CN105699937A - 一种基于css定位技术的变电站高精度混合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，包括以下步骤：(1)离线训练阶段，分为区域划分和位置指纹采集，首先采用CSS定位技术对变电站定位效果不理想的区域进行划分，然后在所划分的各个区域内进行位置指纹采集，建立指纹数据库；(2)在线定位阶段，分为CSS定位和指纹定位，首先采用CSS定位技术测量目标位置，当测量结果波动较大或者测量无法完成时，则开启区域位置指纹定位，通过指纹匹配计算出目标位置。本发明所述方法充分利用CSS定位技术的优点同时结合变电站内固有的无线传感器网络和WIFI网络，采用CSS定位和区域位置指纹定位相结合的模式，能够以较低的成本和简单的部署实现变电站范围内的人员和物品的实时连续高精度定位。

Description

一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法

技术领域

本发明涉及一种变电站精确定位方法，具体是一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法。

背景技术

随着变电站自动化水平的不断提高以及定位技术的飞速发展和成熟，变电站对于人员和物品精确定位的需求日益迫切。现在国内的绝大多数变电站都没有针对站内工作人员和工器具的有效监管系统，经常会出现人员离岗或发生事故不能及时救援、工具找寻困难或丢失的问题。因此，采用先进的定位技术实现变电站范围内人员和物品的高精度实时定位势在必行。

目前，被广泛关注的几种主流定位技术主要有GPS、WiFi技术、无线传感器网络(WSN)定位技术、射频识别定位技术(RFID)、超宽带(UWB)技术、以及线性调频扩频(CSS)技术等。由于变电站定位环境复杂，障碍物众多，GPS信号很难全覆盖，定位连续性差且精度低；变电站内在结构和复杂的电磁环境使得基于信号强度(RSSI)的定位方法，如WIFI、WSN、RFID等受多径现象、电磁场等影响，无法保证定位精度；UWB技术虽然精度高，但是定位范围小，成本很高。CSS定位技术采用脉冲压缩处理机制，具有抗干扰和多径分辨能力强、功耗小、成本低等优点，在变电站应用中具有其他定位技术无法比拟的优势，但是采用单一CSS定位技术在非视距传播(NLOS)区域误差较大，甚至由于遮挡严重导致获取不到3个以上基站，无法完成定位，出现定位孤岛现象，而如果采用增加基站的办法来减少非视距传播，又会增加成本和部署难度。

近年来，智能变电站的发展使得无线通信技术在变电站自动化系统中应用成为现实且得到不断推广，一些智能变电站的在线监测和辅控系统利用WSN和WIFI技术已经实现全无线结构，而且这些WSN和WIFI节点的部署是固定不变的，且一般分布在电力设备附近，即在CSS定位效果不理想地带往往WSN或WIFI节点分布比较密集，这一场景特点使得可以借助小区域内的位置指纹定位技术来弥补CSS定位的不足，保证定位精度和连续性，为变电站定位提供有力的帮助。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有定位技术在变电站应用中的不足，并针对变电站发展现状提供一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，包括以下步骤：

离线训练阶段：在布设CSS定位基站后，采用CSS定位技术对变电站整体区域进行实地测量，根据测量结果将变电站划分为若干个定位区域；对所划分的各个定位区域进行位置指纹采集，存入位置指纹数据库中；

在线定位阶段：采用CSS定位和区域位置指纹定位相结合的方法获取目标的位置。

所述根据测量结果将变电站划分为若干个定位区域包括以下步骤：

采用CSS定位技术开展实地测量：测量时，将测量的位置与实际位置进行比较，当误差大于容忍值或者测量无法完成时，记录该处位置，并在附近区域采用同样的方法进行多次测量，从而获得该区域的最终范围；

各个区域范围划定后，将各区域的中心位置作为该定位区域的标识并保存。

所述测量无法完成为获取不到3个或者3个以上CSS定位基站。

所述位置指纹采集包括以下步骤：

将已划分的定位区域进行等距离网格分割，每个网格的交点处设立参考点；

在每个参考点位置采集WSN节点和WIFI节点的信号强度值，组成向量{SS_i ¹，SS_i ²，…，SS_i ^N，SF_i ¹，SF_i ²，…，SF_i ^M}，向量中SS和SF分别为WSN节点和WIFI节点的信号强度值，i代表第i个参考点，N和M代表区域内搜寻到的WSN和WIFI节点个数；

将参考点信号强度向量连同该点的位置信息一起作为一条指纹存入位置指纹数据库中，每个定位区域在位置指纹数据库中都有自己特定的存储区，且与各自的区域标识一一对应。

所述WSN节点和WIFI节点的信号强度值在同一参考点进行多次采集，取均值，并剔除其中波动大的信号节点。

所述在线定位阶段包括以下步骤：

由CSS定位基站测量目标位置，如果测量结果正常，则直接更新定位结果；如果测量结果出现异常，则进入区域位置指纹定位过程；

区域位置指纹定位：判断当前位置所属定位区域，在该定位区域内根据离线阶段建立的指纹数据库，通过定位匹配算法，计算出目标位置。

所述测量结果出现异常的判定依据是满足以下条件之一：

1)测量无法完成即搜索不到3个或者3个以上CSS定位基站信号；

2)相邻两次测量结果有较大波动，即

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(x-x_p)}^2+{(y-y_p)}^2}\≥\mathrm{\ΔE}$

式中，Δd为相邻两次测量结果的欧几里得距离，(x,y)为当前测量位置坐标，(x_p,y_p)为前一次测量的位置坐标，ΔE为判定阈值。

所述判定阈值ΔE由定位目标移动速度ν、定位时间间隔Δt和定位精度p_r进行估算，

ΔE≈×Δt+p_r

所述判断当前位置所属定位区域，采用欧几里得距离来计算当前位置与各个定位区域中心的远近，距离最小的即为所属定位区域，

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}$

式中，Δd为当前位置与某个定位区域中心的欧几里得距离，(x,y)为当前位置坐标，(x₀,y₀)为该定位区域中心的位置。

本发明的有益效果是：充分利用变电站固有的无线传感器网络和WIFI网络，将CSS定位技术与小区域位置指纹定位技术相结合，大大降低了定位成本和部署复杂度，真正实现变电站范围内精度可达3米以内的人员和物品的实时、连续、高精度定位。

附图说明

图1是本发明定位方法的整体流程图；

图2是本发明定位方法中离线训练过程流程图；

图3是本发明定位方法中在线定位过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，包括以下步骤：

(1)离线训练阶段，分为区域划分和位置指纹采集两个步骤，是实现精确定位的前提条件，针对变电站特定场景，只需进行一次。

所述离线训练阶段详细流程如图2所示，区域划分还包括以下步骤：

1.根据变电站占地面积、定位精度以及成本和部署要求安装CSS定位基站；

2.采用CSS定位技术开展实地测量，测量时，将测量的位置与实际位置进行比较，当误差大于容忍值或者测量无法完成(获取不到3个或者3个以上基站)时，记录该处位置，并在附近区域采用同样的方法进行多次测量，从而获得该区域的最终范围；

一般情况下，变电站大部分区域都可以直接完成定位，只有在少数障碍物密集的小区域内达不到理想效果，所以在测量开始之前，根据变电站环境和重点活动区域分布情况进行初步范围划分，将有效提高区域划分的工作效率。

3.各个区域范围划定后，需要将各区域的中心位置作为该定位区域的标识并保存。

位置指纹采集还包括以下步骤：

1.将已划分的定位区域进行等距离网格分割，每个网格的交点处设立参考点；

采集位置指纹时，由于所划分区域面积一般较小，区域内设立参考点的数量对定位匹配时延影响不大，所以可以根据实际情况尽量多设立参考点以提高定位精度。

2.在每个参考点位置采集附近WSN节点和WIFI节点的信号强度值，同一参考点经过多次采集，取均值，并剔除其中波动大的信号节点，组成向量{SS_i ¹，SS_i ²，…，SS_i ^N，SF_i ¹，SF_i ²，…，SF_i ^M}，向量中SS和SF分别为WSN和WIFI节点的信号强度值，i代表第i个参考点，N和M代表区域内搜寻到的WSN和WIFI节点个数；

3.将参考点信号强度向量连同该点的位置信息一起作为一条指纹存入位置指纹数据库中，每个定位区域在位置指纹数据库中都有自己特定的存储区，且与各自的区域标识一一对应。

(2)在线定位阶段，是采用CSS定位和区域位置指纹定位相结合的方法获取目标精确位置的过程，如图3所示，包括以下步骤：

1.定位过程开始后，首先采用CSS定位技术测量目标位置，如果测量结果正常，则直接更新定位结果；

在CSS定位过程中，为保证定位精度和减少误判率，可采用多次测量求均值的方法确定结果，在满足实时性要求的情况下，应尽可能增大测量次数，CSS定位技术单次测量反应时间为毫秒级，可以满足绝大多数定位场合应用。

2.如果测量结果出现异常，则进入区域位置指纹定位过程。测量结果出现异常的判定依据是满足以下条件之一：

1)测量无法完成即搜索不到3个或者3个以上CSS定位基站信号；

2)相邻两次测量结果有较大波动，即

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(x-x_p)}^2+{(y-y_p)}^2}\≥\mathrm{\ΔE}$

式中，Δd为相邻两次测量结果的欧几里得距离，(x,y)为当前测量位置坐标，(x_p,y_p)为前一次测定结果，ΔE为判定阈值，大小可由定位目标移动速度ν、定位时间间隔Δt和定位精度p_r进行估算，

ΔE≈×Δt+p_r

由于一般情况下，人的移动速度和测量间隔对判定阈值ΔE的影响很小，可以忽略不计，所以通常取ΔE等于误差容忍值。

3.当开启区域位置指纹定位过程后，首先需要根据当前位置来判断所属区域，同样是采用欧几里得距离来计算当前位置与各个定位区域中心的远近，距离最小的即为所属定位区域，

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}$

式中，Δd为当前位置与某个定位区域中心的欧几里得距离，(x,y)为当前位置坐标，(x₀,y₀)为该定位区域中心的位置。

然后在该区域内根据离线阶段建立的指纹数据库，通过常用定位匹配算法，例如采用最邻近(NN)算法，计算出目标位置。

经实际测试还可获知，在一些没有被划分的区域采用指纹定位甚至会比CSS定位精度高，所以在情况允许的条件下，可以通过比较CSS定位和指纹定位的精度，适当增加指纹定位的区域，进一步提高定位精度。

Claims (9)

1.一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

离线训练阶段：在布设CSS定位基站后，采用CSS定位技术对变电站整体区域进行实地测量，根据测量结果将变电站划分为若干个定位区域；对所划分的各个定位区域进行位置指纹采集，存入位置指纹数据库中；

在线定位阶段：采用CSS定位和区域位置指纹定位相结合的方法获取目标的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述根据测量结果将变电站划分为若干个定位区域包括以下步骤：

采用CSS定位技术开展实地测量：测量时，将测量的位置与实际位置进行比较，当误差大于容忍值或者测量无法完成时，记录该处位置，并在附近区域采用同样的方法进行多次测量，从而获得该区域的最终范围；

各个区域范围划定后，将各区域的中心位置作为该定位区域的标识并保存。

3.根据权利要求2所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述测量无法完成为获取不到3个或者3个以上CSS定位基站。

4.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述位置指纹采集包括以下步骤：

将已划分的定位区域进行等距离网格分割，每个网格的交点处设立参考点；

在每个参考点位置采集WSN节点和WIFI节点的信号强度值，组成向量{SS_i ¹，SS_i ²，…，SS_i ^N，SF_i ¹，SF_i ²，…，SF_i ^M}，向量中SS和SF分别为WSN节点和WIFI节点的信号强度值，i代表第i个参考点，N和M代表区域内搜寻到的WSN和WIFI节点个数；

将参考点信号强度向量连同该点的位置信息一起作为一条指纹存入位置指纹数据库中，每个定位区域在位置指纹数据库中都有自己特定的存储区，且与各自的区域标识一一对应。

5.根据权利要求4所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述WSN节点和WIFI节点的信号强度值在同一参考点进行多次采集，取均值，并剔除其中波动大的信号节点。

6.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述在线定位阶段包括以下步骤：

由CSS定位基站测量目标位置，如果测量结果正常，则直接更新定位结果；如果测量结果出现异常，则进入区域位置指纹定位过程；

区域位置指纹定位：判断当前位置所属定位区域，在该定位区域内根据离线阶段建立的指纹数据库，通过定位匹配算法，计算出目标位置。

7.根据权利要求6所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述测量结果出现异常的判定依据是满足以下条件之一：

1)测量无法完成即搜索不到3个或者3个以上CSS定位基站信号；

2)相邻两次测量结果有较大波动，即

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(x-x_p)}^2+{(y-y_p)}^2}\≥\mathrm{\ΔE}$

式中，Δd为相邻两次测量结果的欧几里得距离，(x,y)为当前测量位置坐标，(x_p,y_p)为前一次测量的位置坐标，ΔE为判定阈值。

8.根据权利要求7所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述判定阈值ΔE由定位目标移动速度ν、定位时间间隔Δt和定位精度p_r进行估算，

ΔE≈×Δt+p_r

9.根据权利要求6所述的一种基于CSS定位技术的变电站高精度混合定位方法，其特征在于，所述判断当前位置所属定位区域，采用欧几里得距离来计算当前位置与各个定位区域中心的远近，距离最小的即为所属定位区域，

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}$

式中，Δd为当前位置与某个定位区域中心的欧几里得距离，(x,y)为当前位置坐标，(x₀,y₀)为该定位区域中心的位置。