CN107941213A - 一种具有导航功能的保密箱及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有导航功能的保密箱及其定位方法，包括箱体、手环和安全保护装置，安全保护装置嵌入箱体内，手环设有温度检测模块，手环与安全保护装置无线连接；所述安全保护装置包括微处理器、箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块。一旦人体的温度低于设定值或保密箱发生异常或无线电波发生中断，系统将向监控中心报警，并且人体与保密箱也会同时报警，能实时监控人体、保密箱以及人体与保密箱的状态。采用组合定位技术，提高单点定位精度，能实时定位跟踪保密箱的位置信息、姿态信息、速度信息，对保密箱的运行路线进行实时监控和记录。

Description

一种具有导航功能的保密箱及其定位方法

技术领域

本发明涉及箱包安全技术领域，具体涉及一种具有导航功能的保密箱及其定位方法。

背景技术

目前，箱包锁大多采用拨码方式或机械结构，也有部分箱包采用了电子密码识别的方式。由于自身功能的单一以及低保密性，己经不能很好的满足社会和市场的需求。

目前的两种传统的箱包方式，都存在较大的缺陷：对于拨码方式，由于其采用了机械结构，使用相应的机械手段就可以打开，不具备良好的安全性能；对于简易的电子密码方式，其采用的是几个单一的数字组合形成的密码，容易破解；同时，拨码方式和电子密码方式都不能进行远程监控和实时定位，也不能进行远程报警。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有导航功能的保密箱及其定位方法，用以解决现有保密箱保密性功能单一、安全性差的问题，本发明的保密箱集实时定位，远程监控和自动报警等功能于一体。

为实现上述目的，具体地，该具有导航功能的保密箱包括箱体、手环和安全保护装置，安全保护装置嵌入箱体内，手环设有温度检测模块，手环与安全保护装置无线连接；

所述安全保护装置包括微处理器、箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块，箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块均与微处理器连接，并接受和执行微处理器指令。

所述箱体内还设有自毁机构，自毁机构与微处理器连接。

所述微处理器为MCU。

所述安全保护装置还包括芯片加密模块，芯片加密模块与微处理器连接。

所述组合定位模块包括包括卫星定位模块和惯性测量单元。

所述卫星定位模块为GPS/BD兼容模块。

所述惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压高度计。

所述惯性测量单元优选三轴正交加速度计、三轴正交陀螺仪、三轴正交磁力计和气压高度计

所述手环上设有手环报警器。

所述箱体上设有连接微处理器的摄像头。

保密箱的定位方法，所述组合定位模块包括卫星定位模块和惯性测量单元；

所述定位方法包括以下步骤：

S1、采用基于模糊推理系统的带宽自适应的载波相位跟踪回路，当卫星信号信噪比降低时缩小载波相位跟踪回路带宽，提高接收机的抗噪声干扰能力；

S2、采用基于模糊推理系统的量测噪声模型自适应的卡尔曼滤波组合导航算法，描述量测噪声变化，实时调整量测噪声方差阵，提高组合导航算法抗噪声干扰能力。

所述的步骤S1具体步骤如下：

S101、根据经下变频和数模转换后的GPS数字信号计算信噪比C/N0，公式如下：

其中：

上两式中A是GPS信号幅度，M_E是积分计数值，δ_iq为信号噪声标准差，T_Int为积分时间。

S102、建立模糊控制系统，以C/N0为输入，以GPS跟踪回路带宽为输出，采用如下模糊推理规则：

(1)如果信噪比低于30dB，则锁相环带宽窄；

(2)如果信噪比为30～40dB，则锁相环带宽适中；

(3)如果信噪比高于40dB，则锁相环带宽宽；

将模糊控制系统当前输出作为下一次载波相位跟踪回路带宽值，实现载波回路带宽的自适应调整，提高GPS或北斗导航系统噪声抗干扰能力。

所述的步骤S2具体步骤如下：

S201、计算尔曼滤波器的新息，如式(4)

其中，z_k为实际量测量，H_k为量测矩阵，为系统状态的一次估计。

S202、计算新息理论方差，可以由式(5)计算：

其中F_k/k-1为系统状态转移矩阵，P_k-1为估计状态方差阵，Q_k-1为系统噪声阵，R_k-1为量测噪声阵。

S203、计算新息的实际方差，其可由最近N个新息向量计算得到，用式(6)表示：

S204、计算新息实际方差与理论方差的比值。由于和都被设置为对角阵，因此比值也为对角阵：

S205、设计模糊推理系统，以新息实际方差与理论方差的比值作为模糊推理系统的输入，以量测噪声模型的修正系数作为模糊推理系统的输出，模糊推理规则有以下三条：

(1)如果新息实际方差与理论方差的比值变低，则量测噪声模型的修正系数变小；

(2)如果新息实际方差与理论方差的比值不变(为1)，则量测噪声模型的修正系数不变(为1)；

(3)如果新息实际方差与理论方差的比值变高，则量测噪声模型的修正系数变大。

基于模糊推理系统的自适应卡尔曼滤波算法可以保证组合导航系统在量测噪声变化较大的情况下量测噪声模型仍是准确的，系统状态估计值仍是最优的。

本发明具有如下优点：

1、手环通过无线电与保密箱内的安全保护装置连接，一旦人体的温度低于设定值或保密箱发生异常或无线电波发生中断，系统将向监控中心报警，并且人体与保密箱也会同时报警，能实时监控人体、保密箱以及人体与保密箱的状态。

2、采用组合定位技术，提高单点定位精度，能实时定位跟踪保密箱的位置信息、姿态信息、速度信息，对保密箱的运行路线进行实时监控和记录。

3、通过设置芯片加密模块内置加密芯片，所有数据须经加密后进行传输，使得传输的数据更加安全稳定可靠。

4、一旦保密箱发生异常，监控中心或微处理器将启动自毁机构，防止秘密的泄露，造成不可挽回的损失。

5、本发明不仅对卫星信号接收机带宽进行实时调整，同时对组合导航算法中的量测噪声模型也进行自适应修正，使得组合导航系统在子系统层面以及组合算法层面的抗噪声干扰能力都得到增强。明显提升了组合导航系统抗噪声干扰能力，在卫星信号信噪比较低以及噪声变化较大的情况下组合导航系统的精度明显提升。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中安全保护装置的示意图。

图3为自毁机构的结构示意图。

图4为保密箱定位方法的示意图。

图5为接收机噪比与带宽关系。

图6为传统方法与新型方法噪声模型对比结果。

图7为传统方法与新型方法导航精度对比结果。

图8为本发明实施例2中安全保护装置的示意图。

图9为实施例2中箱体的结构示意图。

图中：1-箱体2-安全保护装置3-拉杆4-箱体报警器5-手环6-手环报警器7-隔板8-自毁溶液存储腔9-拉绳10-摄像头。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参见图1，该具有导航功能的保密箱包括箱体1、手环5和安全保护装置2，安全保护装置2嵌入箱体1内，箱体1上设有拉杆3，箱体1上设有箱体报警器4，手环5上设有手环报警器6，手环5设有温度检测模块，手环5与安全保护装置2无线连接。一旦人体的温度低于设定值或保密箱发生异常或无线电波发生中断，系统将向监控中心报警，并且手环5与保密箱也会同时报警，能实时监控人体、保密箱以及人体与保密箱的状态。

参见图2，安全保护装置2包括MCU(单片机)、箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块，箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块均与MCU连接，接收并执行MCU指令。

通信及无线传输模块可以但不限制于是2G、3G、4G等数字网络，也可以是基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)，对于保密性要求较高的单位或部门，可以采用专用网进行连接。为了使传输数据更加安全稳定可靠，数据首先经过芯片加密模块进行加密，再通过专用网将定位数据等信息发给后台管理系统。箱体报警器4与MCU连接。数据存储模块中存储有安全保密箱管理者的信息，利用I/O模块将信息输入数据存储模块中。

进一步地，组合定位模块包括卫星定位模块和惯性测量单元，卫星定位模块可以包括但不限于BD(北斗)定位模块或GPS定位模块，或Galileo卫星定位模块或GLONASS卫星定位模块。我们优选为GPS/BD兼容模块。惯性测量单元可以包括但不限于三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压高度计，我们优选为三轴正交加速度计、三轴正交陀螺仪、三轴正交磁力计和气压高度计。

惯性测量单元中通过设置三轴正交加速度计和三轴正交陀螺仪，能够计算得出载体的俯仰角、横滚角。三轴磁力计的数据通过俯仰、横滚处理可以得出水平方向上的分量，通过各轴的水平分量可以得出航向角，通过三轴磁力计的数据能够得到载体三个方向的磁强度，再结合计算出的载体的俯仰角、横滚角，能够得到当地水平坐标系下的水平磁场强度，据此可以计算得到航向角。

软件上采用数据融合算法，采用扩展卡尔曼滤波技术，对惯性测量单元数据和卫星定位模块的数据进行融合，提高单点卫星定位精度。数据融合算法中包括姿态解析程序、速度解算程序、位置解算程序和传感器融合定位算法程序。

姿态解析程序能够根据三轴正交加速度计、三轴正交陀螺仪、三轴正交磁力计的数据得出保密箱的当前俯仰角、横滚角、航向角，实现准确定位，并且监控保密箱的姿态，如果保密箱出现翻滚等非正常姿态，则进行报警。

参见图3，箱体1内还设有自毁机构，自毁机构与MCU连接。一旦保密箱发生异常，监控中心或者MCU将启动自毁机构，防止秘密的泄露，以防止造成不可挽回的损失。自毁机构包括隔板7和拉绳9，隔板7设置在箱体1内部上侧，与箱体1内壁形成一个自毁溶液存储腔8，在自毁溶液存储腔8内装填有腐蚀性液体或者是墨水，拉绳9的一端与隔板7固定连接，另一端连接有带动其移动的电机，在需要自毁时，电机拖动拉绳9将隔板7撕裂，腐蚀性液体或者墨水散入箱体1内的文件上，从而防止机密信息被盗取。

本发明的工作过程如下：

首先对安全保护装置2进行初始化和自检，若出现异常，则会报警，保密箱报废；若正常，则会提示运行正常信号，保密箱可以使用。

其次检测系统是否完好，人体佩带系统配备的具有温度检测功能的手环5，监控中心注册人体的最初基本信息和箱体1的最初位置信息，具有温度检测功能的手环5通过短距无线通信连接，若全部正常，则进入工作状态。

定位：通过设置安全保护装置2，能实时将保密箱的位置信息、姿态信息、速度信息、人体与保密箱的状态信息(人体与保密箱是否分离)实时上报监控中心，达到对保密箱的实时监控。

参见图4，本发明的保密箱的定位方法具体包括以下步骤：

S1、对卫星信号接收机带宽自适应调整，是通过以卫星信号的信噪比(即C/N0)为输入的模糊推理系统实现的。若信噪比降低，说明噪声变大，卫星接收机的锁相环带宽应降低以获得更好的滤波效果，即更强的抗噪声干扰能力；若信噪比升高，说明噪声变小，为获得更好的动态性能，卫星接收机的锁相环带宽应相应提高。由于信噪比和带宽之间没有明确的数学关系，且不同噪声、不同动态条件下锁相环带宽没有唯一最优值，因此从简化调整原则、提高鲁棒性角度出发，适于采用模糊推理系统对接收机锁相环带宽进行调整。具体步骤如下：

S101、根据经下变频和数模转换后的GPS数字信号计算信噪比C/N0，公式如下：

其中：

上两式中A是GPS信号幅度，M_E是积分计数值，δ_iq为信号噪声标准差，T_Int为积分时间。

S102、建立模糊控制系统，以C/N0为输入，以GPS跟踪回路带宽为输出，采用如下模糊推理规则：

(1)如果信噪比小于30dB，则锁相环带宽窄；

(2)如果信噪比为30～40dB，则锁相环带宽适中；

(3)如果信噪比高于40dB，则锁相环带宽宽；

将模糊控制系统当前输出作为下一次载波相位跟踪回路带宽值，实现载波回路带宽的自适应调整，提高GPS或北斗导航系统噪声抗干扰能力。

模糊推理系统的输入C/N0是根据接收机“积分-清零”过程产生的跟踪结果(同相信号和正交信号)，采用“方差求和算法(VSM)”计算得到的。

S2、在接收机带宽自适应调整的基础上，本发明还采用了自适应卡尔曼滤波技术对组合导航系统的量测噪声模型进行实时调整，此方法也是通过模糊推理系统实现的。量测噪声模型调整的基本原则是使得卡尔曼滤波器的理论新息方差与实际新息方差一致。具体步骤如下：

S201、计算尔曼滤波器的新息，新息是指卡尔曼滤波器中预测量测量和实际量测量的区别，如式(4)

其中，z_k为实际量测量，H_k为量测矩阵，为系统状态的一次估计。

S202、新息表明卡尔曼滤波算法状态：如果系统状态建模和量测矩阵正确，并且系统噪声和量测噪声模型准确，卡尔曼滤波正常，则新息应该是零均值的白噪声，计算新息理论方差，可以由式(5)计算：

其中F_k/k-1为系统状态转移矩阵，P_k-1为估计状态方差阵，Q_k-1为系统噪声阵，R_k-1为量测噪声阵。

S203、计算新息的实际方差，其可由最近N个新息向量计算得到，用式(6)表示：

S204、计算新息实际方差与理论方差的比值。由于和都被设置为对角阵，因此比值也为对角阵：

S205、设计模糊推理系统，以新息实际方差与理论方差的比值作为模糊推理系统的输入，以量测噪声模型的修正系数作为模糊推理系统的输出，模糊推理规则有以下三条：

(1)如果新息实际方差与理论方差的比值变低，则量测噪声模型的修正系数变小；

(2)如果新息实际方差与理论方差的比值不变(为1)，则量测噪声模型的修正系数不变(为1)；

(3)如果新息实际方差与理论方差的比值变高，则量测噪声模型的修正系数变大。

如果卡尔曼滤波器工作正常，那么新息和实际方差和理论方差应该是一致的。若理论方差与实际方差发生偏差，则说明理论方差计算有误，其原因可能是系统模型错误或噪声模型不准确。

一般而言，F_k/k-1、P_k-1和Q_k-1都容易获得或测量的且准确度较高，而量测噪声阵R_k-1则是随量测噪声变化而变化的，在不同情况下可能变化较剧烈。对卫星和惯性组合导航系统来说，量测量可以是所有可见卫星的伪距和伪距率，其中伪距率由锁相环获得，若卫星信号噪声变化较大，伪距率噪声也会发生变化，此时就要修正量测噪声阵R_k-1。

伪距率噪声发生变化时，新息的实际方差会相应变化，这样就可以根据理论方差与实际方差的区别修正量测噪声模型R_k-1，从而实现自适应卡尔曼滤波算法，即实时在线修正量测噪声模型。

基于模糊推理系统的自适应卡尔曼滤波算法可以保证组合导航系统在量测噪声变化较大的情况下量测噪声模型仍是准确的，系统状态估计值仍是最优的。

参见图5，为验证方案有效性，在第20秒时人为加入噪声，使得信噪比从45dB-Hz变为25dB-Hz，第30s时又缓慢回升，直至45dB-Hz。从图1可以看出，信噪比降低时锁相环带宽迅速减小，从而增强了接收机噪声抗干扰能力。

参见图6，上图为量测噪声标准差对比，下图为理论新息方差与实际新息方差比值的对比结果。从图中可以看出，本发明提出的系统方案可以对量测噪声模型进行在线调整，使得理论新息方差与实际新息方差比值一直为1(即0dB)，而传统系统则无法调整量测噪声模型，在噪声发生变化时新息方差与实际新息方差比值变化可达20dB。

参见图7，从图中可以明显看出，在卫星信号信噪比较低和噪声变化明显时(20s-35s)，新型导航系统导航精度明显优于传统组合导航系统。

本发明通过模糊自适应锁相环带宽与模糊自适应卡尔曼滤波算法相结合，使得组合导航系统抗噪声能力明显增强，在卫星信号信噪比较低和噪声变化较大的情况下仍能保持较高精度的导航输出，对比结果图可见说明书附图5～7。

实施例2

参见图8～9，本实施例中的安全保护装置2还包括一摄像头10，所述摄像头10与MCU连接，当保密箱开始启动自检程序时，摄像头10进行实时拍摄，并将拍摄信息通过通信及无线传输模块上传至监控中心。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述保密箱包括箱体、手环和安全保护装置，安全保护装置嵌入箱体内，手环设有温度检测模块，手环与安全保护装置无线连接；

所述安全保护装置包括微处理器、箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块，箱体报警器、电源模块、I/O模块、数据存储模块、自毁机构、芯片加密模块、组合定位模块和通信及无线传输模块均与微处理器连接，并接受和执行微处理器指令。

2.根据权利要求1所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述箱体内还设有自毁机构，自毁机构与微处理器连接。

3.根据权利要求1或2所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述微处理器为MCU。

4.根据权利要求1所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述安全保护装置还包括芯片加密模块，芯片加密模块与微处理器连接。

5.根据权利要求1所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述组合定位模块包括卫星定位模块和惯性测量单元。

6.根据权利要求5所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述卫星定位模块为GPS/BD兼容模块。

7.根据权利要求5所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压高度计。

8.根据权利要求1所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述手环上设有手环报警器。

9.根据权利要求1所述的具有导航功能的保密箱，其特征在于：所述箱体上设有连接微处理器的摄像头。

10.权利要求1所述的保密箱的定位方法，其特征在于：所述组合定位模块包括卫星定位模块和惯性测量单元；

所述定位方法包括以下步骤：

S1、采用基于模糊推理系统的带宽自适应的载波相位跟踪回路，当卫星信号信噪比降低时缩小载波相位跟踪回路带宽，提高接收机的抗噪声干扰能力；

S2、采用基于模糊推理系统的量测噪声模型自适应的卡尔曼滤波组合导航算法，描述量测噪声变化，实时调整量测噪声方差阵，提高组合导航算法抗噪声干扰能力。