CN107315165A - 基于css定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，利用改进的CSS定位技术进行信号往返传播时间的测量，将测量的时间数据转化为距离数据后，再用三边定位算法进行准确定位。解决了易受变电站强电磁辐射干扰引起的定位精度问题和基于时间的定位方案中因时钟同步而引起的成本高、复杂度高、适用性差等问题，并且相比于原来的CSS定位技术，减少了定位时间，提升了定位系统的整体性能，实现了变电站内的人员和物品的定位，加强了变电站值班人员和现场作业人员安全管理与防护，防止发生人员伤害事故、保证电力设备安全运行，为变电站安全提供了强有力的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及变电站场景中的定位方法，具体涉及一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法。
背景技术
我国在智能电网建设方面投入大量人力物力并取得了显著成就。变电站作为电网的基础，也是电网生产运行的高危工作区域，其作业安全管理尤其重要。但是现行的变电站自动化技术支持主要根据电力设备的电气特性的变化和异常来判断电网状态，既不能实现对变电站的全覆盖，也不能实时定位及时预警和报警，往往只能在事故进行中或者发生后为事故原因分析提供数据记录分析。对变电站现场作业人员与设备等的安全隐患一直得不到技术上的保障。因此，采用先进的定位技术实现变电站范围内的人员和物品的高精度定位，对变电站进一步实现高效监督管理有重要意义。
目前，几种主流的定位技术主要有GPS、Wifi技术、射频识别定位技术(RFID)、超宽带(UWB)技术以及Chirp扩频(CSS)技术。由于变电站内部环境复杂，电力设施较多，GPS接收效果就会很差，不宜使用；其次，变电站内部有较强的电磁干扰，使得基于信号强度的定位方法，如Wifi、RFID等定位方法无法保证其定位精度；UWB定位方法虽然精度高，但范围小，成本高。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，抗干扰能力强、成本小、功耗低，能够快速、直观地对变电站内电力设备和巡检人员进行实时跟踪定位，加强变电站值班人员和现场作业人员安全管理与防护，防止发生人员伤害事故、保证电力设备安全运行。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：
1)在变电站中布置若干个参考节点；
2)待测节点广播扫描数据包，并选取与之进行通信的三个参考节点；
3)待测节点与选定的三个参考节点分别进行一对一通信，并分别计算待测节点与三个参考节点的通信时间，得到时间数据；
4)根据时间数据分别计算待测节点与三个参考节点的测量距离，然后根据测量距离利用三边定位法得到待测节点的定位坐标。
所述步骤1)中参考节点的布置保证每个待测节点与至少三个参考节点进行通信。
所述步骤2)中选取与待测节点进行通信的三个参考节点的过程为：待测节点周期性广播扫描数据包SCAN，参考节点收到扫描数据包SCAN后以ACK数据包进行响应，待测节点选取最先收到的三个ACK数据包对应的参考节点作为之通信的参考节点。
所述步骤3)中待测节点与参考节点的通信过程为：首先待测节点发送请求数据包REQ，同时启动待测节点的时钟进行计时，并设置等待时间；然后当参考节点收到REQ数据包时，启动参考节点的时钟进行计时，并在待测节点等待时间内发送n个ACK+REQ数据包，直至待测节点设置的等待时间结束；最后待测节点发送ACK包作为对参考节点的响应。
所述步骤3)中根据以下公式计算通信时间：
其中，A为待测节点，B为参考节点，n为在待测节点A的等待时间内参考节点B发送的ACK+REQ数据包数目，k表示待测节点A正确接收的ACK+REQ数据包的数目，为待测节点A接收参考节点B的响应后得到的往返时间差，为待测节点A接收参考节点B的ACK+REQ数据包后再发送ACK应答数据包的延迟时间，为当参考节点B接收到待测节点A的ACK数据包后得到的往返时间差，为当参考节点B接收待测节点A的REQ数据包后发送ACK+REQ的延迟时间，和为预设已知值，通信过程中丢包时，和数据缺失，计算时忽略和
所述步骤4)中三边定位法包括：以三个参考节点为圆心，以待测节点与对应参考节点的测量距离为半径画圆，若三个圆同时相交，则三个圆的交点即为待测节点的定位坐标；若三个圆互不相交，则重新选择参考节点重复步骤1)～4)进行直至得到待测节点的定位坐标；若三个圆两两相交，则取连接交点形成的三角形的质心为待测节点的定位坐标。
与现有技术相比，本发明由Chirp扩频信号实现数据通信的基础上，使用改进的双边双向测距算法SDS-TWR-MA测量各个节点之间的距离，并利用测量的距离数据，通过三边定位法对待测节点进行定位；本发明利用Chirp扩频技术进行定位，采用的CSS定位技术具有抗干扰性强、抗多径能力强、定位精度高、系统复杂性低等优点，非常适合用于变电站定位。解决了传统的基于信号强度定位系统中，因为电磁辐射、多径效应等环境因素引起的定位精度问题和适用性较差等问题。相比于传统的Wifi指纹定位系统事先要采集大量的样本，并且定位精度取决于样本密度与场景复杂程度，本发明的方案简单可行，便于推广，本发明在保证定位精度的同时，能够大大缩短定位时间，拥有更短的定位时间，这将会降低系统中通信发生冲突的概率，从而节省了通信数据包的重传时间，对扩大整个系统的容量具有参考价值；定位时间的减少将节省无线传感网络中节点电池的电量，使节点的使用寿命延长。
进一步，本发明改进了现有的CSS定位技术中的对称双边双向测距算法，参考节点通过对待测节点的REQ请求数据包进行多次ACK+REQ响应，来降低多次重复通信过程中的数据包数量，从而缩短了测量时间，进一步降低了通信过程中发生冲突的概率，同时可延长节点使用寿命和增加系统容量。
进一步，本发明采取异步计时方法，待测节点与参考节点利用自身的时钟计时，通过测量TOF(Time of Flight)来计算距离，即测量各节点间信号传播的往返时间(TOF)来推导节点之间的距离来实施定位，并改进了测量算法，使用SDS-TWR-MA算法进行测量，解决了传统的基于到达时间(TOA)、到达时间差(DTOA)定位系统中，因为同步时钟而引起的复杂电路设计、制造高精度晶振等引发的高成本、不易推广等诸多问题，而不用像测量TOA(Timeof Arrival)需进行全局时钟同步，降低了成本与通信节点的复杂度，利于推广。并且相比于CSS定位技术中常用的对称双边双向测量算法，在保持测量精度一致的情况下拥有更短的测量时间。
附图说明
图1是本发明的定位过程图；
图2是本发明的测距过程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：在变电站中布置参考节点：一个待测节点需要与至少三个参考节点进行测距才能进行定位，参考节点的布置是要确保待测节点能够与至少三个参考节点进行通信；
步骤2：扫描选取定位阶段所需要的参考节点：当待测节点进入所研究的区域时，其会周期性广播一个扫描数据包SCAN，参考节点接收到扫描数据包SCAN后，将发送一个应答数据包ACK，应答数据包中包括参考节点的节点信息，当待测节点接收到应答数据包后，则停止广播，并从记录的应答数据包中选取最先到达的三个数据包对应的参考节点作为后续定位阶段与之通信的对象；
步骤3：实施测距算法并进行定位：待测节点和已选择的三个参考节点按照顺序进行通信，测出其与每一个参考节点之间通信的时间，进一步，当待测节点与参考节点进行一对一通信时，其交换的数据包如图2所示，待测节点A发送一个请求数据包REQ，同时启动自己的时钟进行计时，并设置一段等待时间，当参考节点B受到REQ数据包时，启动自己的时钟进行计时，并在待测节点A等待的时间段内发送多个ACK+REQ数据包，直至节点A设置的等待时间结束，节点A发送ACK包作为对节点B的响应；
步骤4：参考节点B将其记录的时间数据发送给待测节点A，由待测节点A将两者的数据上传至服务器，在服务器中处理数据并按照定位算法进行定位，在服务器中，根据测量的时间数据，计算数据从待测节点A到参考节点B所需的时间tp：
其中，n为在待测节点A的等待时间内参考节点B发送的ACK+REQ数据包数目，k表示待测节点A正确接收的ACK+REQ数据包的数目，为待测节点A接收参考节点B的响应后得到的往返时间差，为待测节点A接收参考节点B的ACK+REQ数据包后再发送ACK应答数据包的延迟时间，为当参考节点B接收到待测节点A的ACK数据包后得到的往返时间差，为当参考节点B接收待测节点A的REQ数据包后发送ACK+REQ的延迟时间，和为预设已知值，通信过程中丢包时，和数据缺失，计算时忽略和
首先根据公式S＝ctp计算出每个参考节点到待测节点之间的距离S，c为电磁波在大气中的传播速度，然后以参考节点为圆心，测量距离为半径画圆，若三个圆同时相交，则三个圆的交点便是待测节点的定位坐标；若三个圆互不相交，则将这次测量结果视为无效数据，进行再一次测量；若三个圆两两相交，则取连接交点形成的三角形的质心为待测节点的定位坐标。
参见图1，待测节点A与三个参考节点B1、B2、B3进行通信来完成测量过程。首先待测节点广播扫描数据包确定与之通信的三个参考节点，然后按照顺序与三个节点进行一对一通信，A节点的每一个请求数据包都会有B节点的n个数据包进行响应。通信细节及计时规则如图2所示。
参见图2，首先待测节点A广播SCAN扫描包，参考节点接收后以ACK作为响应，最终A选择参考节点B与之通信。待测节点A发送一个请求数据包REQ，同时启动自己的时钟进行计时，并设置一段等待时间，当参考节点B收到REQ数据包时，启动自己的时钟进行计时，并在待测节点A等待的时间段内发送多个ACK+REQ数据包，直至节点A设置的等待时间结束，节点A发送ACK包作为对节点B的响应。计时规则如下：节点A发送REQ数据包并开始计时，当节点B接收节点A的REQ数据包时，启动自己的计时器，并在延迟一小段时间treplyB1后发送ACK+REQ；当节点A接收节点B的第一个响应后，记录时间就可以得到一个往返时间差troundA1；这样从节点A到节点B的时间为为了减小时钟频偏对测量精度的影响，故将B节点的响应过程重复数次，于是就有troundA2,…,troundAn和treplyB2,…,treplyBn。节点A接收节点B的ACK+REQ数据包后，同样也延迟一小段时间treplyAn后再发送ACK应答数据包，而当节点B接收到节点A的ACK数据包后也得到往返时间差troundBn。在整个通信过程中，考虑到较坏的情况下会有数据包丢失，但这并不影响计时。当节点A发送的REQ数据包丢失时，节点B就不会发送数据包，后续通信过程也不会进行，在节点A的等待时间结束后，系统会检测到整个过程发生了故障，因此会重新开始，但这种情况发生的可能极低，因为在扫描阶段就已经确保了这个过程能够正常进行，除非是硬件设施故障；节点B发送的数据包可能丢失，这不影响计时，因为当节点B的数据包丢失后，节点A接收不到数据包也就不会记录时间，即使节点B有计时数据，在最后计算时会因为没有对应的节点A的数据而将其忽略掉。例图2中，当节点B第一次发送的ACK+REQ包丢失时，虽然节点B有计时数据treplyB1，但节点A并没有troundA1和treplyA1，在后续计算时会将treplyB1和troundB1忽略。当节点B的第二个ACK+REQ到达节点A时，节点A计时，后续情况类似。最后节点B将其记录的时间数据发送给节点A，由节点A将两者的数据上传至服务器。
本发明由Chirp扩频信号实现数据通信的基础上，使用改进的双边双向测距算法SDS-TWR-MA测量各个节点之间的距离，并利用测量的距离数据，通过三边定位算法对目标节点进行定位。Chirp扩频信号主要被用来通信，包括待测节点选取与之在测量定位阶段进行通信的参考节点，在测量时待测节点与参考节点进行数据包交换以及后续的将测量数据上传至服务器。在测量阶段，利用改进的对称双边双向测距算法——SDS-TWR-MA测距算法进行测量。传统的对称双边双向测距算法是待测节点发送REQ包给参考节点，参考节点收到后将发送ACK+REQ作为应答同时也作为请求，待测节点收到后发送ACK作为应答，这可以看做一次完整的测量过程，若中间出现差错，如数据包丢失，则整个过程视为失败。在实际应用中，为了避免差错和追求更高的定位精度，通常将该过程重复进行多次。而本技术方案中采用的SDS-TWR-MA测量算法中，待测节点发送一个REQ数据包后，在一定时间内可收到多个来自参考节点的ACK+REQ数据包，最后待测节点发送ACK作为应答，这个过程中若出现丢包问题，则计时规则不会被打乱。在定位阶段，服务器中处理时间数据并计算出测量距离，在利用三边定位算法进行定位。
本发明采取异步计时方法，待测节点与参考节点利用自身的时钟计时，通过测量TOF(Timeof Flight)来计算距离，而不用像测量TOA(Time of Arrival)需进行全局时钟同步，降低了成本与通信节点的复杂度，利于推广；本发明中改进了现有的CSS定位技术中的对称双边双向测距算法。参考节点通过对待测节点的REQ请求数据包进行多次ACK+REQ响应，来降低多次重复通信过程中的数据包数量，从而缩短了测量时间，进一步降低了通信过程中发生冲突的概率，同时可延长节点使用寿命和增加系统容量。
本发明利用Chirp扩频技术进行定位，CSS具有抗干扰能力强、抗多径效应能力强，适合应用在变电站这样的复杂环境中，具有很强的通用性，应用前景广泛。相比于传统的Wifi指纹定位系统事先要采集大量的样本，并且定位精度取决于样本密度与场景复杂程度，本发明的方案简单可行，便于推广。传统的Wifi定位是基于信号强度的，在变电站这种复杂的场景中其可用性大打折扣，其次基于Wifi的定位系统定位时间较长，通常一个节点进行一次信号评估大约要200～300ms，而本发明所采用的方案进行一次评估所需时间小于100ms。相比于常用的CSS定位技术中的对称双边双向测距算法，本发明中采用的SDS-TWR-MA算法所需时间更短。SDS-TWR和SDS-TWR-MA实施1次测量时，两者都用了3个数据包，但当重复多次时，差距就会出现，如下表所示：
| n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| SDS-TWR | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
| SDS-TWR-MA | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
明显可以看到，当重复次数较多时，SDS-TWR-MA方法所用的数据较少，这可以反映出其用于定位的时间的长短。可以看出，本发明中所采用的方案在保证定位精度的同时，可以大大缩短定位时间。
本发明解决了基于信号强度的定位方案中易受变电站强电磁辐射干扰引起的定位精度问题和基于时间的定位方案中因时钟同步而引起的成本高、复杂度高、适用性差等问题，并且减少了定位时间，提升了定位系统的整体性能。实现了变电站内的人员和物品的定位，加强了变电站值班人员和现场作业人员安全管理与防护，防止发生人员伤害事故、保证电力设备安全运行，为变电站安全提供了强有力的技术支持。
Claims (6)
1.一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在变电站中布置若干个参考节点；
2)待测节点广播扫描数据包，并选取与之进行通信的三个参考节点；
3)待测节点与选定的三个参考节点分别进行一对一通信，并分别计算待测节点与三个参考节点的通信时间，得到时间数据；
4)根据时间数据分别计算待测节点与三个参考节点的测量距离，然后根据测量距离利用三边定位法得到待测节点的定位坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，其特征在于，所述步骤1)中参考节点的布置保证每个待测节点与至少三个参考节点进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，其特征在于，所述步骤2)中选取与待测节点进行通信的三个参考节点的过程为：待测节点周期性广播扫描数据包SCAN，参考节点收到扫描数据包SCAN后以ACK数据包进行响应，待测节点选取最先收到的三个ACK数据包对应的参考节点作为之通信的参考节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，其特征在于，所述步骤3)中待测节点与参考节点的通信过程为：首先待测节点发送请求数据包REQ，同时启动待测节点的时钟进行计时，并设置等待时间；然后当参考节点收到REQ数据包时，启动参考节点的时钟进行计时，并在待测节点等待时间内发送n个ACK+REQ数据包，直至待测节点设置的等待时间结束；最后待测节点发送ACK包作为对参考节点的响应。
5.根据权利要求4所述的一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，其特征在于，所述步骤3)中根据以下公式计算通信时间：
<mrow>
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<mi>k</mi>
<mo>&le;</mo>
<mi>n</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，A为待测节点，B为参考节点，n为在待测节点A的等待时间内参考节点B发送的ACK+REQ数据包数目，k表示待测节点A正确接收的ACK+REQ数据包的数目，为待测节点A接收参考节点B的响应后得到的往返时间差，为待测节点A接收参考节点B的ACK+REQ数据包后再发送ACK应答数据包的延迟时间，为当参考节点B接收到待测节点A的ACK数据包后得到的往返时间差，为当参考节点B接收待测节点A的REQ数据包后发送ACK+REQ的延迟时间，和为预设已知值，通信过程中丢包时，和数据缺失，计算时忽略和
6.根据权利要求1所述的一种基于CSS定位的变电站内电力设备和巡检人员的定位方法，其特征在于，所述步骤4)中三边定位法包括：以三个参考节点为圆心，以待测节点与对应参考节点的测量距离为半径画圆，若三个圆同时相交，则三个圆的交点即为待测节点的定位坐标；若三个圆互不相交，则重新选择参考节点重复步骤1)～4)进行直至得到待测节点的定位坐标；若三个圆两两相交，则取连接交点形成的三角形的质心为待测节点的定位坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171103 |