本發(fā)明涉及一種在煤礦井下進(jìn)行精確定位的方法，具體是通過toa測距方式獲得移動節(jié)點(diǎn)與2個固定基站的距離，將該2個基站確定的定位平面按巷道走向重構(gòu)一維空間，從而實(shí)現(xiàn)在巷道內(nèi)的精確定位。屬無線電定位技術(shù)領(lǐng)域，適用于煤礦井下工作人員及設(shè)備定位系統(tǒng)的開發(fā)。

背景技術(shù)：

多數(shù)精確定位系統(tǒng)是通過測量到達(dá)時間(time-of-arrival，toa)來獲取發(fā)射節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)之間的距離，換言之，測量toa是最有效最準(zhǔn)確獲取收發(fā)雙方距離的方法。擴(kuò)頻測距是應(yīng)用廣泛的一種toa測距方法，它是通過碼相關(guān)運(yùn)算來獲取toa信息的，然而在煤礦井下多徑環(huán)境下，如圖1所示，擴(kuò)頻碼理想的相關(guān)圖呈三角形，而在多徑嚴(yán)重的實(shí)際情況下呈鐘形，且相關(guān)峰明顯延遲。雖然擴(kuò)頻技術(shù)具有突出的抗多徑干擾的能力，但對于這種無線傳播的額外延遲給toa的測量帶來的測量誤差的情況卻沒有好的解決方法。特別地，這種由于額外延遲造成的測量誤差的均值不為零，而目前很多成熟的定位跟蹤算法要求距離的測量值具有均值為0的測量誤差，因此，研究能夠抑制非零均值測量誤差的定位方法，提高定位精度，無疑對煤礦井下人員定位系統(tǒng)的建設(shè)與開發(fā)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決煤礦井下嚴(yán)重的多徑影響造成距離測量結(jié)果有偏移誤差從而影響井下人員定位系統(tǒng)的定位精度問題，本發(fā)明提供了一種虛擬平面約束下重構(gòu)一維空間的toa定位方法。方法考慮到實(shí)際礦井巷道狹長，井下定位系統(tǒng)只需要知道在巷道的哪一段，并不關(guān)心該移動點(diǎn)究竟是在巷道中的偏左還是偏右，因此，方法的解決思路是忽略巷道寬度定位信息，將測距誤差轉(zhuǎn)移到巷道寬方向定位上，從而保證巷道長方向的定位精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：將定位基站沿巷道的同一側(cè)分布，沿巷道延伸方向設(shè)為x軸，巷道寬方向設(shè)為y軸，建立測距平面；

所述的定位基站通過toa測距獲得移動目標(biāo)與基站的偽距，即帶有測量誤差的距離值；

采用2站測距平面定位，得到測距平面上的2個測量方程，求解所述測量方程所獲得的解點(diǎn)視為虛擬位置估計(jì)點(diǎn)，所述的虛擬位置估計(jì)點(diǎn)所在測距平面視為虛擬平面；

巷道為狹長空間，忽略其寬度，視為一維空間，利用二維虛擬空間y方向的冗余信息重構(gòu)解點(diǎn)x方向的估計(jì)值，重構(gòu)后解點(diǎn)的x方向估計(jì)值受到測距平面約束而向x真實(shí)值趨近，減少了x方向的定位誤差；

丟棄所述重構(gòu)后解點(diǎn)的y方向估計(jì)值，其x方向的值即是對移動目標(biāo)在巷道位置的估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)在巷道內(nèi)的一維定位。

所述的虛擬平面約束下重構(gòu)一維空間的定位算法，具體包括以下步驟：

(1)在虛擬的測距平面上建立測量方程：i＝1，2；其中，di為移動目標(biāo)與第i個基站的偽距，(xi，yi)為第i個定位基站的位置坐標(biāo)，(x，y)為移動目標(biāo)的位置坐標(biāo)；

(2)設(shè)置位置估計(jì)值中的y值浮動區(qū)間：y_mean-dadj*y_dev＜deltay＜y_mean+dadj*y_dev，其中，deltay表示y值浮動區(qū)間的一個變量，y_mean表示y估值的均值，y_dev表示y估值的方差，dadj是調(diào)節(jié)系數(shù)；設(shè)置監(jiān)視計(jì)數(shù)器cmonitor初值為零；

(3)泰勒級數(shù)迭代法求解測量方程，得到解點(diǎn)的位置pv(x，y)

(4)判斷解點(diǎn)位置的y值是否落在給定的y值浮動區(qū)間，如果是，轉(zhuǎn)步驟(7)；如果不是，轉(zhuǎn)入步驟(5)；

(5)將cmonitor增1，對偽距di加權(quán)處理，di＝weightvalue*di，其中weightvalue為加權(quán)系數(shù)，由下式確定：式中，y表示當(dāng)前估值，abs表示絕對值運(yùn)算；

(6)判斷cmonitor是否大于7，如果否，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)步驟(3)，如果是，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)步驟(7)

(7)接受解點(diǎn)pv(x，y)的估計(jì)結(jié)果，丟棄y值數(shù)據(jù)，x值即表示移動目標(biāo)在巷道真實(shí)值的估計(jì)。

所述的toa測距是采用擴(kuò)頻測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，由定位基站接收移動目標(biāo)發(fā)射的擴(kuò)頻信號并由定位基站對此擴(kuò)頻信號進(jìn)行碼相關(guān)運(yùn)算獲得信號的到達(dá)時間，進(jìn)而將到達(dá)時間值換算成移動目標(biāo)到定位基站的偽距。

無論巷道是否嚴(yán)格直線，均以巷道的實(shí)際長度作為x軸坐標(biāo)值。

本發(fā)明有以下3點(diǎn)有益效果：

1.顯著降低了toa定位系統(tǒng)的硬件要求。現(xiàn)有的定位算法，例如基于最小二乘法的定位算法、基于濾波的定位算法、質(zhì)心算法等等，算法的實(shí)現(xiàn)至少需要3個定位基站參與甚至更多，而本發(fā)明提供的方法僅需要2個定位基站參與，降低了toa定位系統(tǒng)的硬件要求。

2.能有效抑制非視距傳播(non-lineofsight，nlos)所造成的定位誤差。事實(shí)上，在礦井下，有些情況下，nlos信號也是有益的，本發(fā)明提供的方法的主要功能即是消除額外延遲帶來的測距偏移誤差，因此，本方法能夠統(tǒng)一nlos與nos場景，不作區(qū)別地完成這兩種情況下的定位。

3.提供了具有零均值誤差的定位結(jié)果，為其它成熟的定位算法應(yīng)用于井下作出了基礎(chǔ)性的工 作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所涉及的擴(kuò)頻碼相關(guān)圖。

圖2是本發(fā)明虛擬測距平面約束一維定位的場景示意圖。

圖3是本發(fā)明定位方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖2是本發(fā)明虛擬測距平面約束一維定位的場景示意圖，采用2站測距平面定位，定位基站b1、b2設(shè)在巷道的同一側(cè)，以巷道延伸方向?yàn)閤軸，沿巷道寬方向?yàn)閥軸建立平面坐標(biāo)系，現(xiàn)需要定位r_p2移動目標(biāo)點(diǎn)，d1和d2是經(jīng)toa測量得到的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到基站b1和b2的距離，由于多徑的影響，這個測量的距離值是帶誤差的，不是準(zhǔn)確的距離值，在此稱之為偽距，假設(shè)測距無誤差，那么目標(biāo)位置一定位于以基站為圓心，距離為半徑的圓上，那么，兩個圓位置線的交點(diǎn)就是移動目標(biāo)點(diǎn)的位置?？梢钥吹剑捎谑堑玫降膁1和d2是偽距，交點(diǎn)v_p2不在巷道內(nèi)，而是在巷道外，顯然這是一個不存在的位置點(diǎn)，稱之為虛擬位置點(diǎn)，它所在的平面，稱之為虛擬平面?？梢郧宄乜吹?，盡管得到的交點(diǎn)是虛擬的，如果把巷道看成是一維的，它向x軸的投影x2卻能比較準(zhǔn)確地反映出移到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道的真實(shí)位置。由于偽距誤差的存在，而這個偽距誤差是非零均值的，那么，它必定會導(dǎo)致定位的點(diǎn)落在虛擬平面δy的范圍內(nèi)。顯然，r_p1、r_p2和r_p3的定位點(diǎn)v_p1、v_p2、v_p3均落在δy的范圍內(nèi)。向x軸投影操作隱含了對偽距的糾偏操作，如果能適當(dāng)調(diào)整偽距，保證交點(diǎn)落在δy的范圍內(nèi)，則能有效地減少x值的隨機(jī)誤差。

圖3本發(fā)明定位方法的流程圖，聯(lián)系圖2給出實(shí)施例。假設(shè)欲對r_p2移動目標(biāo)點(diǎn)實(shí)行定位，由以下步驟完成：

(1)b1、b2得到偽距d1、d2，建立測量方程：

①

②

其中(x1，y1)(x2，y2)分別為b1和b2的坐標(biāo)，(x，y)是移動目標(biāo)點(diǎn)r_p2的坐標(biāo)。聯(lián)立 ①、②方程可解出(x，y)，當(dāng)然解點(diǎn)并不一定能保證接近r_p2的真實(shí)值。因此，接下來的工作就是確保解點(diǎn)接近真實(shí)值。

(2)要確定δy的范圍，δy的范圍由下式給出：

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

其中，y_mean表示y估值的均值，可先由實(shí)測或者理論推導(dǎo)獲得，y_dev表示y估值的方差，也可先由實(shí)測或者理論推導(dǎo)獲得，之后這兩個參數(shù)可由實(shí)測值不斷修正更新。dadj是調(diào)節(jié)系數(shù)，調(diào)節(jié)系數(shù)主要是根據(jù)移動目標(biāo)的偽距進(jìn)一步微調(diào)δy的范圍，這是因?yàn)橐苿幽繕?biāo)所處的位置會對δy的范圍變化有一些小的影響；設(shè)置監(jiān)視計(jì)數(shù)器cmonitor初值為零。

(3)適當(dāng)調(diào)整偽距以減少系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性誤差，所謂結(jié)構(gòu)性誤差是指移動目標(biāo)離某一個基站較近，那么這時的定位行為與移動目標(biāo)處在兩定位基站中間有所不同，需要適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整方式是適當(dāng)加長近端的偽距值，同時適當(dāng)減少遠(yuǎn)端的偽距值，以使二者定位行為趨于一致。

(4)利用泰勒級數(shù)迭代法求解測量方程，如果不收斂，說明偽距誤差過大，已超過算法所能調(diào)節(jié)的范圍，給出報錯信息，本次定位結(jié)果無效。

如果是第一次迭代收斂，可以得到解點(diǎn)的位置v_p2(x，y)，此時將y值送存儲器存儲，這些存儲的y值數(shù)據(jù)可以用來求出y的均值和方差。

如果是第二次及二次以后迭代不收斂，則以前次收斂所得到的解點(diǎn)的位置v_p2(x，y)表示此次迭代的結(jié)果。

(5)判斷解點(diǎn)位置v_p2(x，y)的y值是否落在給定的y值浮動區(qū)間，是，轉(zhuǎn)步驟(8)；

(6)將cmonitor增1，對偽距d1、d2分別加權(quán)處理，d1＝weightvalue*d1，d2＝weightvalue*d2，其中weightvalue為加權(quán)系數(shù)，由下式確定：

式中，y表示當(dāng)前估值，abs表示絕對值運(yùn)算；

(7)判斷cmonitor是否大于7，否，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)步驟(4)

(8)接受解點(diǎn)pv(x，y)的估計(jì)結(jié)果，丟棄y值數(shù)據(jù)，x值即表示移動目標(biāo)在巷道真實(shí)值的估計(jì)；

下面給出一個具體的實(shí)施例：

定位基站b1坐標(biāo)為(0，0)，基站b2坐標(biāo)為(0，32.48)，移動目標(biāo)點(diǎn)在[2.2430.24]范圍內(nèi)利用本方法定位51次，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：偽距d1的誤差均值為1.8541，偽距d2的誤差均值為1.8227m，定位誤差均值為0.0141m，偽距d1的誤差方差為0.9479，偽距d2的誤差方差為17.0957，定位平均誤差為0.9277m?？梢钥闯?，盡管偽距具有非零均值的誤差，本發(fā)明所提 供的方法定位誤差均值接近于0，定位誤差主要是隨機(jī)誤差，說明本方法能有效抑制偏移誤差；另外，偽距d2的誤差方差為17.0957，說明d2的測量起伏較大，但仍對本算法不造成大的影響，定位平均誤差在1m以內(nèi)。