本發(fā)明涉及隧道安全監(jiān)測的，尤其是指一種面向隧道安全監(jiān)測的基于uwb的三維定位方法。

背景技術(shù)：

1、地鐵隧道、煤礦巷道等環(huán)境的建設(shè)施工和生產(chǎn)過程中，人員預(yù)警和交通控制都依賴人員和設(shè)備的定位信息；當(dāng)有事故發(fā)生時，指揮救援決策也依賴這些定位信息，因此，隧道中人員、生產(chǎn)設(shè)備（如盾構(gòu)機(jī)、臺車等）和運(yùn)輸設(shè)備（如小火車）的精確位置對安全生產(chǎn)非常重要。隧道內(nèi)沒有衛(wèi)星定位信號，一般也沒有公用移動通信信號，不能采用地面的gps或者北斗等定位系統(tǒng)以及基于移動通信的定位系統(tǒng)，室內(nèi)定位系統(tǒng)往往采用超寬帶（ultra-wideband，uwb）定位方法。基于uwb的定位方法可以達(dá)到厘米級的定位精度，常見的uwb測距方法是通過計算飛行時間（time?of?flight，tof）來實現(xiàn)的，其中雙邊雙向測距（doubleside?two-way?ranging，ds-twr）是一種常用的測距算法。ds-twr方法的測距發(fā)起方和響應(yīng)方互相發(fā)送各自的接收和發(fā)送時間戳，最后根據(jù)時間戳數(shù)據(jù)計算出通信幀在節(jié)點之間的飛行時間，最后乘以環(huán)境中修正后的光速，得到測距結(jié)果。

2、在基于測距的定位中，被定位節(jié)點需要與多個錨節(jié)點（位置已知）進(jìn)行兩兩測距才能計算出被定位節(jié)點的位置，這需要比較密集的錨節(jié)點，而且測距通信的次數(shù)較多，很難適合隧道窄長型空間的應(yīng)用場合。除了待定位節(jié)點與定位錨節(jié)點的距離信息外，如果還能夠測量待定位節(jié)點與定位錨節(jié)點天線平面的角度，則可以大量減少錨節(jié)點的數(shù)量和定位所需要的通信次數(shù)。pdoa（phase-difference-of-arrival，信號到達(dá)相位差）方法是測量待定位節(jié)點與定位錨節(jié)點的相對角度信息的典型方法。具體方法是在錨節(jié)點上安裝兩根天線，天線的間距d小于λ/2（λ為uwb的波長），由于待測節(jié)點與兩根天線的距離有差別，因此兩根天線接收到的信號的相位不同，通過相位差可以計算出錨節(jié)點與信號源的相對角度值。錨節(jié)點的兩根天線只能測量出待測節(jié)點與錨節(jié)點天線在同一平面（或者在該平面上投影）的角度，因此，為了在單錨節(jié)點的情況下獲得被測節(jié)點的三維定位數(shù)據(jù)，需要設(shè)置多組不平行的天線。

3、在常見的半波長間距的三天線陣列中，測角誤差一般在3-5°。在地鐵隧道和煤礦井巷道等場景中，施工現(xiàn)場類似于狹長的走廊，錨節(jié)點一般間隔300-500米鋪設(shè)。假設(shè)待測人員與錨節(jié)點相距200米，角度測量誤差為4°，在垂直于隧道的方向上，距離誤差近似為14米。誤差值已經(jīng)超過了地鐵隧道等施工現(xiàn)場的寬度，測量誤差太大，可用性差。在多錨節(jié)點的定位中，往往需要多次雙向測距，而雙向雙邊測距方法中每次節(jié)點收到一幀都需要等待一定時間后再發(fā)送，每增加一次測距，都會增加多次等待時間使系統(tǒng)的實時性下降，過長的定位時間也減少了錨節(jié)點可以實時測距的最大節(jié)點數(shù)，這些缺點在需要人員設(shè)備數(shù)量較多或人員設(shè)備在高速移動時非常明顯。為了提高隧道中三維定位的精度和定位節(jié)點的數(shù)量，需要提高pdoa測角的精度和減少通信次數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服遠(yuǎn)距離場景下因測角誤差引起的較大位置誤差，提供了一種面向隧道安全監(jiān)測的基于uwb的三維定位方法，可有效滿足在地鐵隧道等場景下的精準(zhǔn)定位需求。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：面向隧道安全監(jiān)測的基于uwb的三維定位方法，包括：

3、在錨節(jié)點上設(shè)置由多對天線構(gòu)成的天線陣列，通過該天線陣列的位置擺放來實現(xiàn)半球面方向的高精度測角，并具有角度信息冗余；

4、只需一次ds-twr通信，在ds-twr通信中，待測節(jié)點亦是標(biāo)簽節(jié)點，其為測距發(fā)起者，按設(shè)定周期發(fā)送測距請求幀，即poll幀；錨節(jié)點收到poll幀之后，延時一段時間后，發(fā)送響應(yīng)幀，即resp幀，待測節(jié)點收到resp幀之后，延時一段時間后，發(fā)送一次測距的最后一幀，即final幀，錨節(jié)點接收到final幀之后，完成一次ds-twr通信；錨節(jié)點的天線陣列能夠分別獲得待測節(jié)點發(fā)送poll幀和final幀的到達(dá)相位差數(shù)據(jù)，即pdoa數(shù)據(jù)，錨節(jié)點為測距響應(yīng)者，在天線陣列中，某根最先接收到請求幀的天線作為響應(yīng)天線，其余天線則為非響應(yīng)天線，響應(yīng)天線和非響應(yīng)天線都與待測節(jié)點進(jìn)行測距；

5、錨節(jié)點根據(jù)待測節(jié)點、響應(yīng)天線和非響應(yīng)天線的接收時間戳的差值，計算出每根天線與待測節(jié)點的距離，再基于計算的距離和pdoa數(shù)據(jù)分別得到粗定位的待測節(jié)點坐標(biāo)和精定位的多個候選待測節(jié)點坐標(biāo)，最后，從多個候選待測節(jié)點坐標(biāo)中篩選出與粗定位的待測節(jié)點坐標(biāo)之間距離最小者作為待測節(jié)點的最終定位結(jié)果。

6、進(jìn)一步，所述天線陣列采用三對天線，分別是1號天線與2號天線組成一對，3號天線與4號天線組成一對，5號天線與6號天線組成一對；所述天線陣列整體呈等邊三角形擺放，包含內(nèi)外兩個等邊三角形，其中1號天線、4號天線和6號天線組成外等邊三角形，2號天線、3號天線和5號天線組成內(nèi)等邊三角形，外等邊三角形的邊長為uwb的2倍波長，每對天線中的兩根天線間距小于uwb的二分之一波長，每對天線的連線垂直于內(nèi)外兩個等邊三角形的對邊。

7、進(jìn)一步，所述ds-twr通信的具體過程如下：

8、待測節(jié)點按設(shè)定周期發(fā)送測距請求幀，即poll幀，并在幀中加入本次poll幀的發(fā)送時間戳；

9、錨節(jié)點的天線陣列接收待測節(jié)點的poll幀，其中響應(yīng)天線產(chǎn)生poll幀接收時間戳，并主動延時時間后發(fā)送resp幀回復(fù)待測節(jié)點，同時，天線陣列能夠獲得待測節(jié)點發(fā)送poll幀的pdoa數(shù)據(jù)；響應(yīng)天線在延時時間期間，天線陣列中剩余的非響應(yīng)天線依次接收到poll幀，每根天線都產(chǎn)生對應(yīng)的poll幀接收時間戳，記錄每根非響應(yīng)天線的poll幀接收時間戳與響應(yīng)天線的poll幀接收時間戳之差；

10、待測節(jié)點接收到resp幀，產(chǎn)生resp幀接收時間戳，待測節(jié)點主動延時時間后發(fā)送final幀，其中final幀包含待測節(jié)點resp幀的接收時間戳和final幀的發(fā)送時間戳數(shù)據(jù)；

11、響應(yīng)天線接收到final幀，產(chǎn)生final幀接收時間戳，計算出、、、四個時間差數(shù)據(jù)，有如下測距公式：

12、（1）；

13、式中，是響應(yīng)天線與標(biāo)簽節(jié)點之間幀的飛行時間的計算值，是響應(yīng)天線與標(biāo)簽節(jié)點的距離的計算值，為待測節(jié)點發(fā)送poll幀與接收到resp幀的時間差，為錨節(jié)點發(fā)送resp幀與接收到final幀的時間差，為待測節(jié)點預(yù)設(shè)延遲時間，為錨節(jié)點預(yù)設(shè)延遲時間， c為空氣中的光速；

14、錨節(jié)點的非響應(yīng)天線隨后依次接收到final幀，產(chǎn)生對應(yīng)的接收時間戳，同時，錨節(jié)點的天線陣列能夠獲得待測節(jié)點發(fā)送final幀的pdoa數(shù)據(jù)，計算每根非響應(yīng)天線的final幀接收時間戳與響應(yīng)天線的final幀接收時間戳之差，非響應(yīng)天線根據(jù)下式（2）得到測距結(jié)果：

15、（2）；

16、式中，是非響應(yīng)天線與標(biāo)簽節(jié)點之間幀的飛行時間的計算值，是非響應(yīng)天線與標(biāo)簽節(jié)點之間的距離的計算值；根據(jù)上述公式（2）依次計算出每根非響應(yīng)天線到待測節(jié)點的距離，至此得到了6根天線各自到待測節(jié)點的距離。

17、進(jìn)一步，當(dāng)待測節(jié)點與錨節(jié)點測距過程通信結(jié)束后，即一次ds-twr通信結(jié)束，測距節(jié)點能夠及時進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以節(jié)省能量；錨節(jié)點的6根天線都會接收到與待測節(jié)點在一次ds-twr通信的poll幀和final幀的uwb信號，從而每對天線得到兩個pdoa相位差，其中poll幀和final幀各一次，并取每對天線兩個pdoa相位差的平均值為該對天線本次ds-twr通信的接收相位差；

18、假設(shè)錨節(jié)點的天線平面置于平面，以等邊三角形重心為坐標(biāo)原點，三角形邊長為，為uwb的波長，每對天線中的兩根天線間距為a，設(shè)待測節(jié)點的三維坐標(biāo)為，則三對天線共有6個距離關(guān)系式：

19、（3）；

20、式中，、、、、、分別為待測節(jié)點到1、2、3、4、5、6號天線的距離；設(shè)為號天線，為號天線，，為每對天線中兩根天線到待測節(jié)點的距離平均值，為號天線與號天線接收信號的相位差，采用弧度表示，如下式（4）所示：

21、（4）；

22、由公式（3）和（4）得到粗定位的待測節(jié)點坐標(biāo)，表示為：

23、（5）。

24、進(jìn)一步，由1號天線、4號天線和6號天線相互之間的相位差，根據(jù)三根天線的距離公式有：

25、（6）；

26、按照前述公式（4）相同的求解方法，有：

27、（7）；

28、（8）；

29、式中，是間距為的兩根遠(yuǎn)距離天線之間的真實相位差的候選值，為兩根遠(yuǎn)距離天線之間的通過uwb芯片測得的相位差，的真實值可能與的測量值相差，，從而得到精定位中待測節(jié)點坐標(biāo)的三個候選值。

30、進(jìn)一步，根據(jù)粗定位和精定位的三個候選值，按照下式得到最終的精確定位坐標(biāo)為：

31、（9）；

32、式中，為向量坐標(biāo)表示，為的向量坐標(biāo)表示，即選擇粗定位和精定位之間距離最小者的坐標(biāo)為待測節(jié)點的最終定位結(jié)果。

33、進(jìn)一步，所述錨節(jié)點將待測節(jié)點的精確定位坐標(biāo)發(fā)送給安全監(jiān)控系統(tǒng)。

34、進(jìn)一步，所述天線陣列中每根天線都配備相同芯片，所有芯片由同一個晶振提供時鐘，晶振到每個芯片的距離相等。

35、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

36、1、本發(fā)明的天線陣列具有半球面的測角能力和高測角精度，實現(xiàn)了單錨點的高精度三維定位，滿足了在地鐵隧道等場景下的精準(zhǔn)定位需求。

37、2、本發(fā)明提出的測距方法可以測量錨節(jié)點的每根天線與待測節(jié)點的距離，不需要假設(shè)待測節(jié)點與錨節(jié)點所有天線距離都近似相等，提高了近距離時的定位精度。

38、3、本發(fā)明使用的雙邊雙向測距（double?side?two-way?ranging，ds-twr）方法，錨節(jié)點的非響應(yīng)天線不需要發(fā)送通信幀，整個測距過程只需要進(jìn)行一次雙向雙邊測距通信，不會增加通信次數(shù)，提高了測距人員和設(shè)備的密度。

39、4、本發(fā)明使用的雙邊雙向測距數(shù)據(jù)幀針對電池供電的標(biāo)簽節(jié)點進(jìn)行了優(yōu)化，減少了標(biāo)簽節(jié)點的接收次數(shù)并降低了標(biāo)簽節(jié)點運(yùn)算量，延長了電池供電的標(biāo)簽節(jié)點的可使用時間。