中记录的信号到达时间，计算定位信号单程飞行时间 T0F，并进一步计算出无线移动终端到两个基站的理论距离；利用信号传输距离校正模型对 理论距离进行校准；根据两个基站的坐标，分别计算出移动终端的可能位置坐标，取两个坐 标的加权平均作为移动终端的最大似然位置；利用本方法中的启发式位置校正算法，对最 大似然位置进行校正：参照历史位置序列，确定最大似然位置处的运动趋势和平均运动速 率，对存在位置突变和运动趋势改变的当前位置进行校正或剔除，从而得出准确的位置坐 标；加入历史位置序列；输出位置坐标作为无线终端的定位结果。
[0006] 所述移动终端包括但不限于人员定位识别卡。
[0007] 所述TOF是由定位基站和无线移动终端协同测量得到。
[0008] 所述方法接收矿井下巷道无线定位基站发送的定位交互数据信息包。
[0009] 本发明的有益效果是：综合利用巷道信号传输距离校正模型和启发式位置校正 算法，利用无线移动终端与两个无线定位基站协同测量的定位信号飞行时间（Time Of Flight，T0F)来计算无线移动终端的精确位置，该发明充分考虑了矿井巷道的结构特点和 生产组织特点，充分考虑了矿井巷道中无线信号传输的特性，实现了矿井巷道中人员和设 备的高精度定位，该发明的定位精度达到〇. 3米，局部区域小于0. 15米。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 图1为巷道中基站安装位置和移动终端位置示意图 图2为移动终端位置计算示意图 图3为矿井巷道采样距离分布图 图4为发明的工作流程图 图5为移动终端精确定位意图

【具体实施方式】
[0011] 本发明提供一种综合无线移动终端与两个无线定位基站协同测量的定位信号飞 行时间（Time Of Flight，T0F)、巷道信号传输距离校正模型和启发式位置校正算法，检测 无线移动终端并精确计算其位置的方法和系统，应用于矿井巷道中人员及设备的无线高精 度定位。
[0012] 请参阅图1。图1示意了一段典型的矿井巷道、巷道中无线定位基站的安装位置和 无线移动终端的位置。无线移动终端可以是人员定位标识卡，然而并不限于此，例如也可以 是WIFI无线移动电话。
[0013] 在本发明的一个优选实施例中，利用矿井巷道的信号传输距离校正模型。建立此 模型的方法可以(包括但不限于）是：选择一段具代表性的安装有无线定位基站的巷道，在 巷道中选定一组测量点位，精确测量出每一点位到基站的准确距离；用本发明的方法在每 一个测量点位处对测量点位到基站的距离进行一组测量，对测量结果进行统计分析后，得 到每个点位处的统计距离值，将上述一组测量点位的准确距离和统计距离值作为此段巷道 的信号传输距离校正模型。
[0014]请参照图4。图4显示了按照本发明较佳实施例的工作流程图。于步骤SlOO中， 无线移动终端发送定位请求信号。信号中包含无线移动终端的唯一标识码(包括但不限于 终端的MAC地址)、唯一网络地址。通常，本方法需要无线移动终端和定位基站建立无线网 络连接。于步骤SllO中，定位基站收到移动终端的定位请求信号，返回移动终端定位响应 信号。响应信号中包含基站的唯一标识码(包括但不限于基站的MAC地址)、唯一网络地址、 目标网络地址。于步骤S120中，基站接收无线终端发送的定位交互数据。定位交互数据中 包含移动终端唯一标识码、定位请求信号发送时间、定位响应信号接收时间、定位交互数据 发送时间、定位基站唯一标识码等信息。基站在交互数据中附加请求信号接收时间、定位响 应信号发送时间、交互数据接收时间等信息，将交互数据发给本系统。通常，本方法需要连 接到网络中，并与无线定位基站能够网络连通。
[0015] 于步骤S130中，识别出最先接收到数据的两个基站。在本发明的一种实施例中， 无线定位基站可以采用定向天线来接收无线移动终端的信号，在这种情况下，可以仅识别 出最先接收到交互数据的无线定位基站的数据包。
[0016] 于步骤S140中，计算无线终端到两基站的理论距离。理论距离按照矿井巷道中无 线信号传播速度-时间公式计算产Φ:

【权利要求】
1. 一种用于计算矿井巷道无线移动终端的位置的方法，其包括： 无线移动终端； 准确的无线基站在巷道中的位置； 定位信号的飞行时间TOF ; 矿井巷道信号传输距离校正模型； 历史位置序列； 启发式位置校正算法。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述无线移动终端包括但不限于人员定位识别 卡，例如也可以是装有定位模块的无线移动电话等。
3. 根据权利要求1所述的方法，其无线终端的通讯方式包括但不限于WIFI，例如也可 以是 ZIGBEE、UWB 等。
4. 根据权利要求1所述的方法，准确的矿井巷道无线基站安装位置由测量得到，包含 所在巷道名称和位置坐标，其坐标参考系由相应的矿井测绘部门给出。
5. 根据权利要求1所述的方法，矿井巷道信号传输距离校正模型通过对现场勘测采样 数据进行统计分析建立，这一模型包含了巷道特定位置处距离误差的统计特征。
6. 根据权利要求1所述的方法，启发式位置校正算法用于对当前位置进行校准，具体 算法包括但不限于：对照所在巷道的信号传输距离校正模型，对理论距离进行校正，得到最 大似然位置，然后根据无线移动终端的最大似然位置所确定的运动趋势和平均运动速率， 参照历史位置序列，对存在位置突变和运动趋势改变的当前位置进行校正或剔除，从而得 出准确的位置坐标。
7. 根据权利要求1所述的方法，定位信号(包括请求和响应信号）的飞行时间TOF由无 线定位基站和移动终端协同测量得到，用于最终计算无线终端的位置，并通过网络发送到 定位服务器或上位机。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中包括历史位置序列，用于保存无线移动终端在过 去一段时间的位置信息，并作为启发式位置校正算法的数据来源。
9. 一种用于确定矿井巷道无线移动终端精确位置的方法，所述方法包括步骤： (a) 现场数据采样，建立巷道信号传输距离校正模型； (b) 确定所有无线定位基站的准确位置坐标； (c) 定位基站接收移动终端的定位请求信号，返回定位响应信号； (d) 移动终端发送定位交互数据给定位基站； (e) 定位基站计算移动终端的理论距离； (f) 利用（a)中所述巷道信号传输距离校正模型校正（e)中的理论距离，得到最大似然 位置； (g) 利用本方法中的启发式位置校正算法，对最大似然位置进行校正； (h) 将校正后的位置加入历史位置序列； (i) 输出无线终端的位置作为定位结果。
【文档编号】G01S5/02GK104316904SQ201410408078
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】蔡元龙, 张占军, 董殿峥, 姚向, 陈昊 申请人:营口瑞华高新科技有限公司