虚拟平面约束下重构一维空间的煤矿井下TOA定位方法与流程

本发明涉及一种在煤矿井下进行精确定位的方法，具体是通过toa测距方式获得移动节点与2个固定基站的距离，将该2个基站确定的定位平面按巷道走向重构一维空间，从而实现在巷道内的精确定位。属无线电定位技术领域，适用于煤矿井下工作人员及设备定位系统的开发。

背景技术：

多数精确定位系统是通过测量到达时间(time-of-arrival，toa)来获取发射节点与定位节点之间的距离，换言之，测量toa是最有效最准确获取收发双方距离的方法。扩频测距是应用广泛的一种toa测距方法，它是通过码相关运算来获取toa信息的，然而在煤矿井下多径环境下，如图1所示，扩频码理想的相关图呈三角形，而在多径严重的实际情况下呈钟形，且相关峰明显延迟。虽然扩频技术具有突出的抗多径干扰的能力，但对于这种无线传播的额外延迟给toa的测量带来的测量误差的情况却没有好的解决方法。特别地，这种由于额外延迟造成的测量误差的均值不为零，而目前很多成熟的定位跟踪算法要求距离的测量值具有均值为0的测量误差，因此，研究能够抑制非零均值测量误差的定位方法，提高定位精度，无疑对煤矿井下人员定位系统的建设与开发具有重要意义。

技术实现要素：

为了解决煤矿井下严重的多径影响造成距离测量结果有偏移误差从而影响井下人员定位系统的定位精度问题，本发明提供了一种虚拟平面约束下重构一维空间的toa定位方法。方法考虑到实际矿井巷道狭长，井下定位系统只需要知道在巷道的哪一段，并不关心该移动点究竟是在巷道中的偏左还是偏右，因此，方法的解决思路是忽略巷道宽度定位信息，将测距误差转移到巷道宽方向定位上，从而保证巷道长方向的定位精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：将定位基站沿巷道的同一侧分布，沿巷道延伸方向设为x轴，巷道宽方向设为y轴，建立测距平面；

所述的定位基站通过toa测距获得移动目标与基站的伪距，即带有测量误差的距离值；

采用2站测距平面定位，得到测距平面上的2个测量方程，求解所述测量方程所获得的解点视为虚拟位置估计点，所述的虚拟位置估计点所在测距平面视为虚拟平面；

巷道为狭长空间，忽略其宽度，视为一维空间，利用二维虚拟空间y方向的冗余信息重构解点x方向的估计值，重构后解点的x方向估计值受到测距平面约束而向x真实值趋近，减少了x方向的定位误差；

丢弃所述重构后解点的y方向估计值，其x方向的值即是对移动目标在巷道位置的估计，从而实现在巷道内的一维定位。

所述的虚拟平面约束下重构一维空间的定位算法，具体包括以下步骤：

(1)在虚拟的测距平面上建立测量方程：i＝1，2；其中，di为移动目标与第i个基站的伪距，(xi，yi)为第i个定位基站的位置坐标，(x，y)为移动目标的位置坐标；

(2)设置位置估计值中的y值浮动区间：y_mean-dadj*y_dev＜deltay＜y_mean+dadj*y_dev，其中，deltay表示y值浮动区间的一个变量，y_mean表示y估值的均值，y_dev表示y估值的方差，dadj是调节系数；设置监视计数器cmonitor初值为零；

(3)泰勒级数迭代法求解测量方程，得到解点的位置pv(x，y)

(4)判断解点位置的y值是否落在给定的y值浮动区间，如果是，转步骤(7)；如果不是，转入步骤(5)；

(5)将cmonitor增1，对伪距di加权处理，di＝weightvalue*di，其中weightvalue为加权系数，由下式确定：式中，y表示当前估值，abs表示绝对值运算；

(6)判断cmonitor是否大于7，如果否，转转步骤(3)，如果是，转转步骤(7)

(7)接受解点pv(x，y)的估计结果，丢弃y值数据，x值即表示移动目标在巷道真实值的估计。

所述的toa测距是采用扩频测距技术实现的，由定位基站接收移动目标发射的扩频信号并由定位基站对此扩频信号进行码相关运算获得信号的到达时间，进而将到达时间值换算成移动目标到定位基站的伪距。

无论巷道是否严格直线，均以巷道的实际长度作为x轴坐标值。

本发明有以下3点有益效果：

1.显著降低了toa定位系统的硬件要求。现有的定位算法，例如基于最小二乘法的定位算法、基于滤波的定位算法、质心算法等等，算法的实现至少需要3个定位基站参与甚至更多，而本发明提供的方法仅需要2个定位基站参与，降低了toa定位系统的硬件要求。

2.能有效抑制非视距传播(non-lineofsight，nlos)所造成的定位误差。事实上，在矿井下，有些情况下，nlos信号也是有益的，本发明提供的方法的主要功能即是消除额外延迟带来的测距偏移误差，因此，本方法能够统一nlos与nos场景，不作区别地完成这两种情况下的定位。

3.提供了具有零均值误差的定位结果，为其它成熟的定位算法应用于井下作出了基础性的工 作。

附图说明

图1是本发明所涉及的扩频码相关图。

图2是本发明虚拟测距平面约束一维定位的场景示意图。

图3是本发明定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2是本发明虚拟测距平面约束一维定位的场景示意图，采用2站测距平面定位，定位基站b1、b2设在巷道的同一侧，以巷道延伸方向为x轴，沿巷道宽方向为y轴建立平面坐标系，现需要定位r_p2移动目标点，d1和d2是经toa测量得到的目标节点到基站b1和b2的距离，由于多径的影响，这个测量的距离值是带误差的，不是准确的距离值，在此称之为伪距，假设测距无误差，那么目标位置一定位于以基站为圆心，距离为半径的圆上，那么，两个圆位置线的交点就是移动目标点的位置。可以看到，由于是得到的d1和d2是伪距，交点v_p2不在巷道内，而是在巷道外，显然这是一个不存在的位置点，称之为虚拟位置点，它所在的平面，称之为虚拟平面。可以清楚地看到，尽管得到的交点是虚拟的，如果把巷道看成是一维的，它向x轴的投影x2却能比较准确地反映出移到目标节点在巷道的真实位置。由于伪距误差的存在，而这个伪距误差是非零均值的，那么，它必定会导致定位的点落在虚拟平面δy的范围内。显然，r_p1、r_p2和r_p3的定位点v_p1、v_p2、v_p3均落在δy的范围内。向x轴投影操作隐含了对伪距的纠偏操作，如果能适当调整伪距，保证交点落在δy的范围内，则能有效地减少x值的随机误差。

图3本发明定位方法的流程图，联系图2给出实施例。假设欲对r_p2移动目标点实行定位，由以下步骤完成：

(1)b1、b2得到伪距d1、d2，建立测量方程：

①

②

其中(x1，y1)(x2，y2)分别为b1和b2的坐标，(x，y)是移动目标点r_p2的坐标。联立 ①、②方程可解出(x，y)，当然解点并不一定能保证接近r_p2的真实值。因此，接下来的工作就是确保解点接近真实值。

(2)要确定δy的范围，δy的范围由下式给出：

y_mean-dadj*y_dev＜deltay＜y_mean+dadj*y_dev

其中，y_mean表示y估值的均值，可先由实测或者理论推导获得，y_dev表示y估值的方差，也可先由实测或者理论推导获得，之后这两个参数可由实测值不断修正更新。dadj是调节系数，调节系数主要是根据移动目标的伪距进一步微调δy的范围，这是因为移动目标所处的位置会对δy的范围变化有一些小的影响；设置监视计数器cmonitor初值为零。

(3)适当调整伪距以减少系统的结构性误差，所谓结构性误差是指移动目标离某一个基站较近，那么这时的定位行为与移动目标处在两定位基站中间有所不同，需要适当调整，调整方式是适当加长近端的伪距值，同时适当减少远端的伪距值，以使二者定位行为趋于一致。

(4)利用泰勒级数迭代法求解测量方程，如果不收敛，说明伪距误差过大，已超过算法所能调节的范围，给出报错信息，本次定位结果无效。

如果是第一次迭代收敛，可以得到解点的位置v_p2(x，y)，此时将y值送存储器存储，这些存储的y值数据可以用来求出y的均值和方差。

如果是第二次及二次以后迭代不收敛，则以前次收敛所得到的解点的位置v_p2(x，y)表示此次迭代的结果。

(5)判断解点位置v_p2(x，y)的y值是否落在给定的y值浮动区间，是，转步骤(8)；

(6)将cmonitor增1，对伪距d1、d2分别加权处理，d1＝weightvalue*d1，d2＝weightvalue*d2，其中weightvalue为加权系数，由下式确定：

式中，y表示当前估值，abs表示绝对值运算；

(7)判断cmonitor是否大于7，否，转转步骤(4)

(8)接受解点pv(x，y)的估计结果，丢弃y值数据，x值即表示移动目标在巷道真实值的估计；

下面给出一个具体的实施例：

定位基站b1坐标为(0，0)，基站b2坐标为(0，32.48)，移动目标点在[2.2430.24]范围内利用本方法定位51次，统计数据如下：伪距d1的误差均值为1.8541，伪距d2的误差均值为1.8227m，定位误差均值为0.0141m，伪距d1的误差方差为0.9479，伪距d2的误差方差为17.0957，定位平均误差为0.9277m。可以看出，尽管伪距具有非零均值的误差，本发明所提 供的方法定位误差均值接近于0，定位误差主要是随机误差，说明本方法能有效抑制偏移误差；另外，伪距d2的误差方差为17.0957，说明d2的测量起伏较大，但仍对本算法不造成大的影响，定位平均误差在1m以内。