CN110045325A - 一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法和系统，首先通过定位模块进行RSS和TOA测距并划定定位服务区域，接着定位模块采集定位数据，并经传输模块传输至定位服务器，定位服务器对定位数据进行随机NLOS时延误差的抑制，采用速度阈值函数多距离测量值进行速度阈值处理，获得距离测量值的对应权值，最后对其进行数据重构，并计算出目标物体的的位置并存储，以及传输至管理子系统。本发明解决了现有矿井人员定位系统和方法受巷道NLOS时延误差影响而定位精确不足的问题，且定位过程简单有效，抗电磁干扰能力强，可有效防止由于矿井的不同巷道环境的电磁波传输特性的不同所引起的定位误差。

Description

一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法和系统
技术领域
本发明涉及一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法和系统，具体地说，主要涉及NLOS误差抑制、矿井通信和人员精确定位技术。
背景技术
国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》(安监总煤装[2010]146号)要求建设完善煤矿井下人员定位系统。为发挥井下人员定位系统在定员管理和应急救援工作中的作用，要求“应优先选择技术先进、性能稳定、定位精度高的产品，确保准确掌握井下人员动态分布情况和采掘工作面人员数量”。
目前，基于信号到达强度测距的RSS(Received Signal Strength)和基于信号到达时间测距的TOA(Time of Arrival)方法已经成为矿井人员精确定位技术的研究热点和发展方向。然而煤矿井下环境空间狭小、距离短、有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、巷道表面粗糙等，传输损耗大，会引起电磁波信号的传输过程中的不固定、不可预知的损耗，在人员定位基站与人员定位卡距离较远时，会出现很大的测距误差。
由于煤矿井下特殊环境导致的无线电磁波传输损耗大，基于接收场强的RSS技术在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，在有机车经过或者其他偶然出现时，机车等物体会造成识别系统信号传播的较大损耗，会造成较大的识别误差；在监测站覆盖的远端，甚至会出现漏检的状况。基于信号到达时间的TOA技术在进行人员定位时，受计时器精度的影响，在人员定位识别卡与人员定位读卡器距离较近时，由于信号在该距离上的传播时间小于计时器的时间分辨率，会出现无法实现TOA检测的情况。
根据煤矿井下巷道的实际环境，需要针对巷道内RSS方法和TOA方法各自的特点，结合无线信号的传播特性、误差产生的原理，建立合适的系统和定位方法，实现煤矿井下人员精确定位。本发明提供了一种抑制NLOS时延误差的矿井移动目标定位方法和系统，将RSS方法和TOA方法相结合，采集定位基站和定位卡的测距数据信息，采用测距区间方法实现对随机NLOS误差信号的抑制，采用速度阈值函数方法实现对固定误差信号抑制，并通过几何定位方法实现煤矿井下人员和车辆的精确定位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有矿井非视距误差抑制技术中存在的问题，并提供一种更适合井下巷道环境的精准定位方法，可有效避免非视距信号在不同巷道环境信号衰减特性不一致问题，以及克服传统的非视距信号分布模型导致定位误差过大的缺陷。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于：在矿井巷道中依次安装定位基站，在待定位目标上安装目标定位卡，定位基站完成对巷道中测距区间的测量，定位服务器根据所述测距区间进行定位服务区域划分；每间隔一定时间，目标定位卡向所在的定位服务区域内的两个最近邻定位基站进行通信，定位基站通过测量信号到达时间和接收信号强度，对目标定位卡的定位数据进行采集，由定位服务器计算所述定位数据的距离测量值，并鉴别其中的干扰测量值；定位服务器通过计算目标定位卡移动速率，并根据构造的速度阈值函数对所述目标定位卡移动速率进行速度阈值处理，获得目标定位卡移动速率所对应的权值；所述权值依次与鉴别干扰测量值后得到的距离测量值相乘，获得权值优化后的距离精确测量值，通过所述距离精确测量值与定位基站之间的几何关系，实现矿井移动目标定位。
进一步地，所述测距区间包括R-测距区间和T-测距区间，测量过程包括以下步骤：
步骤A1：在矿井巷道的同一侧同一高度上沿着一定的方向布设定位基站，对每一个定位基站依次进行编号和记录位置坐标，在待定位目标上安装含有身份识别信息的定位卡；
步骤A2：定位基站i向距离其最近的两个定位基站i-1和定位基站i+1发送测距信号，同时记录测距信号的发射功率值Wi，计时器开始记录时间Ti,i-1和Ti,i+1，所述测距信号中包含定位基站i的地址信息，Wi的单位为mW，i表示巷道中第i个定位基站，i＝1，2，3，…，n；
步骤A3：所述定位基站i-1接收到所述测距信号，获取到达功率值Wi,i-1，延时Ti-1后，向定位基站i回复信号Si-1,i，所述信号Si-1,i包含所述到达功率值Wi,i-1和响应时延Ti-1；所述定位基站i+1接收到测距信号，获取到达功率值Wi,i+1，延时Ti+1后，向定位基站i回复信号Si+1,i，所述信号Si+1,i包含所述到达功率值Wi,i+1和响应时延Ti+1，Wi,i-1和Wi,i-1的单位为mW；Ti-1和 Ti+1的单位为s；
步骤A4：定位基站i接收到信号Si-1,i和信号Si+1,i，分别停止计时，记录时间Ti,i-1和Ti,i+1，将发射功率值Wi，响应时延Ti-1、Ti+1，时间Ti,i-1、Ti,i+1，以及接收到的到达功率值Wi,i-1、Wi,i+1，通过矿井通信网络传输到定位服务器，Ti,i-1和Ti,i+1的单位为s；
步骤A5：所述定位服务器根据数据Ti-1、Ti,i-1，通过TOA测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值根据数据Ti+1、Ti,i+1，通过TOA测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值所述定位服务器根据发射功率值Wi，到达功率值Wi,i-1、Wi,i+1，通过RSS测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值通过RSS测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值式中lg表示以10为底的对数，f表示测距信号的频率，单位为MHz，Gtr表示定位基站全向天线的增益，单位为dB；
步骤A6：定位服务器将步骤A4得到的距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间R-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的R-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间R- 测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的R-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间T-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的T-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间T-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的T-测距区间为已知巷道顶板与巷道底板之间的距离为待定位目标的最小距离测量值dmin；
步骤A7：重复步骤A2至步骤A6，依次计算出巷道中相邻两个定位基站所对应R-测距区间和T-测距区间，并根据R-测距区间和T-测距区间对巷道中对应的定位基站划分其定位服务区域；
步骤A8：周期性动态更新巷道中相邻两个定位基站所对应的R-测距区间和T-测距区间。
进一步地，所述采集目标定位卡的定位数据主要包括以下步骤：
步骤B1：目标定位卡M向距离其最近的两个定位基站A和定位基站B发送定位信号，同时目标定位卡M的计时器开始记录时间TMA和TMB，所述定位信号中包含目标定位卡M 的地址信息和卡内存储的目标身份识别信息，以及信号发射功率值WM，WM的单位为mW；
步骤B2：所述定位基站A接收到定位信号，获取信号发射功率值WM，记录定位信号的到达功率值WMA，延时TA后，向目标定位卡M回复信号SAM，同时定位基站A的计时器开始记录时间TAM；所述定位基站B接收到定位信号，获取并记录定位信号的到达功率值WMB，延时TB后，向目标定位卡M回复信号SBM，同时定位基站B的计时器开始记录时间TBM；所述WMA和WMB的单位为mW；
步骤B3：当所述目标定位卡M接收到信号SAM后，停止计时TMA，并记录传播时延TMA，延时T′A后，向定位基站A回复信号S′AM，所述信号S′AM包含所述传播时延TMA和响应时延T′A；当所述目标定位卡M接收到信号SBM后，停止计时TMB，并记录传播时延TMB，延时T′B后，向定位基站B回复信号S′BM，所述信号S′BM包含所述传播时延TMB和响应时延T′B，所述TMA、 TMB、T′A、T′B的单位为s；
步骤B4：当所述定位基站A接收到信号S′AM后，获取并记录定位信号的到达功率值W′MA，同时停止计时TAM，并记录传播时延TAM；当所述定位基站B接收到信号S′BM后，获取并记录定位信号的到达功率值W′MB，同时停止计时TBM，并记录传播时延TBM，所述TAM、TBM的单位为s；
步骤B5：将定位基站A和定位基站B采集的目标定位卡M的定位数据WM、WMA、WMB、W′MA、W′MB、TMA、TAM、TMB、TBM、TA、TB、T′A、T′B，通过矿井通信网络传输到定位服务器；
步骤B6：在N个时间间隔T内，重复步骤B1～步骤B5，获取4(N+1)组定位数据，N＝1，2，3，……。
进一步地，所述距离测量值计算主要包括以下步骤：
步骤C1：所述定位服务器对定位数据WMA、WMB、W′MA、W′MB进行处理，分别计算目标定位卡M到定位基站A的到达功率平均值目标定位卡M到定位基站B 的到达功率平均值
步骤C2：所述定位服务器将步骤C1计算得到的到达功率平均值WMA,aver带入公式得到距离测量值dMA,R，将步骤C1计算得到的到达功率平均值WMB,aver带入公式得到距离测量值dMB,R，式中dMA,R、dMB,R表示基于RSS测距方法的目标定位卡与定位基站之间的距离测量值，lg表示以 10为底的对数；f表示定位信号的频率，单位为MHz，Gt表示目标定位卡全向天线的增益、 Gr表示定位基站全向天线的增益，单位为dBi，所述dMA,R和dMB,R单位为m；
步骤C3：所述定位服务器根据定位数据TMA、TAM、TMB、TBM、TA、TB、T′A、T′B，通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡M和定位基站A之间的传播时间TM,A；通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡M和定位基站B之间的传播时间TM,B；
步骤C4：所述定位服务器根据公式dTA＝c·TM,A计算定位基站A到目标定位卡M之间的距离测量值dMA,T；根据公式dTB＝c·TM,B计算定位基站B到目标定位卡M之间的距离测量值dMB,T； c为电磁波在矿井下的传播速度，单位为m/s，所述dMA,T和dMB,T的单位为m。
进一步地，所述鉴别干扰测量值为随机NLOS信号鉴别，鉴别过程包括以下步骤：
步骤D1：根据所述R-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站A之间的距离测量值dMA,R，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMA,R；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
步骤D2：根据所述R-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站B之间的距离测量值dMB,R，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMB,R；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
步骤D3：根据所述T-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站A之间的距离测量值dMA,T，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMA,T；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
步骤D4：根据所述T-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站B之间的距离测量值dMB,T，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMB,T；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
进一步地，所述速度阈值函数包括R-速度阈值函数和T-速度阈值函数，构造的R-速度阈值函数为构造的T-速度阈值函数为式中T1为矿井下允许的人员最大运行速率，T2为最大测量误差允许速率阈值，其中T1<T2，α和β为权值系数。
进一步地，所述目标定位卡移动速率计算和速度阈值处理过程包括R-速度阈值处理和T- 速度阈值处理，其主要包括以下步骤：
步骤E1：将鉴别干扰测量值后获得的2(N+1)组R-距离测量值dMA,R,1、dMA,R,2、dMA,R,3、…、 dMA,R,j和dMB,R,1、dMB,R,2、dMB,R,3、…、dMB,R,j，分别计算其相邻差值△dA1、△dA2、…、△dA(j-1)和△dB1、△dB2、…、△dB(j-1)；根据公式计算得到目标定位卡M的移动速率vA,1、vA,2、…、 vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1，其中j＝1，2，…，N+1；
步骤E2：根据函数阈值T1和T2，依次将步骤E1得到的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1带入R-速度阈值函数中，分别对其进行速度阈值处理，获得每个R-距离测量值的权值。
步骤E3：将鉴别干扰测量值后获得的2(N+1)组T-距离测量值dMA,T,1、dMA,T,2、dMA,T,3、…、 dMA,T,j和dMB,T,1、dMB,T,2、dMB,T,3、…、dMB,T,j，分别计算其相邻差值△dA1、△dA2、…、△dA(j-1)和△dB1、△dB2、…、△dB(j-1)，根据公式计算得到目标定位卡M的移动速率vA,1、vA,2、…、 vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1，其中j＝1，2，…，N+1；
步骤E4：根据函数阈值T1和T2，依次将步骤E3得到的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1带入T-速度阈值函数中，对其进行速度阈值处理，获得每个T-距离测量值的权值。
进一步地，所述所述移动目标定位包括以下步骤：
步骤F1：将所述权值数据与对应的鉴别干扰测量值后获得的的距离测量值相乘，实现数据重构，得到权值优化后的距离精确测量值；
步骤F2：根据目标定位卡M所在的定位服务区域的两个最近邻定位基站A和定位基站B 的位置坐标得到R-方程组和得到T- 方程组和式中(x，y)为目标定位卡 M的坐标位置，(xA，yA)为定位基站A的坐标位置，(xB，yB)为定位基站B的坐标位置；
步骤F3：将所述距离精确测量值带入对应的两组R-方程组和两组T-方程组中，通过几何方法确定携带所述目标定位卡M的目标物体精确位置。
本发明的一种抑制NLOS时延误差的矿井移动目标定位系统，其特征在于，能够实现一种抑制NLOS时延误差的矿井移动目标定位方法，主要包括管理子系统、有线网络子系统和无线网络子系统；所述管理子系统包括地面监控终端、调度指挥终端；所述有线网络子系统包括定位数据服务器、数据传输模块、本质安全型网关；所述无线网络子系统包括本质安全型网关、本质安全型无线中继、定位模块。
本发明的一种抑制NLOS时延误差的矿井移动目标定位方法和系统产生的有益效果为：
1.本发明结合矿井巷道NLOS时延的特点，基于SDS-TWR定位技术实现同步时延抑制和计时误差消除，同时将RSS方法和TOA方法相结合，采集定位卡与最近邻定位基站之间的测距数据信息，降低了单一测距方法导致的计算误差，并且提高了矿井定位精度。
2.本发明通过测量矿井下相邻两个定位基站之间的测距区间，并划定定位服务区域，根据两个定位基站的定位服务区域来判断待定位目标到定位基站之间的距离测量值是否在定位服务区域内，实现对NLOS误差信号的抑制。
3.本发明通过连续N次采样，能够获得比较可靠的测距数据信息，减少系统误差和巷道环境干扰造成的测量误差，并且对连续N次采样获得的数据进行分析，计算其矿井移动目标的移动速度。结合矿井下移动目标的安全移动速度，设置速度阈值，通过设计速度阈值函数实现对NLOS误差信号的进一步抑制，距离测量值通过速度阈值处理后获得的不同权值，重构距离测量值，并通过联合定位方法实现煤矿井下人员、车辆和其他移动目标的精确定位。
附图说明
图1是本发明的定位系统示意图；
图2是本发明的定位方法流程图；
图3是本发明的R-测量区间和T-测量区间的测量流程图；
图4是本发明的目标定位卡的定位数据采集流程图；
图5是本发明的计算距离测量值流程图；
图6是本发明的鉴别干扰测量值流程图；
图7是本发明的目标精确定位流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方法对本发明做详细、完整地描述，实施例不应被视为限制本发明的使用范围。
如图1所示，一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位系统分为井上部分和井下部分，主要包括：管理子系统、有线网络子系统和无线网络子系统；管理子系统包括地面监控终端(101)、调度指挥终端(102)；有线网络子系统包括定位服务器(103)、数据传输模块(104)、核心交换机(105)和本质安全型交换机(106)；无线网络子系统包括本质安全型交换机(106)、定位模块；
1.地面监控终端(101)具有地图显示，工作人员位置及资料显示、查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能，用于矿井各级调度中心对矿井人员位置或者车辆位置的监控，目标定位信息的实时显示和预警；
2.调度指挥终端(102)用于目标定位信息的接收、管理，以及各级调度中心向矿井人员或者车辆发送调度和指挥命令；地面监控终端(101)与调度指挥终端(102)相互电性连接，调度指挥终端(102)能够通过API接口访问定位服务器(103)，获取待定位目标的实时数据，实现对井下工作人员及相关设备的实时监控和指挥调度。
3.定位服务器(103)可采用"台式服务器"、"机架式服务器"、"机柜式服务器"或者"刀片式服务器"，能够接收数据传输模块(104)发送的测量数据信息，并且能够保存指挥调度指令和通过数据传输模块(104)将指挥调度指令发送至本质安全型定位基站(107)，以及能够进行NLOS误差数据的抑制处理，获取井下目标定位卡的精确定位坐标，以及对定位结果进行存储。
4.数据传输模块(104)用于测量数据和调度指挥指令的传输，以矿用光纤为主要传输介质，一端与核心交换机(105)相连，另一端通过本质安全型交换机(106)与本质安全型定位基站(107)相连接。
5.核心交换机(105)用于对所有接入有线网络的设备的管理和数据交换。
6.本质安全型交换机(106)用于接收本质安全型定位基站(107)发送的测距数据和传输调度指挥终端(102)向本质安全型定位基站(107)发送的调度指挥指令。
7.定位模块包括本质安全型定位基站(107)和本质安全型定位卡(108)，均采用全向天线，所述本质安全型定位基站(107)能够与最近邻本质安全型定位基站进行通信，以及与定位服务区域内的井下目标所携带的本质安全型定位卡(108)进行通信，生成并输出包括井下目标身份信息在内的测距数据；均具有信号收发、接收功率识别、计时和时间记录功能，能够用于进行信号收发时刻、时间的计量和保存。
8.本质安全型定位基站(107)在巷道内间隔一定距离，并在同一侧、同一高度上沿着一定的方向布设，作为目标物体定位检测的锚节点，主要包括电源，备用电池、控制器及通信模块及天线，同时存储有自身位置信息和标识信息，能够检测本质安全型定位卡(108)发送的定位信号，生成并输出包括定位目标的身份信息在内的定位信息。
9.本质安全型定位卡(108)由矿井下车辆、移动设备和工作人员携带，作为定位系统进行定位检测的目标节点，分配唯一的标识码并存储有所属目标物体的身份识别信息。
如图2所示，本发明的定位方法包括以下步骤：
1.(201)：在矿井巷道中沿着巷道前进方向间隔一定通信距离布设定位基站，对每一个定位基站依次进行编号和位置坐标记录；在待定位目标上安装含有身份识别信息的目标定位卡；
2.(202)：定位基站向其最近邻的两个定位基站进行通信，周期性动态测量每一个定位基站所对应的定位服务区域的R-测距区间和T-测距区间，并划定和更新每个定位基站的定位服务区域；
3.(203)：目标定位卡向所在的定位服务区域内的两个最近邻定位基站进行通信，定位基站将采集的目标定位卡测距数据发送至井上定位服务器后，定位服务器根据测距数据分别计算接收信号强度RSS的距离测量值和信号到达时间TOA的距离测量值；
4.(204)：进行随机NLOS信号的鉴别，根据所述R-测距区间对接收信号强度RSS的距离测量值进行随机NLOS信号的鉴别处理；根据所述T-测距区间对到达时间TOA的距离测量值进行随机NLOS信号的鉴别处理，用于消除巷道内的随机非视距NLOS误差数据；
5.(205)：在N个时间间隔T内，每间隔时间T，重复步骤(203)～步骤(204)，获取4(N+1)组定位数据，N＝1，2，3，……；定位服务器依次计算每一组定位数据，分别计算接收信号强度RSS的距离测量值和信号到达时间TOA的距离测量值，并获得鉴别随机NLOS 信号后的2(N+1)个R-距离测量值和2(N+1)个T-距离测量值；
6.(206)：构造R-速度阈值函数和T-速度阈值函数，R-速度阈值函数为构造的T-速度阈值函数为式中T1为矿井下允许的人员最大运行速率，T2为最大测量误差允许速率阈值，其中T1<T2，α和β为权值系数。
7.(207)：进行固定NLOS信号的处理，定位服务器对目标定位卡移动速率进行计算，并根据设定的速度阈值T1和速度阈值T2，对步骤(205)获得的R-距离测量值依次进行R-速度阈值处理，对步骤5获得的T-距离测量值依次进行T-速度阈值处理，分别获取用于精确定位的R-测量数据和T-测量数据。目标定位卡移动速率计算和速度阈值处理过程包括R-速度阈值处理和T-速度阈值处理，其主要包括以下步骤：
步骤E1：将鉴别干扰测量值后获得的2(N+1)组R-距离测量值dMA,R,1、dMA,R,2、dMA,R,3、…、 dMA,R,j和dMB,R,1、dMB,R,2、dMB,R,3、…、dMB,R,j，分别计算其相邻差值△dA1、△dA2、…、△dA(j-1)和△dB1、△dB2、…、△dB(j-1)；根据公式计算得到目标定位卡M的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1，其中j＝1，2，…，N+1；
步骤E2：根据函数阈值T1和T2，依次将步骤E1得到的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1带入R-速度阈值函数中，分别对其进行速度阈值处理，获得每个R-距离测量值的权值。
步骤E3：将鉴别干扰测量值后获得的2(N+1)组T-距离测量值dMA,T,1、dMA,T,2、dMA,T,3、…、 dMA,T,j和dMB,T,1、dMB,T,2、dMB,T,3、…、dMB,T,j，分别计算其相邻差值△dA1、△dA2、…、△dA(j-1)和△dB1、△dB2、…、△dB(j-1)，根据公式计算得到目标定位卡M的移动速率vA,1、vA,2、…、 vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1，其中j＝1，2，…，N+1；
步骤E4：根据函数阈值T1和T2，依次将步骤E3得到的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1带入T-速度阈值函数中，对其进行速度阈值处理，获得每个T-距离测量值的权值。
8.(208)：对(207)处理后得到的R-测量数据和T-测量数据进行数据重构，得到权值优化后的距离精确测量值，利用几何定位方法对所述距离精确测量值进行目标定位计算。
如图3所示，本发明的R-测距区间和T-测距区间的测量过程包括以下步骤：
1.(301)：在矿井巷道的同一侧同一高度上沿着一定的方向布设定位基站，对每一个定位基站依次进行编号和记录位置坐标，在待定位目标上安装含有身份识别信息的定位卡；
2.(302)：定位基站i向距离其最近的两个定位基站i-1和定位基站i+1发送测距信号，同时记录测距信号的发射功率值Wi，计时器开始记录时间Ti,i-1和Ti,i+1，所述测距信号中包含定位基站i的地址信息，Wi的单位为mW，i表示巷道中第i个定位基站，i＝1，2，3，…，n；
3.(303)：所述定位基站i-1接收到所述测距信号，获取到达功率值Wi,i-1，延时Ti-1后，向定位基站i回复信号Si-1,i，所述信号Si-1,i包含所述到达功率值Wi,i-1和响应时延Ti-1；所述定位基站i+1接收到测距信号，获取到达功率值Wi,i+1，延时Ti+1后，向定位基站i回复信号Si+1,i，所述信号Si+1,i包含所述到达功率值Wi,i+1和响应时延Ti+1，Wi,i-1和Wi,i-1的单位为mW；Ti-1和Ti+1的单位为s；
4.(304)：定位基站i接收到信号Si-1,i和信号Si+1,i，分别停止计时，记录时间Ti,i-1和Ti,i+1，将发射功率值Wi，响应时延Ti-1、Ti+1，时间Ti,i-1、Ti,i+1，以及接收到的到达功率值Wi,i-1、Wi,i+1，通过矿井通信网络传输到定位服务器，Ti,i-1和Ti,i+1的单位为s；
5.(305)：所述定位服务器根据数据Ti-1、Ti,i-1，通过TOA测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值根据数据Ti+1、Ti,i+1，通过TOA测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值所述定位服务器根据发射功率值Wi，到达功率值Wi,i-1、Wi,i+1，通过RSS测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值通过RSS测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值式中lg表示以10为底的对数，f表示测距信号的频率，单位为MHz，Gtr表示定位基站全向天线的增益，单位为dB；
6.(306)：定位服务器将步骤(305)得到的距离测量值作为待定位目标在定位基站 i-1与定位基站i之间R-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的 R-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1 之间R-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的R-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间T-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的T-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间T-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的T-测距区间为已知巷道顶板与巷道底板之间的距离为待定位目标的最小距离测量值dmin；
7.(307)：重复步骤(302)至步骤(306)，依次计算出巷道中相邻两个定位基站所对应 R-测距区间和T-测距区间；根据定位基站i与定位基站i-1的R-测距区间定位基站i与定位基站i+1之间的R-测距区间为划分定位基站i的RSS定位服务区域；根据定位基站i与定位基站i-1的T-测距区间为定位基站i与定位基站i+1 之间的T-测距区间为划分定位基站i的TOA定位服务区域，RSS定位服务区域和TOA定位服务区域重叠部分即为定位基站i的定位服务区域；根据巷道中每个定位基站的R-测距区间和T-测距区间，对巷道中所有定位基站划分其对应的定位服务区域；
8.(308)：周期性动态更新巷道中相邻两个定位基站所对应的R-测距区间和T-测距区间，实现对每个定位基站的定位服务区域的自动校准，提高目标定位精度。
如图4所示，本发明的采集目标定位卡的定位数据包括以下步骤：
4.(401)：目标定位卡M向距离其最近的两个定位基站A和定位基站B发送定位信号，同时目标定位卡M的计时器开始记录时间TMA和TMB，所述定位信号中包含目标定位卡M的地址信息和卡内存储的目标身份识别信息，以及信号发射功率值WM，WM的单位为mW；
2.(402)：所述定位基站A接收到定位信号，获取信号发射功率值WM，记录定位信号的到达功率值WMA，延时TA后，向目标定位卡M回复信号SAM，同时定位基站A的计时器开始记录时间TAM；所述定位基站B接收到定位信号，获取并记录定位信号的到达功率值WMB，延时TB后，向目标定位卡M回复信号SBM，同时定位基站B的计时器开始记录时间TBM；所述WMA和WMB的单位为mW；
3.(403)：当所述目标定位卡M接收到信号SAM后，停止计时TMA，并记录传播时延TMA，延时T′A后，向定位基站A回复信号S′AM，所述信号S′AM包含所述传播时延TMA和响应时延T′A；当所述目标定位卡M接收到信号SBM后，停止计时TMB，并记录传播时延TMB，延时T′B后，向定位基站B回复信号S′BM，所述信号S′BM包含所述传播时延TMB和响应时延T′B，所述TMA、 TMB、T′A、T′B的单位为s；
4.(404)：当所述定位基站A接收到信号S′AM后，获取并记录定位信号的到达功率值W′MA，同时停止计时TAM，并记录传播时延TAM；当所述定位基站B接收到信号S′BM后，获取并记录定位信号的到达功率值W′MB，同时停止计时TBM，并记录传播时延TBM，所述TAM、TBM的单位为s；
5.(405)：将定位基站A和定位基站B采集的目标定位卡M的定位数据WM、WMA、WMB、W′MA、W′MB、TMA、TAM、TMB、TBM、TA、TB、T′A、T′B，通过矿井通信网络传输到定位服务器。
如图5所示，本发明的根据定位数据计算距离测量值主要包括以下步骤：
1.(501)：所述定位服务器对测距数据WMA、WMB、W′MA、W′MB进行处理，分别计算目标定位卡M到定位基站A的到达功率平均值目标定位卡M到定位基站B 的到达功率平均值
2.(502)：所述定位服务器将步骤(501)计算得到的到达功率平均值WMA,aver带入公式得到距离测量值dMA,R，将步骤(501)计算得到的到达功率平均值WMB,aver带入公式得到距离测量值dMB,R，式中dMA,R、dMB,R表示基于RSS测距方法的目标定位卡与定位基站之间的距离测量值，lg表示以10为底的对数；f表示定位信号的频率，单位为MHz，Gt表示目标定位卡全向天线的增益、Gr表示定位基站全向天线的增益，单位为dB，所述dMA,R和dMB,R单位为m；
3.(503)：所述定位服务器根据测距数据TMA、TAM、TMB、TBM、TA、TB、T′A、T′B，通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡M和定位基站A之间的传播时间TM,A；通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡M和定位基站B之间的传播时间TM,B；
4.(504)：所述定位服务器根据公式dTA＝c·TM,A计算定位基站A到目标定位卡M之间的距离测量值dMA,T；根据公式dTB＝c·TM,B计算定位基站B到目标定位卡M之间的距离测量值 dMB,T；c为电磁波在矿井下的传播速度，单位为m/s，所述dMA,T和dMB,T的单位为m。
如图6所示，本发明的随机NLOS信号鉴别方法包括以下步骤：
1.R-距离测量值(601)：定位服务器计算得到的距离测量值包括基于RSS测距方法获得的R-距离测量值；
2.(602)：根据所述R-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站A之间的距离测量值dMA,R，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMA,R；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
3.(603)：根据所述R-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站B之间的距离测量值dMB,R，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMB,R；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
4.T-距离测量值(604)：定位服务器计算得到的距离测量值包括基于TOA测距方法获得的T-距离测量值；
5.(605)：根据所述T-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站A之间的距离测量值dMA,T，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMA,T；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
6.(606)：根据所述T-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站B之间的距离测量值dMB,T，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMB,T；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
如图7所示，本发明的目标精确定位处理过程包括以下步骤：
1.(701)：将获得的T-距离测量值和R-距离测量值的权值数据，通过加权重构得到权值优化后的距离精确测量值；
2.(702)：根据目标定位卡M所在的定位服务区域的两个最近邻定位基站A和定位基站 B的位置坐标得到R-方程组和得到T-方程组和式中(x，y)为目标定位卡M的坐标位置，(xA，yA)为定位基站A的坐标位置，(xB，yB)为定位基站B的坐标位置， 为目标定位卡M距离定位基站A的重构距离值，为目标定位卡M距离定位基站 B的重构距离值；
3.(703)：将加权重构后得到所述距离精确测量值带入对应的两组R-方程组和两组T-方程组中，计算得到目标定位卡的多个位置坐标(xk，yk)，k＝1，2，···，n，其中n≤4(N+1)；分别以定位基站A和定位基站B为原点，划定目标定位卡的位置坐标(xk，yk)所在的巷道位置区域。
4.(704)：采用加权最小二乘寻优算法确定携带所述目标定位卡M的目标物体精确位置。

Claims (9)

1.一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于：在矿井巷道中依次安装定位基站，在待定位目标上安装目标定位卡，定位基站完成对巷道中测距区间的测量，定位服务器根据所述测距区间进行定位服务区域划分；每间隔一定时间，目标定位卡向所在的定位服务区域内的两个最近邻定位基站进行通信，定位基站通过测量信号到达时间和接收信号强度，对目标定位卡的定位数据进行采集，由定位服务器计算所述定位数据的距离测量值，并鉴别其中的干扰测量值；定位服务器通过计算目标定位卡移动速率，并根据构造的速度阈值函数对所述目标定位卡移动速率进行速度阈值处理，获得目标定位卡移动速率所对应的权值；所述权值依次与鉴别干扰测量值后得到的距离测量值相乘，获得权值优化后的距离精确测量值，通过所述距离精确测量值与定位基站之间的几何关系，实现矿井移动目标定位。
2.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述测距区间包括R-测距区间和T-测距区间，测量过程包括以下步骤：
步骤A1：在矿井巷道的同一侧同一高度上沿着一定的方向布设定位基站，对每一个定位基站依次进行编号和记录位置坐标，在待定位目标上安装含有身份识别信息的定位卡；
步骤A2：定位基站i向距离其最近的两个定位基站i-1和定位基站i+1发送测距信号，同时记录测距信号的发射功率值Wi，计时器开始记录时间Ti,i-1和Ti,i+1，所述测距信号中包含定位基站i的地址信息，Wi的单位为mW，i表示巷道中第i个定位基站，i＝1，2，3，…，n；
步骤A3：所述定位基站i-1接收到所述测距信号，获取到达功率值Wi,i-1，延时Ti-1后，向定位基站i回复信号Si-1,i，所述信号Si-1,i包含所述到达功率值Wi,i-1和响应时延Ti-1；所述定位基站i+1接收到测距信号，获取到达功率值Wi,i+1，延时Ti+1后，向定位基站i回复信号Si+1,i，所述信号Si+1,i包含所述到达功率值Wi,i+1和响应时延Ti+1，Wi,i-1和Wi,i-1的单位为mW；Ti-1和Ti+1的单位为s；
步骤A4：定位基站i接收到信号Si-1,i和信号Si+1,i，分别停止计时，记录时间Ti,i-1和Ti,i+1，将发射功率值Wi，响应时延Ti-1、Ti+1，时间Ti,i-1、Ti,i+1，以及接收到的到达功率值Wi,i-1、Wi,i+1，通过矿井通信网络传输到定位服务器，Ti,i-1和Ti,i+1的单位为s；
步骤A5：所述定位服务器根据数据Ti-1、Ti,i-1，通过TOA测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值根据数据Ti+1、Ti,i+1，通过TOA 测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值所述定位服务器根据发射功率值Wi，到达功率值Wi,i-1、Wi,i+1，通过RSS测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值通过RSS测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值式中lg表示以10为底的对数，f表示测距信号的频率，单位为MHz，Gtr表示定位基站全向天线的增益，单位为dB；
步骤A6：定位服务器将步骤A4得到的距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间R-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的R-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间R-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的R-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间T-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的T-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间T-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的T-测距区间为已知巷道顶板与巷道底板之间的距离为待定位目标的最小距离测量值dmin；
步骤A7：重复步骤A2至步骤A6，依次计算出巷道中相邻两个定位基站所对应R-测距区间和T-测距区间，并根据R-测距区间和T-测距区间对巷道中对应的定位基站划分其定位服务区域；
步骤A8：周期性动态更新巷道中相邻两个定位基站所对应的R-测距区间和T-测距区间。
3.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述采集目标定位卡的定位数据主要包括以下步骤：
步骤B1：目标定位卡M向距离其最近的两个定位基站A和定位基站B发送定位信号，同时目标定位卡M的计时器开始记录时间TMA和TMB，所述定位信号中包含目标定位卡M的地址信息和卡内存储的目标身份识别信息，以及信号发射功率值WM，WM的单位为mW；
步骤B2：所述定位基站A接收到定位信号，获取信号发射功率值WM，记录定位信号的到达功率值WMA，延时TA后，向目标定位卡M回复信号SAM，同时定位基站A的计时器开始记录时间TAM；所述定位基站B接收到定位信号，获取并记录定位信号的到达功率值WMB，延时TB后，向目标定位卡M回复信号SBM，同时定位基站B的计时器开始记录时间TBM；所述WMA和WMB的单位为mW；
步骤B3：当所述目标定位卡M接收到信号SAM后，停止计时TMA，并记录传播时延TMA，延时T′A后，向定位基站A回复信号S′AM，所述信号S′AM包含所述传播时延TMA和响应时延T′A；当所述目标定位卡M接收到信号SBM后，停止计时TMB，并记录传播时延TMB，延时T′B后，向定位基站B回复信号S′BM，所述信号S′BM包含所述传播时延TMB和响应时延T′B，所述TMA、TMB、T′A、T′B的单位为s；
步骤B4：当所述定位基站A接收到信号S′AM后，获取并记录定位信号的到达功率值W′MA，同时停止计时TAM，并记录传播时延TAM；当所述定位基站B接收到信号S′BM后，获取并记录定位信号的到达功率值W′MB，同时停止计时TBM，并记录传播时延TBM，所述TAM、TBM的单位为s；
步骤B5：将定位基站A和定位基站B采集的目标定位卡M的定位数据WM、WMA、WMB、W′MA、W′MB、TMA、TAM、TMB、TBM、TA、TB、T′A、T′B，通过矿井通信网络传输到定位服务器；
步骤B6：在N个时间间隔T内，重复步骤B1～步骤B5，获取4(N+1)组定位数据，N＝1，2，3，……。
4.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述距离测量值计算主要包括以下步骤：
步骤C1：所述定位服务器对定位数据WMA、WMB、W′MA、W′MB进行处理，分别计算目标定位卡M到定位基站A的到达功率平均值目标定位卡M到定位基站B的到达功率平均值
步骤C2：所述定位服务器将步骤C1计算得到的到达功率平均值WMA,aver带入公式得到距离测量值dMA,R，将步骤C1计算得到的到达功率平均值WMB,aver带入公式得到距离测量值dMB,R，式中dMA,R、dMB,R表示基于RSS测距方法的目标定位卡与定位基站之间的距离测量值，lg表示以10为底的对数；f表示定位信号的频率，单位为MHz，Gt表示目标定位卡全向天线的增益、Gr表示定位基站全向天线的增益，单位为dBi，所述dMA,R和dMB,R单位为m；
步骤C3：所述定位服务器根据定位数据TMA、TAM、TMB、TBM、TA、TB、T′A、T′B，通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡M和定位基站A之间的传播时间TM,A；通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡M和定位基站B之间的传播时间TM,B；
步骤C4：所述定位服务器根据公式dTA＝c·TM,A计算定位基站A到目标定位卡M之间的距离测量值dMA,T；根据公式dTB＝c·TM,B计算定位基站B到目标定位卡M之间的距离测量值dMB,T；c为电磁波在矿井下的传播速度，单位为m/s，所述dMA,T和dMB,T的单位为m。
5.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述鉴别干扰测量值为随机NLOS信号鉴别，鉴别过程包括以下步骤：
步骤D1：根据所述R-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站A之间的距离测量值dMA,R，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMA,R；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
步骤D2：根据所述R-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站B之间的距离测量值dMB,R，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMB,R；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
步骤D3：根据所述T-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站A之间的距离测量值dMA,T，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMA,T；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
步骤D4：根据所述T-测距区间，判断所述目标定位卡M与定位基站B之间的距离测量值dMB,T，当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dMB,T；当时，即所述目标定位卡M在定位基站A与定位基站B之间的定位服务区域外，则
6.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述速度阈值函数包括R-速度阈值函数和T-速度阈值函数，构造的R-速度阈值函数为构造的T-速度阈值函数为式中T1为矿井下允许的人员最大运行速率，T2为最大测量误差允许速率阈值，其中T1<T2，α和β为权值系数。
7.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述目标定位卡移动速率计算和速度阈值处理过程包括R-速度阈值处理和T-速度阈值处理，其主要包括以下步骤：
步骤E1：将鉴别干扰测量值后获得的2(N+1)组R-距离测量值dMA,R,1、dMA,R,2、dMA,R,3、…、dMA,R,j和dMB,R,1、dMB,R,2、dMB,R,3、…、dMB,R,j，分别计算其相邻差值△dA1、△dA2、…、△dA(j-1)和△dB1、△dB2、…、△dB(j-1)；根据公式计算得到目标定位卡M的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1，其中j＝1，2，…，N+1；
步骤E2：根据函数阈值T1和T2，依次将步骤E1得到的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1带入R-速度阈值函数中，分别对其进行速度阈值处理，获得每个R-距离测量值的权值。
步骤E3：将鉴别干扰测量值后获得的2(N+1)组T-距离测量值dMA,T,1、dMA,T,2、dMA,T,3、…、dMA,T,j和dMB,T,1、dMB,T,2、dMB,T,3、…、dMB,T,j，分别计算其相邻差值△dA1、△dA2、…、△dA(j-1)和△dB1、△dB2、…、△dB(j-1)，根据公式计算得到目标定位卡M的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1，其中j＝1，2，…，N+1；
步骤E4：根据函数阈值T1和T2，依次将步骤E3得到的移动速率vA,1、vA,2、…、vA,j-1和vB,1、vB,2、…、vB,j-1带入T-速度阈值函数中，对其进行速度阈值处理，获得每个T- 距离测量值的权值。
8.如权利要求1所述的一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位方法，其特征在于，所述移动目标定位包括以下步骤：
步骤F1：将所述权值数据与对应的鉴别干扰测量值后获得的的距离测量值相乘，实现数据重构，得到权值优化后的距离精确测量值；
步骤F2：根据目标定位卡M所在的定位服务区域的两个最近邻定位基站A和定位基站B的位置坐标得到R-方程组和得到T-方程组和式中(x，y)为目标定位卡M的坐标位置，(xA，yA)为定位基站A的坐标位置，(xB，yB)为定位基站B的坐标位置；
步骤F3：将所述距离精确测量值带入对应的两组R-方程组和两组T-方程组中，通过几何方法确定携带所述目标定位卡M的目标物体精确位置。
9.一种抑制非视距时延误差的矿井动目标定位系统，其特征在于，能够实现一种抑制NLOS时延误差的矿井移动目标定位方法，主要包括管理子系统、有线网络子系统和无线网络子系统；所述管理子系统包括地面监控终端、调度指挥终端；所述有线网络子系统包括定位数据服务器、数据传输模块、本质安全型网关；所述无线网络子系统包括本质安全型网关、本质安全型无线中继、定位模块。
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