一种多复合的高精度定位融合通信方法与流程

1.本发明涉及一种多复合的高精度定位融合通信方法，属于高精度定位与通信技术领域。


背景技术：

2.电网现场作业环境复杂多变、作业人员众多、各工作面之间存在交叉、现场管控多依赖人工等问题依然存在，现场作业人员仍面临较高安全风险。同时，电网在洪水台风地震等重大自然灾害抢修时现场点多、面广、规模大、时间紧、工作强度大，现场人员需要更有力安全保障。应急现场作业人员安全保障存在以下难题：(1)电力灾害现场现场人员较多，抢修队伍构成复杂，人员获取位置信息困难，配合过程中存在安全隐患；(2)电力应急现场处置过程中，现场环境复杂，危险点与各类资源信息获取困难；(3)应急人员在现场获得处置信息和协助的方式非常有限，应急指挥中心与现场沟通不畅，影响了应急现场抢修的效率。同时，作业时人员安全保障装备分散、种类繁多，且技术手段多依赖国外基础技术。


技术实现要素：

3.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多复合的高精度定位融合通信方法，解决了现有技术中信息获取困难，精确度低以及信息传递不畅的问题。
4.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
5.一种多复合的高精度定位融合通信方法，包括以下步骤：
6.基于定位系统所处的不同场景，获取相应的有效定位数据，所述定位系统包括北斗定位、蓝牙基站定位和多轴传感器惯性导航定位；
7.采用投影权值分配法对有效定位数据进行融合，输出精确定位坐标；
8.通过远距离无线电自组网，将数据发送给网关。
9.进一步地，前述基于不同的场景，获取相应的有效定位数据的方法为：
10.当场景为北斗信号能观测到卫星数量满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量大于2组时，获取的有效定位数据包括北斗定位数据、蓝牙定位数据及多轴传感器惯性导航定位数据；
11.当场景北斗信号能观测到卫星数量满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量不大于2组时，获取的有效定位数据包括北斗定位数据及多轴传感器惯性导航定位数据；
12.当场景北斗信号能观测到卫星数量不满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量大于2组时，获取的有效定位数据包括蓝牙定位数据及多轴传感器惯性导航定位数据；
13.当场景北斗信号能观测到卫星数量不满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量不大于2组时，获取的有效定位数据仅包括多轴传感器惯性导航定位数据。
14.进一步地，前述北斗定位数据的获取过程为：
15.通过北斗定位系统分别定位基站、终端的位置信息，基站预先选定，其真实位置信息已知；
16.基于北斗定位系统输出的基站定位位置信息和基站的真实位置信息，计算差分修正数；
17.基于差分修正数对终端的位置信息进行修正，输出北斗定位数据。
18.进一步地，前述蓝牙定位数据的获取过程为：
19.通过蓝牙基站获取终端的多组角度信息；
20.根据空间几何关系以及基站的排列组合解算终端的多组坐标，并去除偏移较大点；
21.对筛选后的解算坐标组取平均，输出蓝牙定位数据。
22.进一步地，前述融合算法采用投影权值分配法，输出精确定位数据的过程为：
23.利用多轴传感器计算的定位范围，优化北斗及蓝牙定位数据；
24.计算需融合的蓝牙定位或北斗定位在多轴传感器输出定位方向上的投影大小，以此确定两种定位技术的融合权重值；
25.根据权重值，得出最终终端的精确定位坐标(x y z)：
26.(x y z)＝p1·
(x
1 y
1 z1)+p2·
(x
2 y
2 z2)+p3·
(x
3 y
3 z3)
27.p1+p2+p3＝1
28.式中，(x
1 y
1 z1)为最终的蓝牙优化定位输出坐标，(x
2 y
2 z2)为最终的北斗优化定位输出坐标，(x
3 y
3 z3)为多轴传感器推算的终端坐标，p1、p2、p3分别表示蓝牙优化定位输出、北斗优化定位输出与多轴传感器输出的权重值。
29.进一步地，前述利用多轴传感器计算的定位范围，优化北斗定位数据的步骤包括：
30.以多轴传感器推算的终端坐标为(x
3 y
3 z3)为圆心，以多轴传感器推算的终端位移为半径，划定目标区域a；
31.对目标区域a内的北斗定位数据求取平局值：
[0032][0033]
式中，(δx δy δz)分别表示多轴传感器输出的终端在x轴、y轴和z轴方向上的位移，(x
2 y
2 z2)为最终的北斗优化定位输出坐标，(x
2k y
2k z
2k
)表示北斗定位技术测算的第k个落在区域a中的定位点坐标。
[0034]
进一步地，前述利用多轴传感器计算的定位范围，优化蓝牙定位数据的步骤包括：
[0035]
以多轴传感器推算的终端坐标为(x
3 y
3 z3)为圆心，以多轴传感器推算的终端位移为半径，划定目标区域a；
[0036]
对目标区域a内的蓝牙定位数据求取平局值：
[0037][0038]
式中，(x
1 y
1 z1)为最终的蓝牙优化定位输出坐标，(x
1k y
1k z
1k
)表示蓝牙定位技术测算的第k个落在区域a中的定位点坐标。
[0039]
进一步地，前述p1、p2的表达式为：
[0040][0041][0042]
式中，(δx
1 δy
1 δz1)表示蓝牙定位推算出的终端在x轴、y轴和z轴方向上的位移，(δx
2 δy
2 δz2)表示北斗定位推算出的终端在x轴、y轴和z轴方向上的位移。
[0043]
进一步地，前述通过远距离无线电自组网发送的数据包括精确定位坐标和危险告警，危险告警为当多轴传感器中的横滚角变化过大时，系统会及时发送告警信息。
[0044]
本发明所达到的有益效果：
[0045]
通过多种定位技术融合，可实现高精度定位，保证物体定位数据实时可靠。并提出了投影权值分配融合方法，通过融合公式实现多种技术定位数据融合，该方法以多轴传感器(或其他可靠的运动检测装置)输出的位移方向为标准(或速度方向等合理的运动参数)，计算出其他定位方法输出位移方向与该标准的重合度，重合度越高，其对应的权值配比更大。此算法复杂度低，可实现数据的快速融合与实时定位。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例中复合高精度定位以及通信系统流程图；
[0047]
图2是本发明实施例中差分定位算法原理示意图；
[0048]
图3是本发明投影权值分配方法原理示意图。
具体实施方式
[0049]
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0050]
本实施例公开了一种多复合的高精度定位方法，如图1的流程图所示，包括以下步骤：
[0051]
步骤1：基于不同的场景，获取相应的有效定位数据；
[0052]
具体地，当场景为北斗信号能观测到卫星数量满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量大于2组时，获取的有效定位数据包括北斗定位数据、蓝牙定位数据及多轴传感器惯性导航定位数据；
[0053]
当场景为北斗信号能观测到卫星数量满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量不大于2组时，获取的有效定位数据包括北斗定位数据及多轴传感器惯性导航定位数据；
[0054]
当场景为北斗信号能观测到卫星数量不满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量大于2组时，获取的有效定位数据包括蓝牙定位数据及多轴传感器惯性导航定位数据；
[0055]
当场景为北斗信号能观测到卫星数量不满足定位需求且蓝牙基站收到节点信号数量不大于2组时，获取的有效定位数据仅包括多轴传感器惯性导航定位数据。
[0056]
在作业人员的安全帽/手环节点中嵌入复合的定位装置，利用北斗卫星的高精度定位技术进行定位。北斗卫星定位原理为在太空中建立一个由多颗卫星所组成的卫星网络，通过对卫星轨道分布的合理化设计，用户在地球上任何一个位置都可以观测到至少三
颗卫星，由于在某个具体时刻，卫星的位置是相对确定的，因此用户只要间接测得定位装置与卫星的距离，就可以解算出自身的坐标。
[0057]
但由于卫星定位过程中的各种误差，例如轨道误差、时钟误差、电离层延迟、对流层延迟、接收机噪声以及多径的影响，卫星定位精度只能达到米级。
[0058]
为实现更高精度的定位，使用差分定位，如图2所示，在卫星定位的基础上，架设一个地面基站，通过北斗卫星导航系统获取地面基站的定位信息；由于地面基站是预先选定的，其真实位置信息是已知的，将通过卫星确定的定位信息与真实位置信息对比，计算出差分修正数，利用差分修正数纠正移动终端的卫星定位信息。即在此场景中，使用北斗定位技术定位基站以及终端的位置信息，并依靠基站的绝对坐标计算差分修正数，实时对终端节点进行定位误差的修正，实现厘米级的定位精度。
[0059]
然而北斗定位也存在着不可避免的限制，一是轨迹重算，指的是在高架或城市峡谷，信号遮挡引起位置点漂移；二是无法定位，指的是在无信号区域(室内、峡谷)推算的精度低，导致定位误差大。导致轨迹重算和无法定位直接原因是北斗定位精度差推算精度差。北斗定位精度由观测环境决定，难以改善；尤其是轨迹重算和高度定位的标定精度。
[0060]
为了克服卫星定位的这些限制，在仅卫星定位困难或不可能的情况下，本发明使用蓝牙aoa定位技术对终端进行定位，并通过采样平均算法，大大提高了蓝牙定位精度，其具体原理如下：
[0061]
使用面阵天线，每一蓝牙基站就可以通过收到的信号计算移动终端的方位角和俯仰角，在信息处理前，先丢弃信号强度较弱点，避免因信号太弱导致的测算误差，通过空间几何关系可知，两组基站测得的方位角和俯仰角可以解算一个安全帽空间坐标点，将空间中的多组蓝牙设备数据两两组合得到一组安全帽的坐标点，剔除其中偏移较大的点，将剩余坐标点取平均，从而提高测试精度。
[0062]
除此之外，当上述两种定位方式均受限时，使用多轴传感器惯性导航定位方式对终端节点进行定位获取多轴定位数据，多轴传感器通过测量的各项运动参数以及初始的定位信息，对实时定位坐标进行解算，并依赖其对终端设备进行姿态数据的监测。
[0063]
步骤2：采用投影权值分配法，对蓝牙定位数据、北斗定位数据以及多轴传感器数据进行融合，输出精确定位值。
[0064]
针对步骤1得到的有效定位数据，本发明使用位移投影权值分配法对蓝牙定位数据与北斗定位数据进行融合。根据不同的场景，也可以使用速度方向、加速度方向等合理的运动参数，为简便计算，这里使用位移参数进行投影计算，具体的流程如下：
[0065]
首先利用多轴传感器输出的速度矢量(v
x v
y vz)，v
x v
y vz分别表示速度矢量在x轴、y轴、z轴的分量，通过对传感器速度值的积分，可以得到终端节点这段时间在x轴、y轴、z轴方向上的位移量(δx δy δz)，有如下表达式：
[0066][0067]
由于现实工人作业场景中，终端节点移动的速度是没有规律的，无法得出其具体表达式，故采用在t时间段内对终端进行多次连续的速度采样，把上述表达式求解近似成离散函数的求和问题。
[0068]
假设t时间内采样次数为n，采样间隔为δt，则终端位移有如下表达式：
[0069][0070]
假设当前时刻t，多轴传感器推算的终端坐标为(x
3 y
3 z3)，上一时刻t-1，融合算法输出的坐标为(x
t-1 y
t-1 z
t-1
)，根据多轴传感器计算的位移，显然有如下关系：
[0071]
(x
3 y
3 z3)＝(x
t-1 y
t-1 z
t-1
)+(δx δy δz)
[0072]
融合算法首先利用多轴传感器推算的终端位置，优化北斗/蓝牙定位的输出。具体的，对t时间段内收到的北斗/蓝牙定位数据组进行预处理，计算以坐标点(x
3 y
3 z3)为中心，为半径区域内所有点的平均值，假设该区域表示为a，最终的蓝牙优化定位输出坐标表示为(x
1 y
1 z1)；最终的北斗优化定位输出坐标表示为(x
2 y
2 z2)，于是有：
[0073][0074][0075]
式中，(x
1k y
1k z
1k
)表示蓝牙定位技术测算的第k个落在区域a中的定位点坐标，(x
2k y
2k z
2k
)表示北斗定位技术测算的第k个落在区域a中的定位点坐标；
[0076]
此算法可以去掉定位偏差较大的点，并充分利用t时间段内的所有有效定位数据，通过取平均的方法降低单次定位误差。
[0077]
对上述定位数据进行优化后，采用如下融合公式，融合蓝牙定位数据、北斗定位数据以及多轴传感器数据：
[0078]
(x y z)＝p1·
(x
1 y
1 z1)+p2·
(x
2 y
2 z2)+p3·
(x
3 y
3 z3)
[0079]
其中，p1、p2、p3分别表示蓝牙定位输出、北斗定位输出与多轴传感器输出的权重值，权重值表达了对不同定位算法加权取平均的思想，权值的大小分配由定位算法输出的数据准确度决定。
[0080]
因为多轴传感器的轨迹推算方法存在一定的误差积累，多次使用会产生较大误差，但其针对一次运动测量的状态是准确的，故在融合算法中，当蓝牙与北斗定位信息有效时，以多轴传感器的位移为标准，计算蓝牙与北斗定位位移在多轴传感器推算位移上的投影大小，投影越大表示与标准重合度越高，可以根据两者的投影大小计算权重值，多轴传感器的推算坐标作为参照标准，不参与公式的显式融合。而在蓝牙与北斗定位均失效时，系统立即切换多轴传感器运动状态输出做轨迹计算。
[0081]
如图3所示，从几何角度解释投影权重分配法，表示北斗定位信息测算的位移，表示蓝牙定位信息测算的位移，表示多轴传感器定位信息测算的位移，以为标准计算在其上的投影分别表示为根据投影的大小整理对应的权重值，满足权重值和等于1的条件，可以分别得到北斗定位信息和蓝牙定位的权重：
[0082]
[0083][0084]
具体的，使用运动参数解算过程如下，终端蓝牙定位/北斗定位推算出的物体位移向量由定位数据前后两个时刻相减，表示为(δx
1 δy
1 δz1)与(δx
2 δy
2 δz2)，将两者与多轴传感器输出的位移(δx δy δz)进行点乘，即为其在标准位移上的投影大小。
[0085]
根据融合公式，显然p1、p2、p3满足以下条件：
[0086]
p1+p2+p3＝1
[0087]
并且由上述机制可以得出，当蓝牙与北斗定位均失效情况下，p1、p2赋值为0，p3赋值1；其余情况下，p3赋值0，p1、p2赋值满足以下公式：
[0088][0089][0090]
除此之外，多轴传感器输出的有关方向矢量(α θ γ)，其中γ表示终端的横滚角，用来衡量终端的状态，若横滚角变化过大提示会有摔落风险，终端会及时报警并上传告警数据进行风险提示。
[0091]
步骤3：通过远距离无线电自组网，将精确定位数据发送给网关；
[0092]
具体的lora自组网中包含两种硬件设备：一个网关模块、若干个终端节点。终端节点模块将终端测得的数据通过lora自组网发送至网关进行统一管理与调度，网关作为信息的中心接收点，管理若干个终端节点模块。其中每个网关模块与终端节点模块都拥有唯一id。
[0093]
网关和节点采用自适应信道功能的lora自组网方法，lora网关模块占用多个无线信道中的一个作为工作信道，网关模块能够与工作于同一无线信道的外部终端节点进行通信。故在节点与网关建立可靠链接前，需要配置网关参数与节点参数，例如：频段、接收端口等参数一致。建立通信链接后，lora无线通信可以实现远距离、低功耗、高灵敏度和稳定的无线网络连接，实现物体定位信息以及姿态信息的集中管理。
[0094]
在此场景中，lora网关模块位于人工智能数字化管控终端，lora终端节点位于安全帽/手环等其他可移动设备中，lora终端节点实时发送定位数据至网关管理，实时管理作业工人的坐标位置，并同时监测其运动状态，即多轴传感器中的横滚角变化过大时，表示作业工人或设备姿态发生巨大变化，有跌落风险。系统会及时发送告警信息，进行风险提示，实现智能分析管理与边缘计算的功能。
[0095]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。