CN106959432B - 一种基于小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上作业平台人员定位领域，具体是一种基于小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法。主要分为六个步骤：A.安装在油区工作人员身上的定位标签发送UWB信号，定位基站接收该信号；B.定位基站对接收到的UWB信号进行小波分解；C.取小波分解后的低频系数构造能量块；D.建立阈值与能量块峭度的映射关系；E.实际测量时，根据收到的UWB信号，进行实际测距；F.服务器再根据定位标签与不同定位基站之间的距离差，利用双曲线算法，实现人员定位。本发明首次将UWB信号、小波分解、小波分解低频系数构造能量块等应用于海上作业平台人员定位中，在多径、非直视、多金属等海上油区特殊作业条件下可以提高人员测距定位精度。

Description

一种基于小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法

技术领域

本发明属于无线定位、测距技术领域，特别涉及超宽带无线定位技术，具体是一种基于小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，能源问题日益突出，同时由于我国陆上石油资源的日益枯竭，海上石油开发已成为能源发展的战略重点。然而海上生产环境受天气、海浪等外界因素影响，易遇到突发性、灾难性气候，如遇人员落水的情况，需投入大量人力、物力进行拉网式搜索，并且搜救过程及效率受天气、海浪等外界因素影响，导致搜救周期长、搜救效果不理想。随着海上作业日益频繁，施工人员在作业平台上以及落水后的精确定位成为海上作业平台安全生产需要重点解决的问题。

目前常用的无线定位技术包括：①GNSS定位(Global Navigation SatelliteSystem，全球卫星导航系统)，包括GPS(Global Positioning System，全球定位系统)和BDS(BeiDou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统)，这些定位技术在室外理想情况下虽然可以实现小于10米的定位，但其信号一旦受到遮挡或者受到多径衰减等影响，将无法实现定位，所以在海上作业平台上基本无法使用。②短距离定位技术：目前常用的短距离无线定位技术主要包括UWB(Ultra-WideBand，超宽带)、Wi-Fi、红外线、超声波等。

UWB是一种新兴的高速、低成本、低功耗、高带宽的无线通信技术，与目前传统的无线定位技术相比具有以下5个主要的特点，所以更适合在海上作业平台使用。

1)定位精度高：由于UWB采用纳秒级窄脉冲，其持续时间远小于多径传播时延，所以在接收端多径信号能有效分离，从而具有较高的多径分辨率，因此可以实现厘米级别的高精度的测距和定位。

2)穿透能力强：由于UWB信号具有丰富的低频分量，所以具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，从而可以实现室内和地下的精确定位。

3)发射功率低：由于UWB信号功率谱密度很低，所以所需平均功率很小。

4)安全性高：由于UWB信号功率谱密度很低，所以很难被检测到，所以安全性好，保密性高。

5)对其他系统干扰少：相对于其他通信系统，UWB信号所产生的干扰相当于宽带白噪声，这样可以使UWB系统与其他现有窄带通信系统共存，提高无线频谱资源的利用率，所以可以缓解海上作业平台日益紧张的无线频谱资源。

基于UWB的IEEE802.15.4a标准是IEEE于2007年最终通过的第一个精确测距定位的无线物理层标准，正是由于UWB独特的通信机制使其具有高精度、低成本、抗多径干扰、穿透能力强等特点，成为海上作业平台短距离、高精度无线定位的首选。

本发明专利正是在IEEE802.15.4a标准基础上提出的基于超宽带信号小波分解低频系数的提高海上作业平台人员定位精度的方法。该方法可以实现多径、多金属环境、有遮挡的海上作业平台环境下的高精度测距定位，从而为海上作业平台人员安全提供保障。

发明内容

鉴于目前海上作业平台人员定位系统多采用GPS，而GPS又有其不可克服的局限与不足，本发明提出了一种基于超宽带信号小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法，该方法可以大大提高传统定位方法中的多径、多金属环境、有遮挡环境下的定位精度，为海上作业平台作业人员提供安全保障。

一种基于超宽带信号小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法，包括以下步骤：

A.UWB信号发送：安装在作业平台工作人员身上的定位标签发送UWB信号，定位基站接收该信号。如果要实现三维定位则基站数量不能少于4个，如果要实现二维定位则基站数量不能少于3个。

B.UWB信号小波分解：定位基站对接收到的UWB信号进行小波分解，计算方法为：

其中，c₀表示接收到的UWB信号，j∈{0,1,2,…}表示小波分解的层数，c_j表示UWB信号经小波分解到j层上得到的低频部分的系数，d_j表示UWB信号经小波分解到j层上得到的高频部分的系数。m∈{0,1,2,…}表示小波分解到j层上的采样点，l∈{0,1,2,…}表示小波分解到j+1层上的采样点。h(n)表示低通滤波器，g(n)表示高通滤波器，其通过选取的小波类型决定。

C.取低频系数构造能量块：每隔一定的区间对低频系数进行积分计算，构造一系列能量块，方法为：

其中，T_f表示UWB信号一个帧的长度，T_b表示积分周期即每个能量块的长度，r(t)表示接收到的UWB信号，t表示信号存在的时间，i∈{1,2,…}表示信号帧的序号，表示从第i个帧起始点开始的能量块的序号，符号表示向下取整，z[n]表示能量块。

D.建立阈值与能量块峭度的映射关系：由低频能量块的峭度来计算阈值，具体方法如下：

1)生成指纹数据：在不同的信噪比下进行多次仿真，分别计算每一次仿真能量块的峭度并进行取整，同时归一化阈值取{0.1,0.2,…,1.0}之间不同值时，计算测距误差。峭度的计算公式如下：

其中，N_b表示能量块的个数，表示能量块的均值，δ表示能量块的标准差。

2)选取最优阈值：当能量块峭度取不同值时，分别计算取不同归一化阈值时测距误差的平均值，取平均误差最小时的归一化阈值作为此峭度下选取的归一化阈值。

3)曲线拟合：根据能量块峭度和归一化阈值的对应关系，利用曲线拟合建立起峭度和归一化阈值的映射关系。

E.测距计算：收到UWB信号后，在进行实际测距时，执行如下步骤：

1)构造信号低频系数能量块：对接收到的UWB信号进行小波变换，取低频系数构造能量块；

2)计算阈值：计算能量块峭度，根据建立的映射关系计算出阈值；

3)计算UWB信号到达时间：将能量块与阈值进行比较，取第一个超过阈值的能量块作为信号到达的时间TOA；

4)计算距离，计算方法如下：

其中，c表示电磁波在空气中的传播速度，表示估计的信号到达时间TOA。

F.定位计算：多个定位基站将上述测距结果通过网络传输到服务器，服务器再根据定位标签与不同定位基站之间的距离差，利用传统的双曲线无线定位算法，实现海上平台工作人员的定位。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.通过UWB信号发送接收、UWB信号小波分解、构造基于低频系数的能量块、建立阈值与能量块峭度的映射关系、测距计算、定位计算六个步骤，可以实现海上作业平台人员的高精度定位。

2.在多径、多金属、有遮挡等环境下，该方法测距精度优于其他常用的方法。

附图说明

图1是本发明方法的主要流程图。

图2是CM1信道接收信号和小波低频系数平均绝对误差随信噪比的变化。

图3是CM2信道接收信号和小波低频系数平均绝对误差随信噪比的变化。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的实施方式。实施例中选用的信道是IEEE 802.15.4a标准的CM1信道和CM2信道，主要实施步骤如图1所示，具体包括：

A.UWB信号发送：安装在作业平台工作人员身上的定位标签发送UWB信号，定位基站接收该信号；UWB信号采用的波形是二阶高斯脉冲、调制方式是PPM-TH-UWB、采样频率是50GHz。

B.UWB信号小波分解：定位基站对接收到的UWB信号进行小波分解，计算方法为：

其中，c₀表示接收到的UWB信号，j∈{0,1}表示小波分解的层数，在本例中对接收到的UWB信号进行两层小波分解，c_j表示UWB信号经小波分解到j层上得到的低频部分的系数，d_j表示UWB信号经小波分解到j层上得到的高频部分的系数。m∈{0,1,2,…}表示小波分解到j层上的采样点，l∈{0,1,2,…}表示小波分解到j+1层上的采样点。h和g分别是由“db6”小波决定的低通和高通滤波器，h和g分别为[-0.0011,0.0048,0.0006,-0.0316,0.0275,0.0975,-0.1298,-0.2263,0.3153,0.7511,0.4946,0.1115],和[-0.1115,0.4946,-0.7511,0.3153,0.2263,-0.1298,-0.0975,0.0275,0.0316,0.0006,-0.0048,-0.0011]。

C.取低频系数构造能量块：每隔一定的区间对低频系数进行积分计算，构造一系列能量块，方法为：

其中，T_f表示UWB信号一个帧的长度，T_b表示积分周期即每个能量块的长度，r(t)表示接收到的UWB信号，t表示信号存在的时间，i∈{1,2,…}表示信号帧的序号，表示从第i个帧起始点开始的能量块的序号，符号表示向下取整，z[n]表示能量块。

D.建立阈值与能量块峭度的映射关系：由低频能量块的峭度来计算阈值，具体方法如下：

1)生成指纹数据：在信噪比分别为{5dB,6dB,…,25dB}时进行多次仿真，分别计算每一次仿真能量块的峭度并进行取整，同时归一化阈值取{0.1,0.2,…,1.0}之间不同值时，计算测距误差。峭度的计算公式如下：

其中，N_b表示能量块的个数，表示能量块的均值，δ表示能量块的标准差。

2)选取最优阈值：当能量块峭度取不同值时，分别计算取不同归一化阈值时测距误差的平均值，取平均误差最小时的归一化阈值作为此峭度下选取的归一化阈值。

3)曲线拟合：将能量块峭度作为横坐标，将最佳归一化阈值作为纵坐标，采用最小二乘法，建立能量块峭度k和最佳归一化阈值ξ的映射关系，如下所示：

CM1信道:ξ＝-3.1079*10^-8k³+2.5191*10^-5k²-7.0462*10^-3*k+0.82585

CM2信道:ξ＝-2.6988*10^-8k³+2.2681*10^-5k²-6.5214*10^-3*k+0.7816

E.测距计算：收到UWB信号后，在进行实际测距时，执行如下步骤：

1)构造能量块：对接收的UWB信号进行小波变换，取低频系数构造能量块；

2)计算阈值：计算能量块峭度，根据建立的映射关系计算出阈值；

3)计算UWB信号到达时间：将能量块与阈值进行比较，取第一个超过阈值的能量块作为信号到达的时间TOA，与传统的能量接收方法的对比分别如图1、图2所示。

4)计算距离，计算方法如下：

其中，c表示电磁波在空气中的传播速度，表示估计的信号到达时间TOA。

F.定位计算：多个定位基站将上述测距结果通过网络传输到服务器，服务器再根据定位标签与不同定位基站之间的距离差，利用传统的双曲线无线定位算法，实现海上平台工作人员的定位。

Claims (1)

1.一种基于小波分解低频系数的海上作业平台人员定位方法其特征在于包括以下步骤：

A.UWB信号发送：安装在作业平台工作人员身上的定位标签发送UWB信号，定位基站接收该信号，如果要实现三维定位则基站数量不能少于4个，如果要实现二维定位则基站数量不能少于3个；

B.UWB信号小波分解：定位基站对接收到的UWB信号进行小波分解，计算方法为：

其中，c₀表示接收到的UWB信号，j∈{0,1,2,…}表示小波分解的层数，c_j表示UWB信号经小波分解到j层上得到的低频部分的系数，d_j表示UWB信号经小波分解到j层上得到的高频部分的系数，m∈{0,1,2,…}表示小波分解到j层上的采样点，l∈{0,1,2,…}表示小波分解到j+1层上的采样点，h(n)表示低通滤波器，g(n)表示高通滤波器，其通过选取的小波类型决定；

C.取低频系数构造能量块：每隔一定的区间对低频系数进行积分计算，构造一系列能量块，方法为：

其中，T_f表示UWB信号一个帧的长度，T_b表示积分周期即每个能量块的长度，r(t)表示接收到的UWB信号，t表示信号存在的时间，i∈{1,2,…}表示信号帧的序号，表示从第i个帧起始点开始的能量块的序号，符号表示向下取整，z[n]表示能量块；

D.建立阈值与能量块峭度的映射关系：由低频能量块的峭度来计算阈值，具体方法如下：

1)生成指纹数据：在不同的信噪比下进行多次仿真，分别计算每一次仿真能量块的峭度并进行取整，同时归一化阈值取{0.1,0.2,…,1.0}之间不同值时，计算测距误差，峭度的计算公式如下：

其中，N_b表示能量块的个数，表示能量块的均值，δ表示能量块的标准差；

2)选取最优阈值：当能量块峭度取不同值时，分别计算取不同归一化阈值时测距误差的平均值，取平均误差最小时的归一化阈值作为此峭度下选取的归一化阈值；

3)曲线拟合：根据能量块峭度和归一化阈值的对应关系，利用曲线拟合建立起峭度和归一化阈值的映射关系；

E.测距计算：收到UWB信号后，在进行实际测距时，执行如下步骤：

1)构造能量块：对接收到的UWB信号进行小波变换，取低频系数构造能量块；

2)计算阈值：计算能量块峭度，根据建立的映射关系计算出阈值；

3)计算UWB信号到达时间：将能量块与阈值进行比较，取第一个超过阈值的能量块作为信号到达的时间TOA；

4)计算距离，计算方法如下：

其中，c表示电磁波在空气中的传播速度，表示估计的信号到达时间TOA；

F.定位计算：多个定位基站将上述测距结果通过网络传输到服务器，服务器再根据定位标签与不同定位基站之间的距离差，利用传统的双曲线无线定位算法，实现海上作业平台工作人员的定位。