CN113747351A - 一种隧道内经纬度二维坐标构建方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种隧道内经纬度二维坐标构建方法及系统，包括在同一高度的2n个超宽带定位基站和1台移动式定位仪；移动式定位仪包括1个超宽带标签、单片机；确定各基站的经纬度二维坐标及坐标数据序列；标签接收基站的信号，单片机采集、降序排列标签的输出数据序列，利用排序前两位的基站坐标构建两个虚拟圆，并得两个交点坐标；判断排序第三的基站与第一交点、标签间的距离差值的绝对值，和排序第三的基站与第二交点、标签间的距离差值的绝对值的大小，较小值对应交点的经纬度二维坐标作为标签坐标。系统成本低、便于现场操作，对于狭窄的隧道环境适应性好；该方法直接得到经纬度二维坐标，保证高精度定位的，无需转化坐标，直接指导工程设计与施工。

Description

一种隧道内经纬度二维坐标构建方法及系统
技术领域
本发明涉及电缆隧道技术领域，更具体地，涉及一种隧道内经纬度二维坐标构建方法及系统。
背景技术
随着电缆通道投运里程的增加，在运行维护实践中发现，面对复杂的高压电缆通道工作环境，缺乏相关的技术标准和仪器设备，对高压电缆通道空间数据进行高精度的测量与定位。探索高压电缆隧道的高精度空间测量，快速实现高压电缆隧道信息化建设。同时构建高压电缆三维空间可视化平台，实现基于高精度坐标的电缆运行管理模式及电缆通道快速可视化定位，在输电电缆规模较大的地区具有较好的推广价值。
现有技术中，中国发明专利申请(CN110440711A)“一种电缆隧道三维激光扫描装置及其移动定位方法”公开的电缆隧道三维激光扫描装置中包括若干个固定安装在电缆隧道内的超宽带定位基站，用于接收所述激光扫描定位装置的信号并将接收到的信号传输给所述服务器；还公开了设置于述三维激光扫描仪的外壳内的超宽带定位标签，用于对三维激光扫描仪进行定位并将定位数据信号发送给所述超宽带定位基站。并且相邻两个超宽带定位基站之间的距离为120～150米，超宽带定位基站固定在所述电缆隧道的顶部或边缘墙上；该专利技术中需要使用三维激光扫描仪，因此定位装置成本高，并且操作复杂。
中国发明专利申请(CN110456305A)公开了一种超宽带定位方法，包括：步骤S1：预先部署若干个锚点，两个锚点之间的间隔为50米，隧道的宽度是10米，在隧道中设若干个UWB定位标签，每个UWB定位标签配备一个UWB通信模块，所述UWB定位标签按照一定的频率发射信号；步骤S2：每个UWB定位标签与附近的锚点不断通信，计算出从自己到锚点的距离值后，用UWB信道将距离值发送到隧道内设置的UWB定位基站；步骤S3：UWB定位基站接收信号后，与所述UWB定位标签进行双向信号传输，并接收UWB定位标签传输的距离值、UWB定位基站自身参数信息构成的数据包，通过无线或有线数据链路采用IEEE1588协议传输给定位服务器；步骤S4：定位服务器每收到一个数据包就进行解压处理构建临时位置信息列表；步骤S5：定位服务器调用加权最小二乘法进行定位解算，计算出定位标签的位置信息，同时构建实时更新的位置信息列表；该专利技术中需要使用定位服务器，并且通过无线或者有线数据链路进行数据传输，若将这种方法应用于隧道内定位，数据传输质量，容易受到隧道环境内电磁场的干扰，使得定位不够准确。
中国发明专利申请(CN109932684A)公开了一种基于超宽带距离交汇算法的隧道平面定位方法，包括确定定位区间和确定精确位置坐标；其中，对于定位区间的确定，文献3提出，沿着隧道轴线所在平面建立二维平面坐标系，在隧道前进方向每间隔100m依次布置编号为i定位基站，i＝1,2....n；相邻两定位基站之间的距离为Li，i+1当定位卡位于定位基站覆盖范围之内时各定位基站会实时测出定位卡到个定位基站之间的距离Li，根据余弦定理一次性计算出Li与x轴正方向的水平夹角θi，进而通过一定的算法计算出定位的平面坐标；对于精确位置坐标的计算采用了插值法；该专利技术在进行定位卡坐标计算时仅能用到两个定位基站的信号，且计算的坐标非经纬度，还需进一步转换，降低了定位效率，降低了现场使用的便捷性和快速性。
综上，需要研究一种能够在狭窄的隧道环境下，实现工程上可用的、高精度的经纬度二维坐标构建方法及系统。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种隧道内经纬度二维坐标构建方法及系统，在狭窄的隧道环境下，通过UWB定位标签接收到多个UWB基站的信号强度，结合距离和高精度的UWB基站原始信息进行联合解算，得到待定位点的精确经纬度二维坐标。
本发明采用如下的技术方案。
一种隧道内经纬度二维坐标构建系统，包括若干个超宽带定位基站；
超宽带定位基站的数量为2n个，沿着隧道径向，以同一高度H，在隧道两侧墙壁上定间距的成对设置超宽带定位基站；
系统还包括1台移动式定位仪；移动式定位仪用于采集超宽带定位基站的信号并对所采集的信号进行计算得到移动式定位仪的经纬度二维坐标。
移动式定位仪包括：1个超宽带标签、单片机；超宽带标签的输出串口与单片机的输入串口连接；
超宽带标签安装在移动式定位仪内部，用于接收多个超宽带定位基站的信号，并向单片机发送输出数据序列；
单片机用于根据超宽带标签的输出数据序列，计算确定超宽带标签的经纬度二维坐标，并以超宽带标签的经纬度二维坐标作为移动式定位仪的经纬度二维坐标。
优选地，隧道内的一侧墙壁上，相邻设置的两个超宽带定位基站的间距不大于5m。
一种隧道内经纬度二维坐标构建方法包括：
步骤1，逐个确定隧道内2n个超宽带定位基站的经纬度二维坐标，并编译基站的坐标数据序列；
步骤2，超宽带标签接收在信号接收范围区域之内的所有基站发送过来的信号，再由单片机采集超宽带标签的输出数据序列；
步骤3，对输出数据序列降序排列，并提取排序前三位的基站的经纬度二维坐标；
步骤4，利用排序前两位的基站的经纬度二维坐标构建两个虚拟圆，并且分别计算两个虚拟圆的第一交点的经纬度二维坐标和第二交点的经纬度二维坐标；
步骤5，判断排序第三位的基站与第一交点、标签之间的距离差值的绝对值为第一绝对值距离，和排序第三位的基站与第二交点、标签之间的距离差值的绝对值为第二绝对值距离的大小，以较小的值对应的交点的经纬度二维坐标作为标签的经纬度二维坐标。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，根据隧道径向经纬度二维坐标逐个确定隧道内确定2n个超宽带定位基站的经纬度二维坐标；
步骤1.2，对各超宽带定位基站进行编码，每个基站获得唯一的ID编码；
步骤1.3，将基站的ID编码、基站的经纬度二维坐标一起编译为基站的坐标数据序列<ID(Si)，Lon(Si),Lat(Si)>，其中，ID(Si)为第i个基站的ID编码，Lon(Si)为第i个基站的经度二维坐标，Lat(Si)为第i个基站的维度二维坐标，i＝1，2,…,2n。
优选地，步骤2中，超宽带标签的输出数据序列<ID(Sj),RSSI(Sj),Distance(Sj)>包括：第j个基站的ID编号ID(Sj)，第j个基站的信号强度RSSI(Sj)，超宽带标签与第j个基站的直线距离Distance(Sj)，其中，j∈[k1，k2]，[k1，k2]代表超宽带标签的信号接收范围区域。
优选地，步骤3中，基于基站的信号强度，对多个输出数据序列进行降序排序；提取排在前三位的第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列。
优选地，步骤4包括：
步骤4.1，根据第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列中的基站ID编码，分别从对应基站的坐标数据序列中提取得到第一位基站的经纬度二维坐标、第二位基站的经纬度二维坐标和第三位基站的经纬度二维坐标；
步骤4.2，根据第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列中的基站ID编码，分别从对应基站的坐标数据序列中提取得到超宽带标签与第一位基站的第一直线距离、超宽带标签与第二位基站的第二直线距离、超宽带标签与第三位基站的第三直线距离；
步骤4.3，以第一位基站的经纬度二维坐标为圆心、第一直线距离为半径构建第一虚拟圆；以第二位基站的经纬度二维坐标为圆心、第二直线距离为半径构建第二虚拟圆；
步骤4.4，计算第一虚拟圆与第二虚拟圆的第一交点和第二交点的经纬度二维坐标。
优选地，步骤5包括：
步骤5.1，计算第三位基站与第一交点之间的第四直线距离、第三位基站与第二交点之间的第五直线距离；
步骤5.2，通过计算第四直线距离与第三直线距离的差值的绝对值，得到第一绝对值距离；通过计算第五直线距离与第三直线距离的差值的绝对值，得到第二绝对值距离；
步骤5.3，若第一绝对值距离小于第二绝对值距离，则确定超宽带标签的经纬度二维坐标为第一交点的经纬度二维坐标；反之，第二绝对值距离小于第一绝对值距离，则确定超宽带标签的经纬度二维坐标为第二交点的经纬度二维坐标。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过UWB定位标签接收到多个UWB基站发送来的信号强度、直线距离和高精度的UWB基站经纬度二维坐标，以这些信息进行联合解算，得到待定位点的精确经纬度二维坐标。本发明提出的系统成本低、便于现场操作，对于狭窄的隧道环境具有很好的适应性；所运用的方法直接得到经纬度二维坐标，不仅保证了定位的精度高，而且无需对坐标进一步转化，可以直接指导工程设计与施工。
附图说明
图1为本发明的一实施例中隧道内经纬度二维坐标构建系统的示意图；
图2为本发明的隧道内经纬度二维坐标构建方法的流程图；
图3为本发明的一实施例中隧道内经纬度二维坐标构建方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
一种隧道内经纬度二维坐标构建系统，包括若干个超宽带定位基站。
超宽带定位基站的数量为2n个，沿着隧道径向，以同一高度H，在隧道两侧墙壁上定间距的成对设置超宽带定位基站；优选地，隧道内的一侧墙壁上，相邻设置的两个超宽带定位基站的间距不大于5m。本优选实施例中，如图1所示，经纬度二维坐标构建系统包括8个超宽带定位基站，即图中S1至S8。
如图1，系统还包括一台移动式定位仪1；移动式定位仪1用于采集超宽带定位基站的信号并对所采集的信号进行计算得到移动式定位仪的经纬度二维坐标。
移动式定位仪1包括：一个超宽带标签、单片机；超宽带标签的输出串口与单片机的输入串口连接。
超宽带标签安装在移动式定位仪内部，用于接收多个超宽带定位基站的信号，并向单片机发送输出数据序列。
单片机用于根据超宽带标签的输出数据序列，计算确定超宽带标签的经纬度二维坐标，并以超宽带标签的经纬度二维坐标作为移动式定位仪的经纬度二维坐标。
如图2，一种隧道内经纬度二维坐标构建方法包括：
步骤1，逐个确定隧道内2n个超宽带定位基站的经纬度二维坐标，并编译基站的坐标数据序列。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，根据隧道径向经纬度二维坐标逐个确定隧道内确定2n个超宽带定位基站的经纬度二维坐标；
步骤1.2，对各超宽带定位基站进行编码，每个基站获得唯一的ID编码；
步骤1.3，将基站的ID编码、基站的经纬度二维坐标一起编译为基站的坐标数据序列<ID(Si)，Lon(Si)，Lat(Si)>，其中，ID(Si)为第i个基站的ID编码，Lon(Si)为第i个基站的经度二维坐标，Lat(Si)为第i个基站的维度二维坐标，i＝1,2,…,2n。
本实施例中，第1基站S1的坐标数据序列为<ID(S1),Lon(S1),Lat(S1)>、第2基站S2的坐标数据序列为<ID(S2)，Lon(S2)，Lat(S2)>、第3基站S3的坐标数据序列为<ID(S3)，Lon(S3)，Lat(S3)>、第4基站S4的坐标数据序列为<ID(S4),Lon(S4),Lat(S4)>、第5基站S5的坐标数据序列为<ID(S5),Lon(S5),Lat(S5)>、第6基站S6的坐标数据序列为<ID(S6),Lon(S6),Lat(S6)>、第7基站S7的坐标数据序列为<ID(S7),Lon(S7)，Lon(S7)>、第8基站S8的坐标数据序列为<ID(S8),Lon(S8),Lat(S8)>。
步骤2，超宽带标签接收在信号接收范围区域之内的所有基站发送过来的信号，再由单片机采集超宽带标签的输出数据序列。
步骤2中，超宽带标签的输出数据序列<ID(Sj),RSSI(Sj),Distance(Sj)>包括：第j个基站的ID编号ID(Sj)，第j个基站的信号强度RSSI(Sj)，超宽带标签与第j个基站的直线距离Distance(Sj)，其中，j∈[k1,k2]，[k1,k2]代表超宽带标签的信号接收范围区域。
步骤3，对输出数据序列降序排列，并提取排序前三位的基站的经纬度二维坐标。
优选地，步骤3中，基于基站的信号强度，对多个输出数据序列进行降序排序；提取排在前三位的第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列。
本优选实施例中，第一位输出数据序列<ID(S5),RSSI(S5),Distance(S5)>、第二位输出数据序列<ID(S6),RSSI(S6),Distance(S6)>、第三位输出数据序列<ID(S3),RSSI(S3),Distance(S3)>。
步骤4，利用排序前两位的基站的经纬度二维坐标构建两个虚拟圆，并且分别计算两个虚拟圆的第一交点的经纬度二维坐标和第二交点的经纬度二维坐标。
优选地，步骤4包括：
步骤4.1，根据第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列中的基站ID编码，分别从对应基站的坐标数据序列中提取得到第一位基站的经纬度二维坐标Lon(S5)和Lat(S5)、第二位基站的经纬度二维坐标Lon(S6)和Lat(S6)、第三位基站的经纬度二维坐标Lon(S3)和Lat(S3)；
步骤4.2，根据第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列中的基站ID编码，分别从对应基站的坐标数据序列中提取得到超宽带标签与第一位基站S5的第一直线距离Distance(S5)、超宽带标签与第二位基站S6的第二直线距离Distance(S6)、超宽带标签与第三位基站S3的第三直线距离Distance(S3)；
步骤4.3，以第一位基站的经纬度二维坐标Lon(S5)和Lat(S5)为圆心、第一直线距离Distance(S5)为半径构建第一虚拟圆；以第二位基站的经纬度二维坐标Lon(S6)和Lat(S6)为圆心、第二直线距离Distance(S6)为半径构建第二虚拟圆；
步骤4.4，计算第一虚拟圆与第二虚拟圆的第一交点PA和第二交点PB的经纬度二维坐标。
步骤5，判断排序第三位的基站与第一交点、标签之间的距离差值的绝对值为第一绝对值距离，和排序第三位的基站与第二交点、标签之间的距离差值的绝对值为第二绝对值距离的大小，以较小的绝对值距离对应的交点的经纬度二维坐标作为标签的经纬度二维坐标。
优选地，如图3，步骤5包括：
步骤5.1，计算第三位基站S3与第一交点PA之间的第四直线距离Distance(S3,PA)、第三位基站S3与第二交点PB之间的第五直线距离Distance(S3，PB)；
步骤5.2，通过计算第四直线距离Distance(S3，PA)与第三直线距离Distance(S3)的差值的绝对值，得到第一绝对值距离；通过计算第五直线距离Distance(S3，PB)与第三直线距离Distance(S3)的差值的绝对值，得到第二绝对值距离；
步骤5.3，判断第一绝对值距离与第二绝对值距离的大小：
若|Distance(S3,PA)-Distance(S3)|<|Distance(S3,PB)-Distance(S3)|，则确定超宽带标签的经纬度二维坐标为第一交点PA的经纬度二维坐标；
若|Distance(S3,PA)-Distance(S3)|<|Distance(S3,PB)-Distance(S3)|则确定超宽带标签的经纬度二维坐标为第二交点PB的经纬度二维坐标。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过UWB定位标签接收到多个UWB基站发送来的信号强度、直线距离和高精度的UWB基站经纬度二维坐标，以这些信息进行联合解算，得到待定位点的精确经纬度二维坐标。本发明提出的系统成本低、便于现场操作，对于狭窄的隧道环境具有很好的适应性；所运用的方法直接得到经纬度二维坐标，不仅保证了定位的精度高，而且无需对坐标进一步转化，可以直接指导工程设计与施工。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道内经纬度二维坐标构建系统，所述系统包括若干个超宽带定位基站，其特征在于，
所述超宽带定位基站的数量为2n个，沿着隧道径向，以同一高度H，在隧道两侧墙壁上定间距的成对设置超宽带定位基站；
所述系统还包括1台移动式定位仪；所述移动式定位仪用于采集超宽带定位基站的信号并对所采集的信号进行计算得到移动式定位仪的经纬度二维坐标。
2.根据权利要求1所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建系统，其特征在于，
所述移动式定位仪包括：1个超宽带标签、单片机；所述超宽带标签的输出串口与所述单片机的输入串口连接；
所述超宽带标签安装在移动式定位仪内部，用于接收多个超宽带定位基站的信号，并向所述单片机发送输出数据序列；
所述单片机用于根据超宽带标签的输出数据序列，计算确定超宽带标签的经纬度二维坐标，并以超宽带标签的经纬度二维坐标作为移动式定位仪的经纬度二维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建系统，其特征在于，
所述隧道内的一侧墙壁上，相邻设置的两个超宽带定位基站的间距不大于5m。
4.利用权利要求1至3任一项所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建系统而实现的一种隧道内经纬度二维坐标构建方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，逐个确定隧道内2n个超宽带定位基站的经纬度二维坐标，并编译基站的坐标数据序列；
步骤2，超宽带标签接收在信号接收范围区域之内的所有基站发送过来的信号，再由单片机采集超宽带标签的输出数据序列；
步骤3，对输出数据序列降序排列，并提取排序前三位的基站的经纬度二维坐标；
步骤4，利用排序前两位的基站的经纬度二维坐标构建两个虚拟圆，并且分别计算两个虚拟圆的第一交点的经纬度二维坐标和第二交点的经纬度二维坐标；
步骤5，判断排序第三位的基站与第一交点、标签之间的距离差值的绝对值为第一绝对值距离，和排序第三位的基站与第二交点、标签之间的距离差值的绝对值为第二绝对值距离的大小，以较小的值对应的交点的经纬度二维坐标作为标签的经纬度二维坐标。
5.根据权利要求4所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建方法，其特征在于，
步骤1包括：
步骤1.1，根据隧道径向经纬度二维坐标逐个确定隧道内确定2n个超宽带定位基站的经纬度二维坐标；
步骤1.2，对各超宽带定位基站进行编码，每个基站获得唯一的ID编码；
步骤1.3，将基站的ID编码、基站的经纬度二维坐标一起编译为基站的坐标数据序列<ID(Si)，Lon(Si),Lat(Si)>，其中，ID(Si)为第i个基站的ID编码，Lon(Si)为第i个基站的经度二维坐标，Lat(Si)为第i个基站的维度二维坐标，i＝1,2,…,2n。
6.根据权利要求4所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建方法，其特征在于，
步骤2中，超宽带标签的输出数据序列<ID(Sj),RSSI(Sj),Distance(Sj)>包括：第j个基站的ID编号ID(Sj)，第j个基站的信号强度RSSI(Sj)，超宽带标签与第j个基站的直线距离Distance(Sj)，其中，j∈[k1,k2]，[k1,k2]代表超宽带标签的信号接收范围区域。
7.根据权利要求6所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建方法，其特征在于，
步骤3中，基于基站的信号强度，对多个输出数据序列进行降序排序；提取排在前三位的第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列。
8.根据权利要求7所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建方法，其特征在于，
步骤4包括：
步骤4.1，根据第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列中的基站ID编码，分别从对应基站的坐标数据序列中提取得到第一位基站的经纬度二维坐标、第二位基站的经纬度二维坐标和第三位基站的经纬度二维坐标；
步骤4.2，根据第一位输出数据序列、第二位输出数据序列和第三位输出数据序列中的基站ID编码，分别从对应基站的坐标数据序列中提取得到超宽带标签与第一位基站的第一直线距离、超宽带标签与第二位基站的第二直线距离、超宽带标签与第三位基站的第三直线距离；
步骤4.3，以第一位基站的经纬度二维坐标为圆心、第一直线距离为半径构建第一虚拟圆；以第二位基站的经纬度二维坐标为圆心、第二直线距离为半径构建第二虚拟圆；
步骤4.4，计算第一虚拟圆与第二虚拟圆的第一交点和第二交点的经纬度二维坐标。
9.根据权利要求8所述的一种隧道内经纬度二维坐标构建方法，其特征在于，
步骤5包括：
步骤5.1，计算第三位基站与第一交点之间的第四直线距离、第三位基站与第二交点之间的第五直线距离；
步骤5.2，通过计算第四直线距离与第三直线距离的差值的绝对值，得到第一绝对值距离；通过计算第五直线距离与第三直线距离的差值的绝对值，得到第二绝对值距离；
步骤5.3，若第一绝对值距离小于第二绝对值距离，则确定超宽带标签的经纬度二维坐标为第一交点的经纬度二维坐标；反之，第二绝对值距离小于第一绝对值距离，则确定超宽带标签的经纬度二维坐标为第二交点的经纬度二维坐标。
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