CN104363655A - 一种煤矿巷道中基于到达角的定位方法 - Google Patents

一种煤矿巷道中基于到达角的定位方法 Download PDF

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一种煤矿巷道中基于到达角的定位方法，属于煤矿巷道中的目标定位方法。该定位方法的移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；基站测得信号的到达角θ，将其和未知节点发送的privious信息存到自己的缓存中，随后连同节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；根据公式UB′＝h/tanθ，找出未知节点的2个可能的坐标；利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出正确的坐标作为未知节点坐标。本发明只需要一个基站即可完成定位，不需要复杂的计算和其他设备的配合，无论是直线巷道、弯曲巷道还是分叉巷道，都有很高的适用性。

Description

一种煤矿巷道中基于到达角的定位方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿巷道中的目标定位方法，特别是一种煤矿巷道中基于到达角的定位方法。
背景技术
移动目标定位对于实现煤矿井下的人员精细化管理、保障生产安全具有重要的意义，是实现人员感知的前提、设备感知的基础、灾害感知的关键，人员定位系统业已成为煤矿“六大系统”中最为重要的系统之一。
从定位方法看，可以将目标定位分成基于测距和非测距两大类。基于测距的方法通过测量节点间点到点的信号强度、时间、时间差或角度，来直接或者间接确定节点位置，这些方法就是常见的信号接收强度指示(RSSI)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)，以及到达角度(AOA)。这类方法计算相对复杂、成本较高。而基于非测距的方法则根据网络连通性等信息实现定位，依赖于网络拓扑和节点之间的邻域关系确定未知节点的位置，虽然在成本、功耗等方面具有一定优势，但是定位精度较低。
从已有的定位系统来看，GSM通信系统、CDMA通信系统和GPS定位系统这些地面常用的手段无法直接用于煤矿井下。而现有的煤矿定位系统多数基于WiFi或者RFID等手段，没有充分考虑到矿井的拓扑特点，定位精度通常在10米以上；部分系统存在严重的漂移现象，目标定位结果甚至到达了巷道之外，进入了煤壁之中。
因此，现在迫切需要设计顾及到煤矿井下定位特殊性的定位方法，在不明显增加计算复杂度的情况下使得定位精度大幅提高，并抑制定位漂移。
本发明在目前成熟的信号到达角精确测量方法的基础上，提出一种基于到达角的定位方法。本发明可以克服非视距、多径衰落的影响，尤其适用于煤矿井下环境。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为煤矿井下巷道设计一种简单灵活、不需复杂计算的基于到达角的定位方法，解决基站部署数目少则定位精度低的问题，克服RSSI方法中信号动态变化导致测距不准的固有缺陷，提高矿井中的移动目标定位精度。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：该定位方法的基站沿巷道顶板中线布置，移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；基站测得信号的到达角θ，将其和未知节点发送的privious信息存到自己的缓存中，随后连同节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；根据公式UB'＝h/tanθ找出未知节点的2个可能的坐标，式中U为未知节点，B'为基站B在巷道底板上的投影点；利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出正确的坐标作为未知节点坐标；
具体步骤如下：
(1)移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；
(2)基站测得信号的到达角θ，连同未知节点发送的privious信息存到自己的缓存中，随后和节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；数据包格式如下：
基站ID 节点ID privious state θ
(3)根据公式UB'＝h/tanθ，找出未知节点的2个可能的坐标；
(4)利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出正确的坐标作为未知节点坐标；
所述的坐标筛选方法步骤如下：
a.移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；
b.节点相对基站的移动，有趋近和远离两个状态，巷道中节点移动速度比较稳定，假设基站可以对巷道实现全覆盖，即节点在巷道任意区域都可以和基站通信。只需用两个基站之间距离d的一半除以节点的平均移动速度v就可以得到节点由趋近状态转换到远离状态的时间t；在基站缓存中设立一个字段state，当基站第一次收到节点发送的privious信号时，设置state为1，经过一个时间t＝d/2v后，将state置为0；
c.基站每次收到privious信号后，将其和到达角θ、状态信息state一起组成数据包发送给地面操作系统；地面定位操作系统接收到基站发送的数据包，根据数据包中的privious信息、基站ID可以判断出当前节点的运动方向；根据state信息，判断节点当前相对该基站的运动状态，state为1是趋近该基站，state为0是远离该基站；符合节点当前运动方向和相对基站的运动状态的坐标点才是正确的节点坐标。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过井下移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播无线电信号(privious)；基站测得信号的到达角θ，连同未知节点发送的privious信息存到自己的缓存中，随后和节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统。根据公式UB'＝h/tanθ，找出未知节点的2个可能的坐标。最后利用坐标筛选方法，根据数据包中的privious信息和基站ID判断出当前节点的运动方向，根据state信息，判断节点当前相对该基站的运动状态，state为1是趋近该基站，state为0是远离该基站；从2个坐标点中筛选出符合节点当前运动方向和相对基站运动状态的坐标点。该定位方法简单、使用灵活，与现有技术相比，不需要复杂的计算，只需一个基站便可完成定位，节约成本，适合井下狭长的巷道环境，为节点的动态定位和连续观测提供支撑。
利用巷道中部署的基站与移动节点进行通信，将采集到的数据包信息发送到地面定位操作系统，地面系统利用信号到达角计算出移动节点和基站在巷道底部的投影点之间的水平距离，确定节点的两个可能位置；随后，利用数据包中的privious、基站ID、state字段信息判断节点运动方向和状态，筛选出最合适的坐标。本发明只需要一个基站即可完成定位，不需要复杂的计算和其他设备的配合，无论是直线巷道、弯曲巷道还是分叉巷道，都有很高的适用性。
附图说明
图1是本发明的井下巷道简化示意图。
图2是本发明的计算节点和基站之间水平距离的示意图。
图3是本发明的坐标筛选方法示意图。
图4是本发明的直线巷道与弯曲巷道中定位示意图。
图5是本发明的分叉巷道中定位示意图。
图6是本发明的整体算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的煤矿巷道中基于到达角的节点定位方法是在井下巷道中，将携带天线的基站沿巷道顶板中线布置；在煤矿巷道中，往往只关注目标在巷道中的径向位置，巷道宽度对定位结果来说并不重要，因此在对井下目标进行定位时，可以忽略掉巷道的宽度，只考虑巷道的高度和长度。任意选定一个基站B，将其投影到巷道底板上，并令投影点为B'，则BB'的长度就是巷道顶板中线到底板的高度h，如图1所示。由于B的坐标在部署基站的时候已经测得，因此B'的坐标也是已知的。
令移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious。这些信号被基站接收到以后，通过本发明的方法计算移动目标的坐标。为了表述方便，将移动目标记为U，它也被称为未知节点，因为其位置未知。未知节点U与基站B、基站投影B'三点构成直角三角形，如图2所示。
当基站B接收到U所发射的无线电信号之后，对∠UBB'的大小进行精确估计，这里用θ表示估计结果。∠UBB'是信号到达角，已有许多成熟的方法可用。根据图2，可知UB'＝h/tanθ。不过，满足UB'＝h/tanθ的点可能位于B'的左侧，也可能位于B'的右侧，接下来，需要消除这种定位结果的二义性。
如图3所示，节点相对基站的移动，有趋近和远离两个状态。巷道中节点移动速度比较稳定，假设基站可以对巷道实现全覆盖，即节点在巷道任意区域都可以和基站通信。故只需用两个基站之间距离d的一半除以节点的平均移动速度v就可以得到节点由趋近状态转换到远离状态的时间；在基站缓存中设立一个字段state，当基站开始收到节点发送的信号时，设置state为1，经过一个时间t＝d/2v后，将state置为0；
基站将收到的privious信息、测量的信号到达角θ和状态信息state一起组成数据包发送给地面操作系统；地面定位操作系统接收到基站发送的数据包，根据数据包中的privious信息和当前基站ID可以判断出当前节点的运动方向；根据state信息，可以判断节点当前相对该基站的运动状态，state为1是趋近该基站，state为0是远离该基站；这样就可以确定唯一的未知节点位置，消除定位结果的二义性。
通过移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；基站测得信号的到达角θ，连同未知节点发送的方向数据存到自己的缓存中，随后和节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；根据公式UB'＝h/tanθ，找出未知节点的2个可能的坐标；最后利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出最适合的坐标作为未知节点坐标；
具体步骤如下：
(1)移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播无线电信号(privious)；
(2)基站测得信号的到达角θ，连同未知节点发送的privious信息存到自己的缓存中，随后和节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；数据包格式如下：
基站ID 节点ID privious state θ
(3)根据公式UB'＝h/tanθ，找出未知节点的2个可能的坐标；
(4)利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出最适合的坐标作为未知节点坐标；
所述的坐标筛选方法步骤如下
a.移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；
b.节点相对基站的移动，有趋近和远离两个状态，巷道中节点移动速度比较稳定，假设基站可以对巷道实现全覆盖，即节点在巷道任意区域都可以和基站通信。只需用两个基站之间距离d的一半除以节点的平均移动速度v就可以得到节点由趋近状态转换到远离状态的时间t；在基站缓存中设立一个字段state，当基站第一次收到节点发送的privious信号时，设置state为1，经过一个时间t＝d/2v后，将state置为0；
c.基站每次收到privious信号后，将其和到达角θ、状态信息state一起组成数据包发送给地面操作系统；地面定位操作系统接收到基站发送的数据包，根据数据包中的privious信息、基站ID可以判断出当前节点的运动方向；根据state信息，判断节点当前相对该基站的运动状态，state为1是趋近该基站，state为0是远离该基站；符合节点当前运动方向和相对基站的运动状态的坐标点才是正确的节点坐标
实施例1、
在井下巷道中，将携带天线的基站沿巷道顶板中线布置。在煤矿巷道中，往往只关注目标在巷道中的径向位置，巷道宽度对定位结果来说并不重要，因此在对井下目标进行定位时，可以忽略掉巷道的宽度，只考虑巷道的高度和长度。任意选定一个基站B，将其投影到巷道底板上，并令投影点为B'，则BB'的长度就是巷道顶板中线到底板的高度h，如图1所示。由于B的坐标在部署基站的时候已经测得，因此B'的坐标也是已知的。
移动目标(人员或者设备)携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；未知节点U与基站B、基站投影B'三点构成一个直角三角形(真实场景中节点一般是由矿工携带在身上或头上，这里假设节点高度为0的理想情况，实际应用本方法时可以根据节点高度调整h大小)，如图2所示。当基站B接收到U所发射的无线电信号之后，对∠UBB'的大小进行精确估计，这里用θ表示估计结果。∠UBB'是信号到达角，已有许多成熟的方法可用。根据图2，可知UB'＝h/tanθ。不过，满足UB'＝h/tanθ的点可能位于B'的左侧，也可能位于B'的右侧，如图3所示。为了消除定位结果的二义性，需要利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出最适合的坐标作为未知节点坐标。
如图4所示，是在直线巷道和弯曲巷道中使用本方法的实例。基站2测得未知节点U1发送信号的到达角θ，连同未知节点U1发送的privious信息存到自己的缓存中，随后和节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统，数据包内容如下。
2 U1 1 1 θ
地面定位操作系统接收到基站发送的数据包，依据测得的信号到达角θ，计算出未知节点U1到基站2的水平距离UB'，公式如下：
UB'＝h/tanθ
和基站2的水平距离为UB'的点有2个：U11，U12。
由数据包内容可知，与节点U1通信的上个基站是基站1，当前基站是基站2，由此判断节点运动方向是由基站1到基站2。state值为1，节点处在趋近状态，可以确定U12不符合条件，U11为移动节点当前坐标。
在分叉巷道中，同样可以使用本方法确定节点位置，不同的是，在分叉巷道中，存在一种特殊情况，基站5发送数据包如下：
5 U1 4 0 θ
如图5所示，依据数据包内容可知，节点U1和基站5之间水平距离UB'＝h/tanθ，和基站5的水平距离为UB'的点有3个：U11，U12，U13。
节点U1从基站4运动到基站5并处于远离状态，排除掉坐标点U13后，U11和U12都有可能是其当前位置，无法判断节点具体在哪一条巷道中，节点存在两条可能的移动轨迹，直到节点与基站6或基站7通信后，才能确定哪条路径是真实的。这样会造成一定的定位延迟，并不会影响精度。
因此本方法在直线巷道、弯曲巷道和分叉巷道中均可以实现节点的定位，并追踪节点历史轨迹。整体算法的流程图如图6所示。

Claims (2)

1.一种煤矿巷道中基于到达角的定位方法，其特征是：将基站沿巷道顶板中线布置，移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；基站测得信号的到达角θ，将其和未知节点发送的privious信息存到自己的缓存中，随后连同节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；根据公式UB'＝h/tanθ找出未知节点的2个可能的坐标，式中U为未知节点，B'为基站B在巷道底板上的投影点；利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出正确的坐标作为未知节点坐标；具体步骤如下：
(1)移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；
(2)基站测得信号的到达角θ，将其和未知节点发送的privious信息存储到自己的缓存中，随后连同节点的当前状态信息(state)一起组成数据包发送给地面定位操作系统；数据包格式如下：
基站ID 节点ID privious state θ
(3)根据公式UB'＝h/tanθ，找出未知节点的2个可能的坐标；
(4)利用坐标筛选方法，从2个坐标点中筛选出最适合的坐标作为未知节点坐标。
2.根据权利要求1所述的煤矿巷道中基于到达角的定位方法，其特征是：所述的坐标筛选方法步骤如下：
a、移动目标携带未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号，该信号包含了与移动目标通信的前一基站的位置信息，记为privious；
b、节点相对基站的移动，有趋近和远离两个状态，巷道中节点移动速度比较稳定，假设基站可以对巷道实现全覆盖，即节点在巷道任意区域都可以和基站通信。只需用两个基站之间距离d的一半除以节点的平均移动速度v就可以得到节点由趋近状态转换到远离状态的时间t；在基站缓存中设立一个字段state，当基站第一次收到节点发送的privious信号时，设置state为1，经过一个时间t＝d/2v后，将state置为0；
c、基站每次收到privious信号后，将其和到达角θ、状态信息state一起组成数据包发送给地面操作系统；地面定位操作系统接收到基站发送的数据包，根据数据包中的privious信息、基站ID可以判断出当前节点的运动方向；根据state信息，判断节点当前相对该基站的运动状态，state为1是趋近该基站，state为0是远离该基站；符合节点当前运动方向和相对基站的运动状态的点才是正确的节点坐标。
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