CN106646353A - 混合wifi‑uwb定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种混合WIFI‑UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法，主要包括WIFI固定设备、UWB固定设备、中心服务器、移动待测点的WIFI接收装置和UWB定位标签以及地上监控中心这五大模块。S1，根据基于RSS的采用三角形定位方法的WIFI定位技术，将待测点的位置确定在一个三角形区域内；S2，由移动待测点所在区域的UWB固定设备采用基于TOA定位方法对待测点位置进行测量，测量距离为半径的圆形曲线；S3，联合所得三角形区域和圆形曲线，分为有0个、1个、2个、3个交点的四种不同情况进行分析得出移动待测点的精确坐标。本发明提高了地下工作人员定位的精确度。

Description

混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作 方法

技术领域

本发明涉及通信自动化控制领域，尤其涉及一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法。

背景技术

建筑行业中，地下工作人员的实时定位对施工人员的人数统计以及他们的安全生产是至关重要的。地下工程环境具有明显的限定，由于空间的封闭性和地下环境的复杂性，其视距、视角、方位等都有一定的限制。为了安全以及有效应急，非常希望能够实时的对施工人员位置进行定位。以便于当施工人员在地下沿着道路走动时，底面检测设备可以实时的掌握施工人员所在的位置信息，有突发情况发生时，可迅速进行救援。因此需要更实时、更精确的定位方法。

地下定位因其与室内定位具有非视距、干扰大、要求精度高等相似的特点，其定位技术可以参考室内定位技术。目前，主流的室内定位方法有七种，分别是红外、超声波、蓝牙、WIFI、RFID、UWB和ZigBee。红外、超声波、蓝牙、ZigBee因其复杂环境下定位误差不稳定、易受障碍物干扰的特性而无法很好的用于室内定位。而RFID技术中所使用的标签可读范围小，标签部署对定位精度影响大且不具有通信能力，不便于整合到其他系统中。因此WIFI定位技术和UWB定位技术是室内定位研究的热门定位技术。

WIFI定位技术由于WIFI设备的普及而具有广泛的硬件设备基础，同时，它兼具通信和定位的功能，对应用于室内定位场景也更加具有优势。WIFI定位技术的常用定位方法有场景分析、邻近信息、三角定位等。但是WIFI信号容易受到环境中各种因素的干扰，例如常用的基于RSS(接收信号强度)的WIFI定位算法是采用三角定位法，但如果三个已知节点与未知节点之间测距由于地下环境或者节点间的干扰导致距离测量值较真实值的偏差较大，就会导致所构成的三角形定位区域过大、定位精度不高。因此，在对精度要求较高的环境中WIFI定位技术是不能满足实际应用需求的。

UWB定位技术所采用的脉冲宽度仅为纳秒或次纳秒级，因此具有极大的系统带宽和良好的时间分辨率，具备抗干扰能力强、多径分辨率高、穿透能力强等优点，在理论上信号可以达到厘米级甚至更高的定位精度。UWB定位技术一般包括三种方法：基于AOA(到达角度)估计、基于RSS估计和基于TOA/TDOA(到达时间)估计。这三种定位方法中，只有基于TOA/TDOA的方法能充分利用UWB信号较高的时间分辨率、体现出UWB高精度定位的优势，因此在UWB定位中是被广泛采用的。但是UWB定位设备暂时还未得到大量普及，其定位技术的使用会要求人和物佩戴额外的标签，而这些标签的布置会花费大量的时间与金钱，将UWB定位设备部署一千平方米区域的费用采用WIFI定位设备能够覆盖的面积可以达到十万平方米。

基于现有定位技术的不同特点，取长补短的将不同定位技术结合的相关研究层出不穷。对于非视距特性明显、障碍物多、通信受阻严重的地下环境，现有的定位技术在精度上还无法满足应用需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统和工作方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，包括：地面监控站、中心服务器、WIFI设备、UWB设备、定位终端；

地面监控站信号交互端无线连接中心服务器信号交互端，中心服务器WIFI信号端连接WIFI设备信号传输端，中心服务器UWB信号端连接UWB设备信号传输端，定位终端安装在地面以下位置处，定位终端WIFI信号发送端连接WIFI设备信号接收端，定位终端UWB信号发送端连接UWB设备信号接收端。

上述技术方案的有益效果为：通过该系统实现了针对地下工作场景的环境特点，考虑了LOS/NLOS对定位技术的影响，不同环境下选取不同的自由空间路径损耗系数和噪声方差；考虑到了不同RSS下信道中UWB定位所受到的误差方差干扰的不同，根据不同的RSS数值设置了更符合真实条件的数值。同时，根据不同场景下的不同定位精度需要，设置了不同的定位技术组合，从而实现低成本，精确定位。

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，其特征在于，所述WIFI设备包括：

第一LOS/NLOS判断模块，用于接收WIFI设备信号并作判断选择出合适的自由空间路径损耗系数α₁和噪声方差将参数传送至定位AP；

AP定位模块，用于安装在地面以下间隔一定距离的墙体或者地面上，用于人员的初步定位。

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，所述UWB设备包括：

RSS阈值判断模块，用于接收并作出判断选择出合适的估计误差方差

第二LOS/NLOS模块，用于接收UWB设备信号并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，所述中心服务器还包括：

数据处理系统，用于地上监控站下达定位指示，开启系统，并选择采用精确定位模式，定位命令依次向WIFI设备和UWB设备传输，直至定位终端的精确定位开关接收到命令；WIFI设备中的第一LOS/NLOS判断模块作出判断，将参数传送至定位AP，通过WIFI的三角形定位算法确定出移动待测点所在的三角形区域；当进行精确定位时，开启控制UWB定位标签开始发射脉冲序列信号，UWB定位标签发送的信号由UWB设备中的RSS阈值判断模块接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块接收并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差将所有参数传送至定位AP，通过基于TOA的UWB定位算法，确定出移动待测点所在的圆形边界；所有的信息通过WIFI设备和UWB设备汇总，由数据处理系统根据混合WIFI-UWB定位方法计算出最终的精确的移动待测点定位坐标。

本发明还公开一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，包括：

S1，采用基于RSS阈值判断方法，选择到移动待测点的RSS值最大的三个WIFI固定装置对移动待测点的位置进行探测，对待测点的位置进行估计，将待测点的位置确定在一个三角形区域内；

S2，由移动待测点所在区域内的UWB固定装置对移动待测点所在位置进行估计，采用基于TOA定位方法，确定出以所用UWB固定装置为圆心、测量距离为半径的圆形曲线，对移动待测点进行精确估计；

S3，将所得的三角形区域和圆形曲线，根据三角形区域和圆形曲线的不同位置关系作出不同的处理，分为有0个、1个、2个、3个交点的四种不同情况进行分析计算，由此得出一个精确的移动待测点定位坐标。

上述技术方案的有益效果为：在地下工作场景引入UWB定位技术，提出了一种有效的WIFI定位和UWB定位的结合算法。运用UWB定位技术抗多径干扰能力强和定位精度高的优点，有效改善了原有WIFI定位系统的定位精度。

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，优选的，所述S3包括：

S3-1，开始；

S3-2，由所述WIFI的三角形定位方法确定待测点所在三角形区域范围，三角形三个顶点的坐标分别为A(x_a，y_a)，B(x_b，y_b)，C(x_c，y_c)，三角形三条边的方程分别为

S3-3，由所述基于(到达角度)TOA的UWB定位算法确定待测点所在圆形曲线，圆形曲线方程为

S3-4，联合三角形区域和圆形曲线，由如下等式分别计算三角形三边与圆形曲线的交点：

若三角形三边和圆形曲线之间没有交点，则分别求出三角形三条边到圆心(x_m+v，y_m+v)的最短距离点，选取有最小距离的点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；若三角形三边和圆形曲线只有一个交点，选取该交点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；若三角形三边和圆形曲线共有两个交点，取两个交点的中点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；若三角形三边和圆形曲线共有三个交点，以这三个交点为顶点再构造一个新的三角形，取新三角形的重心作为移动待测点的定位坐标(x，y)；

S3-5，结束。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、定位系统考虑全面。从所采取的不同定位技术的不同定位方法入手，较全面的考虑了影响定位的各个因素。针对地下工作场景的环境特点，考虑了LOS/NLOS对定位技术的影响，不同环境下选取不同的自由空间路径损耗系数和噪声方差；考虑到了不同RSS下信道中UWB定位所受到的误差方差干扰的不同，根据不同的RSS数值设置了更符合真实条件的数值。同时，根据不同场景下的不同定位精度需要，设置了不同的定位技术组合。

2、定位精确度高。在地下工作场景引入UWB定位技术，提出了一种有效的WIFI定位和UWB定位的结合算法。运用UWB定位技术抗多径干扰能力强和定位精度高的优点，有效改善了原有WIFI定位系统的定位精度。

3、定位方法的环境适应性强。能灵活的根据不同的环境设置不同的参数，使其满足更多场景；设置了UWB定位标签的开关，可由地上监控中心根据不同情况下对定位精度的不同需求，来选择用高精度模式或是普通模式；同时，这一套定位方法也试用于普遍的室内场景。

4、成本低。将WIFI定位与UWB定位相结合，采取先粗后精的方式，先用WIFI进行粗略定位，对待测点位置进行粗略估计；后用UWB对待测点进行精确定位。利用WIFI设备易得、价格低、覆盖范围广泛的特点，在确保定位精度的前提下大大减少了昂贵的UWB定位技术所相关的设备成本。

5、能快速进行目标定位。所提的将UWB定位与WIFI定位所结合的混合WIFI-UWB定位方法算法较为简单，算法运算时间短，保证了快速定位。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是WIFI定位技术中的三角形定位方法示意图；

图2是本发明提供的混合WIFI-UWB混合定位方法的示意图；

图3是本发明提供的地下工作人员定位系统的模块图；

图4是本发明提供的地下工作人员定位系统的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明旨在解决地下作业人员定位精度不高和地下定位系统不完善的问题，特别创新地提出了一套完整的地下人员定位的系统和方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一套完整的地下定位系统设计方案和一种混合WIFI-UWB定位方法，同时给出了具体定位实施方法。

本发明所提供的技术方案如下：

本发明提供了一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，包括：地面监控站、中心服务器、WIFI设备、UWB设备、定位终端；

地面监控站信号交互端无线连接中心服务器信号交互端，中心服务器WIFI信号端连接WIFI设备信号传输端，中心服务器UWB信号端连接UWB设备信号传输端，定位终端安装在地面以下位置处，定位终端WIFI信号发送端连接WIFI设备信号接收端，定位终端UWB信号发送端连接UWB设备信号接收端。

上述技术方案的有益效果为：通过该系统实现了针对地下工作场景的环境特点，考虑了LOS/NLOS对定位技术的影响，不同环境下选取不同的自由空间路径损耗系数和噪声方差；考虑到了不同RSS下信道中UWB定位所受到的误差方差干扰的不同，根据不同的RSS数值设置了更符合真实条件的数值。同时，根据不同场景下的不同定位精度需要，设置了不同的定位技术组合，从而实现低成本，精确定位。

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，其特征在于，所述WIFI设备包括：

第一LOS/NLOS判断模块，用于接收WIFI设备信号并作判断选择出合适的自由空间路径损耗系数α₁和噪声方差将参数传送至定位AP；

AP定位模块，用于安装在地面以下间隔一定距离的墙体或者地面上，用于人员的初步定位。

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，所述UWB设备包括：

RSS阈值判断模块，用于接收并作出判断选择出合适的估计误差方差

第二LOS/NLOS模块，用于接收UWB设备信号并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差

所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，优选的，所述中心服务器还包括：

数据处理系统，用于地上监控站下达定位指示，开启系统，并选择采用精确定位模式，定位命令依次向WIFI设备和UWB设备传输，直至定位终端的精确定位开关接收到命令；WIFI设备中的第一LOS/NLOS判断模块作出判断，将参数传送至定位AP，通过WIFI的三角形定位算法确定出移动待测点所在的三角形区域；当进行精确定位时，开启控制UWB定位标签开始发射脉冲序列信号，UWB定位标签发送的信号由UWB设备中的RSS阈值判断模块接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块接收并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差将所有参数传送至定位AP，通过基于TOA的UWB定位算法，确定出移动待测点所在的圆形边界；所有的信息通过WIFI设备和UWB设备汇总，由数据处理系统根据混合WIFI-UWB定位方法计算出最终的精确的移动待测点定位坐标。

一种地下作业人员精确定位系统及方法，在地下作业区域的多个不同位置布设WIFI固定设备和UWB固定设备，将上述各固定设备分别依次编号并确定其各自的位置信息；中心服务器接收所有来自UWB固定设备和WIFI固定设备所采集到的定位信息，并将所有数据汇总和通过定位算法定位与表示；WIFI接收装置和UWB定位标签，用于跟踪人员或设备；地上监控中心，用于地面指挥人员观察地下人员分布并根据实际情况对地下人员做出调控和调度。

一种结合WIFI定位技术与UWB定位技术的混合WIFI-UWB定位技术，将WIFI定位技术的三角定位方法与UWB定位技术的TOA定位方法相结合，包括如下步骤：

S1，采用基于RSS的方法，选择到移动待测点的RSS值最大的三个WIFI固定装置对移动待测点的位置进行探测，对待测点的位置进行粗略估计，将待测点的位置确定在一个三角形区域内；

S2，由移动待测点所在区域内的UWB固定装置对移动待测点所在位置进行估计，采用基于TOA定位方法，确定出一个以所用UWB固定装置为圆心、测量距离为半径的圆形曲线，对移动待测点进行精确估计；

S3，联合S1与S2中所得的三角形区域和圆形曲线，根据三角形区域和圆形曲线的不同位置关系作出不同的处理，分为有0个、1个、2个、3个交点的四种不同情况进行分析计算，由此得出一个精确的移动待测点定位坐标。

所述S1中的基于RSS的WIFI三角定位方法包括：

S1-1，开始；

S1-2，移动的WIFI接收装置采集到所有WIFI固定设备的RSS{R₁，R₂，…，R_m}，其中，假设有m个WIFI固定设备，且m个WIFI固定设备装置的坐标分别为{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，…，(x_m，y_m)}；

S1-3，将收集到的RSS按大小进行排序，选出其中最大的三个，设它们的序号分别为p、q、w(1≤p＜q＜w≤m)，代表所选出的将对这个移动的WIFI接收装置点进行定位的三个WIFI固定设备的序号，这三个WIFI固定设备的坐标分别是(x_p，y_p)、(x_q，y_q)、(x_w，y_w)；

S1-4，参照802.11协议中的路径损耗模型公式，将其中的参数设置为LOS(视距)情况下α＝2.0，σ_x＝8.0；NLOS(非视距)情况下α＝3.5，σ_x＝8.0，计算出移动点和p、q、m三个装置之间的距离d_p、d_q、d_m，设移动待测点坐标为(x，y)，列出下列方程组：

联立方程解出坐标(x_a1，y_a1)、(x_a2，y_a2)，选择满足等式min{(x_a-x_w)²+(y_a-y_w)²}的坐标为三角形顶点坐标A(x_a，y_a)，同理，联立方程解出顶点坐标B(x_b，y_b)，联立方程解出顶点坐标C(x_c，y_c)，则以A、B、C为顶点确定出了WIFI三角形定位方法中的三角形区域；

S1-5，如图1所示，选取三角形ABC的重心作为移动点(x，y)的坐标，即

S1-6，结束。

所述S2中的基于TOA的UWB定位方法确定圆形曲线包括：

S2-1，开始；

S2-2，移动待测点上的UWB定位标签持续发送短脉冲，由UWB固定设备进行接收并根据接收到的时间t₂和标签发送的时间t₁之差确定传输时间间隔τ。假设共有n个UWB固定设备，且n个UWB固定设备的坐标分别{(x_m+1，y_m+1)，(x_m+2，y_m+2)，…，(x_m+n，y_m+n)}，移动点(x，y)所在区域的UWB固定设备序号为v(m+1≤v≤m+n)，则根据公式s_v＝c×τ_v，得出移动待测点与UWB固定设备v之间的距离s_v；

S2-3，以v号UWB固定设备坐标(x_m+v，y_m+v)为圆心,s_v为半径可确定出一个圆形曲线

S2-4，结束。

所述S3中的混合WIFI-UWB定位方法包括：

S3-1，开始；

S3-2，由所述WIFI的三角形定位算法确定待测点所在三角形区域范围，三角形三个顶点坐标分别为A(x_a，y_a)，B(x_b，y_b)，C(x_c，y_c)，三角形三条边的方程分别为

S3-3，由所述基于TOA的UWB定位算法确定待测点所在圆形曲线，圆形曲线方程为

S3-4，如图2所示，联合三角形区域和圆形曲线，由如下等式分别计算三角形三边与圆形曲线的交点：

如图2-(a)所示，若三角形三边和圆形曲线之间没有交点，则分别求出三角形三条边到圆心(x_m+v，y_m+v)的最短距离点，选取有最小距离的点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；如图2-(b)所示，若三角形三边和圆形曲线只有一个交点，选取该交点为移动待测点的定位坐标(x，y)；如图2-(c)所示，若三角形三边和圆形曲线共有两个交点，取两个交点的中点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；如图2-(d)所示，若三角形三边和圆形曲线共有三个交点，以这三个交点为顶点再构造一个新的三角形，选取新三角形的重心作为移动待测点的定位坐标(x，y)；

S3-5，结束。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的WIFI固定设备包括WIFI定位AP和第一LOS/NLOS判断模块，其中，LOS/NLOS判断模块是通过判断该WIFI固定设备与移动待测点间的LOS、NLOS关系来确定待测点至WIFI固定设备之间的信道关系，以便确定不同的路径损耗因子和噪声方差。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的UWB固定设备包括UWB定位AP、RSS阈值判断模块和第二LOS/NLOS判断模块，其中，RSS阈值判断模块是通过判断接收到的RSS的范围来确定所要采用的误差方差、LOS/NLOS判断模块是用来选择路径损耗因子以及噪声方差。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的中心服务器中的交换机是与地下网络相连的，它接收各个固定设备的信号，并将其传送汇总至数据处理系统，由数据处理系统根据已知的各个固定设备点的坐标、到达的数据包和各个数据包所到达的时间、以及相关定位算法，最终精确的确定出一个移动待测点的坐标。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的WIFI接收装置可直接由地下工作人员即移动待测点所携带的手机担当，而UWB定位标签安装悬挂在工作人员的安全帽上，进入地下工作区域的人员才会佩戴。同时，所有的定位标签在由工作人员带入地下之后，和工作人员的个人身份是一一对应关系。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的地下工作人员的位置即移动待测点位置附近的WIFI固定设备和UWB固定设备都能接收到待测点发出的信号。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的每一个地下工作人员的位置即移动待测点的位置信息至少能同时被三个WIFI固定设备检测到，根据这三个位置信息可以确定出待测点所在的三角形区域。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的每一个地下工作人员的位置即移动待测点的位置信息至少能被一个UWB固定设备接收到，根据这个位置信息可以确定待测点所在的圆形曲线。

进一步地，作为上述技术方案的优选，所述的UWB定位标签模块中添加了一个感应开关——精确定位开关，开关通过无线信道连接WIFI固定设备再连接到中心服务器进而连接到地上监控中心。开关的开和关分别对应着高精度模式和普通模式，它控制着UWB标签发送短脉冲信号的开启与中断，开关开代表开启UWB短脉冲信号发送、关代表终止UWB短脉冲信号的发送，开关由地上监控中心根据实际情况进行统一调控。

如图3所示，本发明所提系统主要包含有地上监控站、中心服务器、WIFI固定设备、UWB固定设备和定位终端这五大模块。其中，WIFI固定设备包括LOS/NLOS判断模块和定位AP，UWB固定设备包括LOS/NLOS判断模块、RSS阈值判断模块和定位AP，而图中的实线箭头代表存在实际有线链路，虚线箭头代表存在无线传输通道，箭头的存在代表着发生信息交互的方向。本系统实施包括如下步骤：

步骤1，开始；

步骤2，地上监控站下达定位指示，开启系统，并选择采用精确定位模式或普通定位模式，命令经过中心服务器后依次向下传输，直至定位终端处的精确定位开关接收到命令；

步骤3，定位终端开始发射信号，WIFI接收装置发送的信号由WIFI固定设备中的LOS/NLOS判断模块接收并作判断选择出合适的自由空间路径损耗系数α₁和噪声方差将参数传送至定位AP，通过WIFI的三角形定位算法确定出移动待测点所在的三角形区域；

步骤4，判断是否采用高精度定位模式，若未采用，则选取三角形区域重心作为移动待测点的位置坐标，若采用，则跳转至步骤5；

步骤5，由精确定位开关的开启控制UWB定位标签开始发射脉冲序列信号，UWB定位标签发送的信号由UWB固定设备中的RSS阈值判断模块接收并作出判断选择出合适的估计误差方差由UWB固定设备中的第二LOS/NLOS判断模块接收确定自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差将所有参数传送至定位AP，通过基于TOA的UWB定位算法，确定出移动待测点所在的圆形曲线；

步骤6，所有的信息通过WIFI固定设备和UWB固定设备汇总至中心服务器处，由中心服务器根据混合WIFI-UWB定位方法计算出最终的精确的移动待测点定位坐标；

步骤7，结束。

本发明所提系统应用于地下工作场景中时，地面安装设备有地上监控站和中心服务器；地下安装设备有WIFI固定设备和UWB固定设备，它们都是分别等间距排列固定在地下道路两旁；WIFI接收装置和UWB定位标签模块则由地下工作人员随身佩戴。地上监控站与中心服务器相连，中心服务器中引出多根链路布置于布线管道处，所有的固定定位设备通过连接布线管道与中心服务器相连接，地下工作人员所佩戴的定位标签通过无线信道与周围的WIFI固定设备和UWB固定设备进行信息交互。

如图4所示，本发明提供了一种混合WIFI-UWB定位方法，包括如下步骤：

S1，开始；

S2，由地上监控站启动系统，进行系统的初始化；

S3，由待测点处的WIFI接收装置收集所有接收到的WIFI固定设备的RSS值{R₁，R₂，…，R_m}；

S4，选取RSS集合中最大的三个RSS，取这三个值所对应的WIFI固定设备作为进行基于三角形定位算法的定位设备；

S5，由前面选出的WIFI固定设备根据LOS/NLOS判断模块确定自由空间路径损耗系数α₁和噪声方差传送至WIFI定位AP进行三角形定位得出移动待测点所在三角形区域，并将所有数据传送至中心服务器处；

S6，判断是否开启了高精度定位模式，若未开启，则选取S5中得出的三角形区域的重心(x，y)作为最终的移动待测点位置，若开启，则跳转至S7；

S7，WIFI接收装置将选取的WIFI固定设备的序号信息通过WIFI固定设备反馈给中心服务器，由中心服务器中的数据处理系统选出其所在区域内的UWB固定设备序号，并启动对应的UWB固定设备；

S8，UWB固定设备中的RSS阈值判断模块确定出合适的估计误差方差LOS/NLOS判断模块确定出自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差将所有数据传送至UWB定位AP进行基于TOA的定位得出移动待测点所在圆形曲线，并将所有数据传送至中心服务器处；

S9，中心服务器中的数据处理系统根据收到的所有数据，采用混合WIFI-UWB定位方法计算出精确的移动待测点坐标(x，y)；

S10，结束。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，包括：地面监控站、中心服务器、WIFI设备、UWB设备、定位终端；

地面监控站信号交互端无线连接中心服务器信号交互端，中心服务器WIFI信号端连接WIFI设备信号传输端，中心服务器UWB信号端连接UWB设备信号传输端，定位终端安装在地面以下位置处，定位终端WIFI信号发送端连接WIFI设备信号接收端，定位终端UWB信号发送端连接UWB设备信号接收端。

2.根据权利要求1所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，所述WIFI设备包括：

第一LOS/NLOS判断模块，用于接收WIFI设备信号并作判断选择出合适的自由空间路径损耗系数α₁和噪声方差将参数传送至定位AP；

AP定位模块，用于安装在地面以下间隔一定距离的墙体或者地面上，用于人员的初步定位。

3.根据权利要求1所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，所述UWB设备包括：

RSS阈值判断模块，用于接收并作出判断选择出合适的估计误差方差

第二LOS/NLOS模块，用于接收UWB设备信号并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差

4.根据权利要求1所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位系统，其特征在于，所述中心服务器还包括：

数据处理系统，用于地上监控站下达定位指示，开启系统，并选择采用精确定位模式，定位命令依次向WIFI设备和UWB设备传输，直至定位终端的精确定位开关接收到命令；WIFI设备中的第一LOS/NLOS判断模块作出判断，将参数传送至定位AP，通过WIFI的三角形定位算法确定出移动待测点所在的三角形区域；当进行精确定位时，开启控制UWB定位标签开始发射脉冲序列信号，UWB定位标签发送的信号由UWB设备中的RSS阈值判断模块接收并作出判断选择出合适的估计误差方差第二LOS/NLOS模块接收并作出判断选择合适的自由空间路径损耗系数α₂和噪声方差将所有参数传送至定位AP，通过基于TOA的UWB定位算法，确定出移动待测点所在的圆形边界；所有的信息通过WIFI设备和UWB设备汇总，由数据处理系统根据混合WIFI-UWB定位方法计算出最终的精确的移动待测点定位坐标。

5.一种混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，其特征在于，包括：

S1，采用基于RSS阈值判断方法，选择到移动待测点的RSS值最大的三个WIFI固定装置对移动待测点的位置进行探测，对待测点的位置进行估计，将待测点的位置确定在一个三角形区域内；

S2，由移动待测点所在区域内的UWB固定装置对移动待测点所在位置进行估计，采用基于TOA定位方法，确定出以所用UWB固定装置为圆心、测量距离为半径的圆形曲线，对移动待测点进行精确估计；

S3，将所得的三角形区域和圆形曲线，根据三角形区域和圆形曲线的不同位置关系作出不同的处理，分为有0个、1个、2个、3个交点的四种不同情况进行分析计算，由此得出一个精确的移动待测点定位坐标。

6.根据权利要求5所述的混合WIFI-UWB定位技术的地下作业人员精确定位工作方法，其特征在于，所述S3包括：

S3-1，开始；

S3-2，由所述WIFI的三角形定位方法确定待测点所在三角形区域范围，三角形三个顶点的坐标分别为A(x_a，y_a)，B(x_b，y_b)，C(x_c，y_c)，三角形三条边的方程分别为

$y_1=\frac{y_b-y_a}{x_b-x_a}(x-x_a)+y_a,(x_a\≤x\≤x_b,y_a\≤y\≤y_b)$

$y_2=\frac{y_c-y_a}{x_c-x_a}(x-x_a)+y_a,(x_a\≤x\≤x_c,y_a\≤y\≤y_c)$

$y_3=\frac{y_c-y_b}{x_c-x_b}(x-x_b)+y_b,(x_b\≤x\≤x_c,y_b\≤y\≤y_c);$

S3-3，由所述基于(到达角度)TOA的UWB定位算法确定待测点所在圆形曲线，圆形曲线方程为

S3-4，联合三角形区域和圆形曲线，由如下等式分别计算三角形三边与圆形曲线的交点：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{y_b-y_a}{x_b-x_a}(x-x_a)+y_a=y_1\\ {(x-x_{m+v})}^2+{(y-y_{m+v})}^2=s_v^2\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{y_c-y_a}{x_c-x_a}(x-x_c)+y_a=y_2\\ {(x-x_{m+v})}^2+{(y-y_{m+v})}^2=s_v^2\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{y_c-y_b}{x_c-x_b}(x-x_b)+y_b=y_3\\ {(x-x_{m+v})}^2+{(y-y_{m+v})}^2=s_v^2\end{array}\right.$

若三角形三边和圆形曲线之间没有交点，则分别求出三角形三条边到圆心(x_m+v，y_m+v)的最短距离点，选取有最小距离的点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；若三角形三边和圆形曲线只有一个交点，选取该交点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；若三角形三边和圆形曲线共有两个交点，取两个交点的中点作为移动待测点的定位坐标(x，y)；若三角形三边和圆形曲线共有三个交点，以这三个交点为顶点再构造一个新的三角形，取新三角形的重心作为移动待测点的定位坐标(x，y)；

S3-5，结束。