CN113727276A - 一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，属于超宽带定位技术领域。该方法中，若标签仅收到一个轴向基站信号，则过上一次定位点做隧道中轴线的平行线，与轴向基站定位圆相交，取距上一次定位点最近的交点作为本次定位点；若收到两个基站信号，则以两个基站的定位圆进行定位；若仅有一个径向基站信号，则以径向基站定位圆上距上一次定位点最近的点作为本次定位点。本发明能够以较少的基站接发定位信号，降低成本，并能获得准确的定位信息。

Description

一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，属于超宽带定位技术领域。
背景技术
目前，常用于隧道下人员定位的技术有红外定位技术、超声波定位技术、射频识别定位技术、蓝牙定位技术、Zigbee定位技术、WiFi定位技术等，然而这些定位技术大多存在传输距离短、抗多径效应差、定位精度低等问题。
超宽带(UWB，Ultra Wide Band)技术采用极窄的脉冲信号实现无线通信，其信号相对带宽不小于0.2，绝对带宽不小于500MHz，而无线电信号的距离分辨力与信号的带宽有直接关系，由此宽带特性可知，UWB系统的距离分辨精度要比窄带无线系统高得多。由于UWB技术具有定位精度高、抗多径干扰能力强、传输速率高等优势，成为了当前主流的室内定位技术。
近几年来，许多学者对隧道UWB定位进行了大量的研究。UWB系统发射的是持续时间极短且占空比很低的窄脉冲，因此其多径信号在时间上是可分离的。现有技术中，有人采用对称双向双边测距(SDS-TWR)算法减少晶振漂移带来的时间误差，提高测距的精度，并在基于TOA(Time of Arrival，到达时间)的定位方法的基础上采用粒子群算法来提高目标跟踪定位的精度。这种测距系统较为稳定，功耗也低，但是精度未能达到预期值。此外，现有技术中还公开了一种基于TOA(Time of Arrival，到达时间)的自校验三角形定位算法，该方法虽然能弥补三边算法原本的定位人员数量有限和成本等问题，但精度仍未达到预期值。
总之，隧道施工现场环境复杂，测距信号易受到噪声、遮挡等干扰因素影响。在这种环境复杂、测距信号易受到噪声影响的条件下，如何提高测量精度，提高人员定位精度成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，其能够以较少的基站接发定位信号，降低成本，并能获得准确的定位信息。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，包括以下步骤：
(1)在隧道中设置轴向基站和径向基站，所述轴向基站位于隧道的中轴线上，径向基站位于隧道的两侧；
(2)记录前两时刻的定位点，假定标签的运动速度和方向均不变，预测本次的定位点位置，将预测位置作为惯性导航点；
(3)标签接收基站信号，若仅有一个轴向基站信号，则执行步骤(301)进行定位，若收到两个基站信号，则执行步骤(302)进行定位，若仅有一个径向基站信号，则执行步骤(303)进行定位：
(301)过上一次定位点做隧道中轴线的平行线，与轴向基站定位圆相交，取距上一次定位点最近的交点作为本次定位点；
(302)计算两个基站的定位圆，若两圆不相交，则以两圆之间最接近点的中点作为定位点；若两圆只有一个交点，则以该交点作为定位点；若两圆有两个交点，则以最接近惯性导航点的交点作为定位点，若两个交点与惯性导航点的距离相等，则以惯性导航点作为定位点；
(303)以径向基站定位圆上距上一次定位点最近的点作为本次定位点；
所述定位圆指以基站为圆心，以定位距离为半径的圆；
完成隧道内的定位。
进一步的，基站与标签之间的距离测算精度为±10厘米。
进一步的，设基站A的位置为A(x1,y1)，定位圆半径为r1，基站B的位置为B(x2,y2)，定位圆半径为r2，两定位圆的交点分别为C(xc,yc)、D(xd,yd)，两交点的连线CD与直线 AB的交点为E(x0,y0)，AB两点的距离为L，AB的斜率为K1，CD的斜率为K2；则有：
当x2≠x1时，有
Figure RE-GDA0003273773600000021
若x2＝x1时，有L＝|y2-y1|、K1＝0、K2＝1
Figure RE-GDA0003273773600000022
由此解得
Figure RE-GDA0003273773600000031
E点坐标为：
Figure RE-GDA0003273773600000032
根据如下关系：
Figure RE-GDA0003273773600000033
由此得到两圆交点C(xc,yc)、D(xd,yd)的坐标为：
Figure RE-GDA0003273773600000034
Figure RE-GDA0003273773600000035
从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
1、本发明在每一时刻仅需至多两个基站即可实现定位，从而减少了所需的基站数量，降低了定位成本。
2、本发明方法可以更精确地计算定位位置与实际位置的误差，并使该误差在较小范围内，从而提高定位精度。
3、在存在多因素干扰的情况下，本发明方法能够保证人员显示的连续性，减少人员跳动，从而实现高精度的连续定位。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图。
图1是本发明实施例中定位方法的流程图；
图2是本发明的场景示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做进一步的说明。
一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，该方法主要用于隧道或狭长区域内的平面定位，如图2所示，三角表示待定位的标签，圆形表示基站，虚线为隧道的中轴线。
其中，UWB定位测量基站到标签的定位精度为±10厘米。该场景下，UWB定位测量基站和标签可能受到干扰或者遮挡而存在测距失败的现象；左侧中部安装有轴向基站，对标签图示水平方向的定位精度较高；隧道两侧安装有径向基站，对标签图示垂直方向的定位精度较高。此外，假定标签运动速度和方向不变的前提下，根据上两个定位点可预测出本次的定位点位置，即惯性导航点。
该方法的步骤如下：
1)检测是否有轴向基站，若没有，则按统计到的径向基站数量来实施两种方案，第一种只有一个径向基站，则以基站位置为圆心，距离(径向基站与标签的连线)为半径画圆，取距离惯性定位点距离最近的圆上一点为定位点。第二种是有两个径向基站，则以每个基站位置为圆心，距离(径向基站与标签的连线)为半径，得到两个圆，求得两个圆交点的坐标。
2)判断两圆是否相交。若没有相交，则通过两圆圆心的直线交两圆于4点，求分别在两圆上最近的两个交点的中点为定位点；若两圆相交，那么取距离惯性导航点距离最近的一点为定位点。两圆相交的交点坐标按以下方式求解：
设第一个径向基站的位置为A(x1,y1)，半径为r1，第二个径向基的位置为B(x2,y2)，半径为r2，两个圆的交点分别为C(xc,yc)，D(xd,yd)，两交点的连线CD与直线AB的交点设为E(x0,y0),点F为任意圆上圆弧上的点，AB的距离为L，AB的斜率为K1，CD的斜率为 K2，则有
当x2≠x1时，有
Figure RE-GDA0003273773600000041
若x2＝x1时，有L＝|y2-y1|、K1＝0、K2＝1
Figure RE-GDA0003273773600000042
由(1)解得：
Figure RE-GDA0003273773600000051
从而得到E点坐标：
Figure RE-GDA0003273773600000052
根据坐标关系有：
Figure RE-GDA0003273773600000053
由此得到两圆交点C(xc,yc)、D(xd,yd)的坐标为：
Figure RE-GDA0003273773600000054
Figure RE-GDA0003273773600000055
3)若有轴向基站，则取距隧道口最近的轴向基站。选取后开始搜索是否有径向基站，若有径向基站，则选择距离最近的径向基站，按上述两圆相交的情况求得定位点。若没有径向基站，那么过上一次定位点做隧道中轴线的平行线，与轴向基站定位圆相交，取距上一次定位点最近的交点作为本次定位点。
本方法使用UWB超宽带技术进行隧道内定位。超宽带技术因其具有定位精度高、抗多径干扰能力强、传输速率高等优势，成为了当前主流的室内定位技术。但是，由于隧道施工现场环境复杂，测距信号易受到噪声、遮挡等干扰因素影响，导致人员定位系统定位精度不高，一旦发生事故，系统无法准确判断被困人员的数量和具体位置。为了保证施工人员的安全，实现对隧道中施工人员的定时定位，本方法采用了一种适用于隧道的UWB定位方法。该方法可以在已知条件下更精确的计算定位位置与实际位置的误差，并使此误差最小，保证人员显示的连续性，减少人员跳动。该方法不仅能提高UWB定位人员的精度，而且在存在多因素干扰的情况下，保证人员显示的连续性。
以下为一个更具体的的例子：
如图1所示，一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，包括如下步骤：
1)单标签测距数据，数据包含基站编号、基站类型和基站到标签的距离；
2)检测是否有轴向基站；
3)检测到没有轴向基站，则检测径向基站的数量，根据径向基站的数量实施方案，方案和权利与要求2中的步骤1一样；
4)检测到有轴向基站，则取距隧道口最近轴向基站；
5)检测是否有径向基站，若没有，则取上次定位点平移X轴到轴向基站距离点为定位点。若有，则选择距离最近的纵向基站，接着计算步骤和权利与要求2中的步骤1一样；
6)结束。
需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在隧道中设置轴向基站和径向基站，所述轴向基站位于隧道的中轴线上，径向基站位于隧道的两侧；
(2)记录前两时刻的定位点，假定标签的运动速度和方向均不变，预测本次的定位点位置，将预测位置作为惯性导航点；
(3)标签接收基站信号，若仅有一个轴向基站信号，则执行步骤(301)进行定位，若收到两个基站信号，则执行步骤(302)进行定位，若仅有一个径向基站信号，则执行步骤(303)进行定位：
(301)过上一次定位点做隧道中轴线的平行线，与轴向基站定位圆相交，取距上一次定位点最近的交点作为本次定位点；
(302)计算两个基站的定位圆，若两圆不相交，则以两圆之间最接近点的中点作为定位点；若两圆只有一个交点，则以该交点作为定位点；若两圆有两个交点，则以最接近惯性导航点的交点作为定位点，若两个交点与惯性导航点的距离相等，则以惯性导航点作为定位点；
(303)以径向基站定位圆上距上一次定位点最近的点作为本次定位点；
所述定位圆指以基站为圆心，以定位距离为半径的圆；
完成隧道内的定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，其特征在于，基站与标签之间的距离测算精度为±10厘米。
3.根据权利要求1所述的一种基于超宽带定位的隧道内少基站定位方法，其特征在于，设基站A的位置为A(x1,y1)，定位圆半径为r1，基站B的位置为B(x2,y2)，定位圆半径为r2，两定位圆的交点分别为C(xc,yc)、D(xd,yd)，两交点的连线CD与直线AB的交点为E(x0,y0)，AB两点的距离为L，AB的斜率为K1，CD的斜率为K2；则有：
当x2≠x1时，有
Figure RE-FDA0003273773590000011
若x2＝x1时，有L＝|y2-y1|、K1＝0、K2＝1
Figure RE-FDA0003273773590000021
由此解得
Figure RE-FDA0003273773590000022
E点坐标为：
Figure RE-FDA0003273773590000023
根据如下关系：
Figure RE-FDA0003273773590000024
由此得到两圆交点C(xc,yc)、D(xd,yd)的坐标为：
Figure RE-FDA0003273773590000025
Figure RE-FDA0003273773590000026
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