一种矿用基站定位系统和定位方法与流程

本发明涉及智能定位方法，特别是涉及一种矿用基站定位系统和定位方法。

背景技术：

当前煤矿精确定位技术主要实现方法是：rfid、场强、tof(飞行时间)、tdof(飞行时间差)等实现方式，目前市场上已有的tof、tdof精确定位测数据系统主要存在一下问题：

1、单个基站覆盖距离近

煤矿井下由于巷道换环境差、遮挡等因素的原因在传统设置的tof及tdof精确定位基站才有多基站覆盖才能测距定位的方案中。单个基站覆盖距离又近这样会使同样好的定位需求设备数量会急剧增加。

2、时钟同步精度要求高

特别在tdof到达时间差定位方案中，由于需要多基站数据同时计算才能进行坐标定位所以需要非常高的时钟同步精度。根据电磁波的传播速度来算时钟同步差1ns在测距误差就会有30厘米的误差。

3、单个基站同步定位的卡容量小

由于基站对定位卡片进行定位都需要进行测距，而通用方式又是对多个定位基站测距才能进行定位。所以对一张定位卡进行定位需要对多个基站多次测距才能实现定位。同时为了提高定位精度通常采用了多次测距取平均的做法，这样由于无线信道的独占特性会造成单个定位基站在单位时间内刷新定位的卡片数据会极大的减小。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种矿用定位基站定位系统和定位方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种矿用基站定位系统，包括定位客户端、定位服务器、定位主站、定位子站、定位天线和定位卡片，其中定位主站至少两个，每个定位主站对应于多个定位子站；其中，定位客户端用于向客户展示当前定位卡片的信息，定位服务器用来解析来自各定位主站的定位数据，每个定位主站和定位子站分别连接有两个定位天线，每个定位主站相对应的多个定位子站之间顺次连接，然后再与相应的定位主站连接，定位卡片有多个，每个定位卡片与定位天线无线连接。

可选的，定位天线为定向定位天线。

本发明还提供了一种矿用基站定位方法，包括以下步骤：

(1)定位卡片通过无线信道能量扫描的方式对定位基站进行检测搜索；

(2)定位卡片通过向定位基站的天线发送无线数据申请对定位基站进行测距，并等待同意或拒绝；

(3)定位基站对接收到的定位卡片信息进行存储填充和处理，并通过逻辑判断给出卡片在定位基站的左侧或右侧并计算出实际距离；

(4)定位服务器解析来自定位主站的以太网定位数据；

(5)定位客户端向客户展示当前定位卡片的位置、速度以及配置信息。

进一步的，步骤(1)包括以下步骤：

(11)定位卡片按照约定的周期每5秒唤醒一次，每唤醒一次定位卡片首先进行定位基站搜索，支持同时搜索到5个定位基站；

(12)当定位卡片唤醒后如果连续超过5次都没有扫描到定位基站，则唤醒周期进入每20秒唤醒一次；除非加速度传感器剧烈变化或者再次扫描到定位基站后恢复到5秒唤醒的周期。

进一步的，步骤(2)具体为：

定位卡片对指定信道发送广播信息，定位基站收到广播信息后向定位卡片回复定位基站id号信息，定位卡片接收到回复信息，则完成扫描；

定位卡片根据返回信息的信号强度、通过差值对比选择链路最好的定位基站申请测距，如果差距小于15则认为相同；

定位基站同意定位卡片测距，向定位卡片回复同意测距及下次测距的周期；

定位卡片启动测距，通过检测无线信号的飞行时间，然后乘以光速进行测距；定位基站向定位卡片回复测距；

定位卡片上传测距信息给定位基站，然后定位基站上传给定位服务器。

进一步的，定位卡片采用基于twr双程测距法对定位基站进行测距，具体为：

定位基站向定位卡片发起测距申请，定位卡片接收到申请后向定位基站回复测距，定位基站到定位卡片的实际距离为：

其中，dab为定位基站到定位卡片的实际距离，c为光速，ta为定位基站发起到接收到信号的时间，tb为定位卡片接收信号到发出信号的时间。

进一步的，步骤(3)包括以下步骤：

(31)当定位卡片的左右两个天线的缓存数据信息都满时，定位基站通过判断定位卡片的信号强度来判断定位卡片的方向；同时使用已经判断出方向一侧的距离数据作为定位卡片的距离来上报定位卡片信息；如果定位基站判断方向、两个缓存的信号强度差值小于15，则不能通过定位卡片信号强度来判断定位卡片方向，放弃本次信息上报；

(32)当定位卡片左右天线的缓存数据信息其中一个数据已经填充满而另外一个没有填满，则判断定位卡片在已经填充满的一侧；同时使用已经判断出方向一侧的距离数据作为定位卡片的距离来上报定位卡片信息；

(33)当定位卡片左右天线的缓存数据信息都没有填满，则判断某一个方向是否连续来了两帧数据；如果是则判断定位卡片在连续来数据的方向，同时使用已经判断出方向一侧的距离数据作为定位卡片的距离来上报定位卡片信息；否则放弃本次信息上报；

(34)如果定位基站首次收到改定位卡片信息，直接上报一次区域进入信息即可。

进一步的，步骤(4)中定位服务器根据定位主站上报的所属定位基站、定位卡方向和距离信息，并根据预先设定好的地图进行插入实际的地理位置；具体为：

(41)定位服务器通过创建的的tcp服务器端口，接收到来自预定的10000端口的tcp数据；接收到数据后首先将tcp数据放入到定位基站的数据缓存中并发送消息到数据处理线程；

(42)数据处理线程接收到消息开始对数据进行解析，首先解析基站的hid号并与提前放置到地图上的hid号进行比对是否有一致的，如果有则锁定接收定位卡片信息的当前基站；

(43)锁定当前基站后解析信息中卡片的方向定义和距离信息，将卡片的图标放置到按照地图像素计算的等比例位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：

1、相同环境定位基站数量少；

2、无需实时高精度校时；

3、单个基站实时定位卡片容量不小于100张；

4、实现了佩戴人员长时间不运动上报异常的功能；

5、实现了高速运行时的高精度定位；

当定位卡片高速运动时，由于定位测距周期较长的原因。造成定位数据是不连贯的，所以定位是一个点的跳着走而不是一个连贯的定位。但是由于加入了加速度传感器就能够通过加速度值的上传，来让上位机来模拟一个连贯的定位值。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图；

图2是本发明方法流程图；

图3是本发明中卡片测距流程图；

图4是本发明测距方法示意图；

图5是本发明中方向处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实施例的一种矿用基站定位系统，该系统是应用于地面以下各个掘进巷道内的车辆、人员精确定位系统，包括定位客户端、定位服务器、定位主站、定位子站、定位天线和定位卡片等设备，定位客户端用于向客户展示当前定位卡片的位置、速度以及配置等信息，定位服务器用于解析来自定位主站的以太网定位数据；定位主站用于向定位服务器转发来自can1接口接收到的定位子站的定位数据及can2接口接收到本机定位天线的定位数据到定位服务器，及通过can2接收到的定位卡片数据按照内部逻辑判断出定位卡片的方向距离上报给定位服务器。定位子站用于通过can双绞线来扩展定位信号覆盖范围的低成本基站，及通过can2接口接收来自本机定位天线的定位卡片数据按照内部逻辑判断出定位卡片的方向距离上报给定位主站。定位天线主要是用来接收定位基站(定位基站包括定位主站和定位子站)的can配置信息并将配置信息配置到天线的无线模块，并接收定位卡片的测距请求进行信号覆盖。定位卡片主要用来让需要定位的设备或人员进行佩戴，进而通过定位卡片对定位天线的测距来判断出设备或人员的位置。

其中，定位主站包括两个，分别为定位主站1和定位主站2，两个定位主站分别与定位服务器连接，每个定位主站对应n个定位子站，分别为定位子站1、定位子站2、…定位子站n，每个定位主站和每个定位子站分别通过can2总线连接有两个定位天线，n个定位子站之间通过can总线顺次连接，然后再通过can1总线与相应的定位主站连接；定位卡片有多个，每个定位卡片可以通过无线通信与天线连接。

定位天线采用定向定位天线的方式来实现信号覆盖比以往的全向天线交叉覆盖定位的方法，提高了单个定位基站的覆盖距离。每个定位基站(定位基站包括定位主站和定位子站)分别外接了左右两个定向定位天线，分别用来接收两种一维巷道定位分布于定位基站左右两侧的定位卡片数据。

如图2所示，本实施例中一种矿用基站定位方法，包括以下步骤：

(1)定位卡片进行定位基站搜索

定位卡片对指定信道发送广播信息，定位基站收到广播信息后向定位卡片回复信息，定位卡片接收到回复信息即为扫描搜索过程，通过扫描可以获取定位基站的id号、定位基站的类型等信息。

(11)定位卡片按照约定的周期每5秒唤醒一次，每唤醒一次定位卡片首先进行定位基站搜索，最多支持同时搜索到5个定位基站；

(12)当定位卡片唤醒后如果连续超过5次都没有扫描到定位基站，则唤醒周期进入每20秒唤醒一次。除非加速度传感器(加速度传感器设置在定位卡片上)剧烈变化或者再次扫描到定位基站后恢复到5秒唤醒的周期。

(2)定位卡片申请对定位基站进行测距

定位卡片对定位基站进行信号强度排序，只对信号最好的1个进行申请测距。如果无法判断出信号优劣则同时对无法分辨信号的定位基站进行测距。如图3所示，具体包括以下步骤：

定位卡片对指定信道发送广播信息，定位基站收到广播信息后向定位卡片回复定位基站id号信息，定位卡片接收到回复信息，则完成扫描；

定位卡片根据返回信息的信号强度、通过差值对比选择链路最好的定位基站申请测距，如果差距小于15则认为相同；

定位基站同意定位卡片测距，向定位卡片回复同意测距及下次测距的周期；

定位卡片启动测距，通过检测无线信号的飞行时间，然后乘以光速进行测距；定位基站向定位卡片回复测距；

定位卡片上传测距信息给定位基站，然后定位基站上传给定位服务器。

如图4定位卡片采用基于twr双程测距法对定位基站进行测距，具体为：

定位基站向定位卡片发起测距申请，定位卡片接收到申请后向定位基站回复测距，定位基站到定位卡片的实际距离为：

其中，dab为定位基站到定位卡片的实际距离，c为光速，ta为定位基站发起到接收到信号的时间，tb为定位卡片接收信号到发出信号的时间。

(3)定位基站对接收到的定位卡片信息进行存储填充和处理

定位基站对于左右两个定向定位天线分别接收的定位卡片信息分为两个缓存进行存储填充。并对同一张定位卡片建立了左右两个5级的数据缓存，最多保留了最近5次的测距数据。供用来进行平滑滤波。

定位基站每次收到来自定向定位天线的定位卡片数据，按照定位卡片信息的左右天线来源方向对数据缓存进行填充。填充完成后检查当前定位卡片左右天线缓存是否都有数据，并根据响应逻辑判断方向或放弃上报数据。如图5所示，具体包括以下步骤：

(31)当定位卡片的左右两个缓存数据信息都满时，定位基站通过判断定位卡片的信号强度来判断定位卡片的方向。同时使用已经判断出方向一侧的距离数据作为定位卡片的距离来上报定位卡片信息。如果不能通过定位卡片信号强度来判断定位卡片方向则放弃本次信息上报。通过定位基站内的软件程序进行判断。

(32)当定位卡片左右缓存数据信息其中一个数据已经填充满而另外一个没有填满，则判断定位卡片在已经填充满的一侧。同时使用已经判断出方向一侧的距离数据作为定位卡片的距离来上报定位卡片信息。

(33)当定位卡片左右缓存数据信息都没有填满，则判断某一个方向是否连续来了两帧数据。如果是则判断定位卡片在连续来数据的方向，同时使用已经判断出方向一侧的距离数据作为定位卡片的距离来上报定位卡片信息。否则放弃本次信息上报。

(34)如果定位基站首次收到改定位卡片信息，直接上报一次区域进入信息即可(无方向、无距离)。

(4)定位服务器解析来自定位主站的以太网定位数据

定位服务器根据定位主站上报的所属定位基站、定位卡方向和距离信息，并根据预先设定好的地图进行插入实际的地理位置。具体为：

(41)定位服务器通过创建的的tcp服务器端口，接收到来自预定的10000端口的tcp数据；接收到数据后首先将tcp数据放入到定位基站的数据缓存中并发送消息到数据处理线程；

(42)数据处理线程接收到消息开始对数据进行解析，首先解析基站的hid号并与提前放置到地图上的hid号进行比对是否有一致的，如果有则锁定接收定位卡片信息的当前基站；

(43)锁定当前基站后解析信息中卡片的方向定义和距离信息，将卡片的图标放置到按照地图像素计算的等比例位置。

(5)定位客户端想客户展示当前定位卡片的位置、速度以及配置等信息

通过gis地图按照实际的画图进行标注卡片的实际位置，类似我们日常用的导航显示。

为了解决单个定位基站覆盖距离近的问题，本方案采用了定向天线的通讯机制同时配合定位基站的内部算法实现了单个定位基站单个天线判断出方向和位置的判断。比常用的全向天线和多定位基站覆盖的200米覆盖距离提高到了600米的覆盖距离。

为了解决单个定位基站同时定位的卡容量小的问题，本方案采用了(1)由卡片在预定的周期节点唤醒时首先扫描定位基站，(2)卡片将扫描到的定位基站进行链路质量和定位基站类型对比，(3)如过信号链路质量能够满足设定的阈值，则只对链路最好的进行测距定位；根据定向天线的场分布可以知道在同一个定位基站下一个定位卡只会对其中一个方向的有源天线进行测距。而另外一个方向的定位卡只会跟另一个方向定位卡测距，所以单个定位基站的单位时间内定位卡容量提高了1倍。

为了解决时钟精度要求高的问题，本方案独创性的抛弃了tdoa的全局定位方式。能够在单定位基站的情况下判断出卡片位置。具体实现方法是：一维定位模式(1)定位基站会配置左右两个定向有源天线；(2)定位卡片会根据当扫描到的定位基站类型、链路质量，进行对比判断出一个距离最近的一个有源天线进行测距定位；(3)定位基站会根据总线上的数据自动判断出当前卡片数据是左天线或是右天线读到的卡片数据，并放入对应天线预定的数据缓存中；(4)定位基站通过平滑滤波、限幅滤波等方式处理后进行数据方向、距离、链路质量等信息综合判断得出卡片距离当前定位基站的方向及距离。

为了解决生命状态监控的要求本方案加入了加速度传感器对佩戴人员的运动状态进行监测。当卡片检测到当前位置是矿井下，且长时间静止不动或与前期学习到的运动轨迹明显不符时，卡片主动上报状态异常信息。定位卡片内部有个加速度传感器会通过中断唤醒mcu的方式来给定位卡的mcu进行判断。

为了解决卡片高速运行时由于测距周期较长带来的定位误差问题，卡片加入了3轴加速度传感器能够实时感知卡片的加速度信息。进而使用了软件算法对当前连续测距的信息进行人工的软件补偿，来达到了高速运行的定位误差补偿。通过实时监测到的加速度信息及上次通过测距的信息得出的速度，使用v＝v1+a的方式来得出实际速度，其中，a表示实时监测到的加速度，v1表示上次通过测距的信息得出的速度，v为实际速度。通过实际速度来推测出在测距周期内不测距时的卡片实际位置。