CN113965886A - 基于uwb井下高精度人员定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB井下高精度人员定位方法，包括定位标签和若干个定位基站，若干个定位基站沿巷道长度方向间隔铺设，定位基站基于定向天线进行定位，定位基站进行时隙的划分、分配、回收和记录，时隙包括通信时隙和备用的注册时隙，定位标签在第一次进入定位基站信号覆盖的区域或重新上电后需要先监听定位基站发出的时隙参数信息，确认此定位基站是否有空闲的通信时隙可利用，如有空闲的通信时隙，定位标签选择一个空闲的通信时隙向定位基站发起注册请求，如无空闲的通信时隙，定位标签选择一个注册时隙向定位基站发起注册请求，本发明具有定位精度高、减少通信碰撞和干扰、定位标签和定位基站时隙同步，适用于隧道、管廊使用等优点。

Description

基于UWB井下高精度人员定位方法

技术领域

本发明涉及矿山设备技术领域，具体的说是一种基于UWB井下高精度人员定位方法。

背景技术

由于煤矿井下特殊的地理环境，一旦发生事故，救援人员往往难以了解井下的实际情况和被困人员的准确位置，使得抢险工作异常困难，为了能够实时了解井下工作人员的位置状态或者设备的位置状态，需要对井下人员位置或设备位置进行定位，但传统的定位技术如WIFI、4G基站、蓝牙等这类技术的定位精度普遍不高。

基于超带宽UWB无线通信的精确测距和定位技术，由于具有结构简单、成本低、体积小、功耗低、多径分辨率高、抗噪声和抗干扰能力强等优势现已成为井下定位的研究重点。

经检索，CN2019113859181公开了一种UWB超宽带无线通信的矿井下机车测距定位方法及系统，在机车上设置有UWB标签，在测距区域中，向通信基站发送查询数据包，并获取通信基站下发的测距参数，在测距时隙内向测距基站发送测距数据包，得到UWB标签与测距基站的测距距离。

此种结构存在的不足之处为：一是想要实现测距，一个测距区域中至少需要设置两个测距基站和一个通信基站，通信基站为不同UWB标签分配测距时隙和测距等待时延，不同UWB标签再根据测距参数的不同分别向两个测距基站发送测距数据包，得到UWB标签与两个测距基站的距离，通过两个测距基站来解决测距和定位问题，增加了设备成本，测距数据计算的复杂度高；二是通信基站为不同UWB标签分配不同的测距时隙，不同的UWB标签根据测距参数的不同向测距基站发起测距的时间不同，当需要对多定位卡进行测距时，时隙的分配容易影响已经在测距的定位标签，且定位卡与测距基站及两个测距基站的时隙不同步，容易出现偏差，存在通信碰撞和干扰，测距结果的准确性不高。

经检索，CN2019105554124公开了一种基于UWB技术的室内定位方法，采用时分复用技术，通过设置参考基站统一管理和分配定位标签的时隙，采用位图算法标记时隙占用情况，并快速查找空闲时隙，采用最久未使用淘汰算法回收时隙，找出一定时间内最久未使用的时隙，并将最久未使用的时隙分配给定位标签。

此种结构存在的不足之处为：采用最久未使用淘汰算法，回收一段时间内最久未使用的时隙，当测距区域内定位卡数量多，且多个定位卡同时或间隔时间很短进入测距区域，此种算法在一段时间内无法快速给多个定位卡均分配时隙，导致定位卡测距请求等待时间长。

经检索，CN2020111420172公开了一种基于UWB技术DS-TWR的井下精确定位方位判定方法及系统，标签与全向定位天线A进行双边双向测距，全向定位天线A将标签相对A天线的距离发送给定位基站，全向定位天线B通过监听标签和全向定位天线B所绑定的全向定位天线A之间的无线数据，计算出标签的方位后将标签的方位发送给定位基站，定位基站依据标签的距离和方位来定位该标签相对该定位基站的位置信息，并将标签相对定位基站的位置信息上报给地面服务器，地面服务器根据该定位基站的绝对位置以及标签相对定位基站的位置定位标签的绝对位置。

此种结构存在的不足之处为：一是全向定位天线的定位范围是个圆形区域，在狭窄、长且弯曲的巷道或隧道内定位不方便且不适用；二是需要全向定位天线A与全向定位天线B配合才能实现测距，定位基站依据标签的距离和方位来计算出定位标签相对定位基站的位置，定位成本高且数据测算过程复杂。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种基于UWB井下高精度人员定位方法，定位精度高、减少通信碰撞和干扰、定位标签和定位基站时隙同步，适用于隧道、管廊使用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：包括定位标签和若干个定位基站，若干个定位基站沿巷道长度方向间隔铺设，所述定位基站基于定向天线进行定位，所述定位标签与定位基站进行通信；

所述定位标签、定位基站分别有自身的ID号，当定位标签移动至两个定位基站均能覆盖的区域内，所述定位标签通过识别定位基站的ID号而只能与其中的一个定位基站匹配通信；

所述定位基站采用TDMA时分复用技术，设定一个通信周期T，将通信周期T划分为若干个时隙，所述定位基站进行时隙的划分、分配、回收和记录，所述时隙包括通信时隙和备用的注册时隙；

所述定位基站设有时钟计数器，通过时钟计数器的脉冲计数来区分不同的时隙并判断目前定位基站与定位标签所处的时隙，所述定位基站发送自己的时隙参数与定位标签校时，使定位标签与定位基站时间同步；

定位过程如下：

步骤S1：定位标签第一次进入定位基站覆盖的区域或重新上电后，首先监听定位基站的时隙参数信息，当监听到有数据时，此时定位基站发出的时隙参数信息中带有定位基站的ID号、时隙的使用情况（时隙处于空闲或占用），同时定位基站通过时钟计数器将定位标签与定位基站时间同步；

步骤S2：当定位标签监听到定位基站发出的时隙参数信息中有空闲的通信时隙可利用时，定位标签选择一个空闲的通信时隙发起注册请求，如无空闲的通信时隙或定位标签未监听到定位基站数据而无法获取时隙时，定位标签选择一个注册时隙向定位基站发起注册请求，定位基站收到定位标签发送的注册请求后进行应答，并重新给定位标签分配空闲的通信时隙，将分配的时隙信息、定位基站的ID号也返回给定位标签，并完成定位标签与定位基站之间的测距；

步骤S3：定位标签注册完成并测距后，在此定位基站覆盖区域范围内，间隔固定的时间周期，定位标签使用定位基站分配的通信时隙向定位基站发送测距请求，定位基站收到定位标签发送的测距请求后进行应答，并完成定位标签与定位基站之间的测距；

一个定位标签只与其中一个定位基站通信，对其他的定位基站无依赖性，定位标签发送的数据、定位基站返回的数据中均包含定位基站的ID信息，当定位标签移动至两个定位基站信号均可覆盖的区域内，使定位标签只能与其中一个ID信息相匹配的定位基站进行通信，可避免通信冲突，确保定位的精确度高，且定位基站采用定向天线，定向天线的方向确定，便于在狭窄、长且曲折的巷道中进行定位，将时隙划分为注册时隙和通信时隙，预留注册时隙备用，可以极大地避免通信碰撞，通过时钟计数器记录时隙并使定位基站与定位标签时间同步，防止定位基站与定位标签的时隙产生偏差，定位标签在进入到一个定位基站的覆盖区域时或重新上电后均需要发起注册与相应的定位基站进行匹配，且注册前需要监听定位基站的数据，确认定位基站是否有空闲时隙，以确保不同的定位标签使用不同的时隙，防止通信碰撞。

本发明所述定位标签发起注册请求时，定位标签发送的数据中包含一个定位基站的ID号，且此ID号与实际使用的所有定位基站的ID号均不同，定位基站收到定位标签发送的数据后可判断出定位标签发送的是注册请求，并重新给定位标签分配空闲的通信时隙，定位标签发送的数据信息中定位基站的ID号为一个指定的ID号，与实际排布的定位基站的ID号均不同，可确认为定位标签为第一次进入定位基站的覆盖区域，定位基站将自己的ID信息发送给定位标签，来实现定位标签与定位基站的匹配。

本发明所述定位标签发起测距请求时，定位标签发送的数据中会指定具体定位基站的ID号，定位基站收到定位标签发送的数据时先确定定位标签发送的定位基站ID号与自身的ID号是否相同，如相同则进行应答，如不同则不会进行响应，当定位标签位置处于两个定位基站均可覆盖的区域范围内时，定位标签只会和其中一个定位基站通信，避免发生冲突。

本发明所述定位基站接收到定位标签发起的注册请求、测距请求后回复应答时，所述定位基站发送自己的时隙参数与定位标签校时，定位基站每次应答时进行校时，可以极大的防止定位基站与定位标签的时隙产生偏差。

本发明当定位标签进入到下一个定位基站覆盖的区域，需要重新发起注册请求，以便于和新的定位基站建立通信。

本发明所述通信时隙的分配优先使用不相邻的通信时隙，利用间隔的通信时隙充当隔离带，当定位标签数量少、时隙充足时，定位基站给定位标签分配不相邻的的通信时隙，当定位标签数量较多时分配相邻的通信时隙，进一步防止通信碰撞。

本发明所述定位基站在每次与定位标签通信时会记录下当前时间，间隔固定的时间会判断在此时隙内定位基站与定位标签是否有数据通信，当超过设定的时间检测定位基站与定位标签之间没有通信时，会收回此定位标签当前使用的时隙使用权，以确保定位标签不在此定位基站的覆盖区域内，可及时的收回时隙，确保新进入此区域的定位标签有空闲时隙可分配。

本发明所述定位标签与定位基站之间采用DS-TWR双边双向测距算法进行测距计算，即定位标签发起请求，定位基站接收并应答，定位标签再次发起响应，所述定位基站进行测距计算工作，有利于降低标签的功耗。

本发明所述定位标签仅在需测距时工作，其他时间休眠，能够有效降低定位标签的功耗。

本发明所述定位标签采用空闲的通信时隙向定位基站发起注册请求时，如果注册多次均失败选择使用注册时隙向定位基站发起注册请求。

本发明的有益效果为：一个定位标签只与其中一个定位基站通信，对其他的定位基站无依赖性，定位标签发送的数据、定位基站返回的数据中均包含定位基站的ID信息，当定位标签移动至两个定位基站信号均可覆盖的区域内，使定位标签只能与其中一个ID信息相匹配的定位基站进行通信，可避免通信冲突，确保定位的精确度高，且定位基站采用定向天线，定向天线的方向确定，便于在狭窄、长且曲折的巷道中进行定位；将时隙划分为注册时隙和通信时隙，预留注册时隙备用，可以极大地避免通信碰撞；通过时钟计数器记录时隙并使定位基站与定位标签时间同步，防止定位基站与定位标签的时隙产生偏差；定位标签在进入到一个定位基站的覆盖区域时或重新上电后均需要发起注册与相应的定位基站进行匹配，且注册前需要监听定位基站的数据，确认定位基站是否有空闲时隙，以确保不同的定位标签使用不同的时隙，防止通信碰撞。

附图说明

图1为本发明定位标签工作流程图。

图2为本发明定位基站工作流程图。

图3为本发明DS-TWR双边双向测距算法示意图。

图4为本发明中图3中测距算法中飞行时间的计算公式。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

基于UWB井下高精度人员定位方法适用于隧道或巷道的一维定位。

一种基于UWB井下高精度人员定位方法，包括定位标签和若干个定位基站，若干个定位基站沿巷道长度方向间隔铺设，所述定位基站基于定向天线进行定位；

所述定位标签、定位基站分别有自身的ID号，所述定位标签向定位基站发送的数据中会包含一个定位基站的ID号，所述定位基站在回复的数据中也包含自身的ID号，当定位标签移动至两个定位基站均能覆盖的区域内，所述定位标签通过识别定位基站的ID号而只能与其中的一个定位基站匹配通信；

所述定位基站采用TDMA时分复用技术，设定一个通信周期T，将通信周期T划分为若干个时隙，所述定位基站进行时隙的划分、分配、回收和记录；

所述时隙包括通信时隙和备用的注册时隙；

所述定位基站设有时钟计数器，通过时钟计数器的脉冲计数来区分不同的时隙并判断目前定位基站与定位标签所处的时隙，所述定位基站实时发送自己的时隙参数与定位标签校时，使定位标签与定位基站时间同步；

定位过程如下：

步骤S1：定位标签第一次进入定位基站覆盖的区域或重新上电后，首先监听定位基站的时隙参数信息，当监听到有数据时，此时定位基站发出的时隙参数信息中带有定位基站的ID号、时隙的使用情况（时隙处于空闲或占用），同时定位基站通过时钟计数器将定位标签与定位基站时间同步；

步骤S2：当定位标签监听到定位基站发出的时隙参数信息中有空闲的通信时隙可利用时，定位标签选择一个空闲的通信时隙发起注册请求，如无空闲的通信时隙或定位标签未监听到定位基站数据而无法获取时隙时，定位标签选择一个注册时隙向定位基站发起注册请求，定位基站收到定位标签发送的注册请求后进行应答，并重新给定位标签分配空闲的通信时隙，将分配的时隙信息、定位基站的ID号也返回给定位标签，同时定位基站通过时钟计数器与此定位标签进行时间同步，并完成定位标签与定位基站之间的测距；

步骤S3：定位标签注册完成并测距后，在此定位基站覆盖区域范围内，间隔固定的时间周期，定位标签使用定位基站分配的通信时隙向定位基站发送测距请求，定位基站收到定位标签发送的测距请求后进行应答，同时定位基站通过时钟计数器与此定位标签进行时间同步，并完成定位标签与定位基站之间的测距；

一个定位标签只与其中一个定位基站通信，对其他的定位基站无依赖性，定位标签发送的数据、定位基站返回的数据中均包含定位基站的ID信息，当定位标签移动至两个定位基站信号均可覆盖的区域内，使定位标签只能与其中一个ID信息相匹配的定位基站进行通信，可避免通信冲突，确保定位的精确度高，且定位基站采用定向天线，定向天线的方向确定，便于在狭窄、长且曲折的巷道中进行定位，将时隙划分为注册时隙和通信时隙，预留注册时隙备用可以极大地避免通信碰撞，通过时钟计数器记录时隙并使定位基站与定位标签时间同步，防止定位基站与定位标签的时隙产生偏差，定位标签在进入到一个定位基站的覆盖区域时或重新上电后均需要发起注册与相应的定位基站进行匹配，且注册前需要监听定位基站的数据，确认定位基站是否有空闲时隙，以确保不同的定位标签使用不同的时隙，防止通信碰撞。

所述定位标签发起注册请求时，定位标签发送的数据中包含的定位基站的ID号与实际使用的所有定位基站的ID号不同，定位基站收到定位标签发送的数据后可判断出定位标签发送的是注册请求，定位基站重新给定位标签分配空闲的通信时隙，并将分配的时隙信息、定位基站的ID号也返回给定位标签，同时发送自己的时隙参数与定位标签校时，当定位标签进入到下一个定位基站覆盖的区域需要重新发起注册请求。当定位标签进入到下一个定位基站覆盖的区域需要重新发起注册请求，定位标签发送的数据信息中定位基站的ID号为一个指定的ID号，与实际排布的定位基站的ID号均不同，可确认为定位标签为第一次进入定位基站的覆盖区域，定位基站将自己的ID信息发送给定位标签，来实现定位标签与定位基站的匹配。

所述定位标签发起测距请求时，定位标签使用的是定位基站分配的通信时隙，在此通信时隙发送数据，发送的数据中会指定具体定位基站的ID号，定位基站收到定位标签发送的数据时先确定定位标签发送的定位基站ID号与自身的ID号是否相同，如相同则进行应答，同时定位基站发送自己的时隙参数与定位标签校时，如不同则不会进行响应，当定位标签位置处于两个定位基站均可覆盖的区域范围内时，定位标签只会和其中一个定位基站通信，避免发生冲突。

此实施例中定位标签第一次进入定位基站的覆盖区域或重新上电后，发送的数据中设定定位基站的ID号每一位均为0，（例如000000000000，实际使用的定位基站ID号不会每一位都是0），当此区域的定位基站接收到定位标签发送的数据，判断定位标签未注册，将定位基站自身的ID号返回给定位标签，定位标签即可指定定位基站，下次通信时，定位标签发送的数据中包含定位基站的ID号。

此实施例中还存在通信失败的情况，例如定位标签从其中一个定位基站的覆盖区域移动至另一个定位基站的覆盖区域时，定位标签无法与上一个定位基站建立通信，或正常通信过程中出现干扰或标签异常等情况，当定位标签从其中一个定位基站的覆盖区域移动至另一个定位基站的覆盖区域或重新上电导致的通信失败时，定位标签重新发起注册请求，通信干扰或标签异常导致的通信失败，无需重新发起注册请求，等待一个通信周期，当到达下个通信周期中对应的通信时隙时，定位标签重新发起测距请求即可。

所述注册时隙只在定位标签发起注册时使用，当定位标签监听定位基站数据中通信时隙满或定位标签未监听到定位基站数据而无法获取时隙时，定位标签使用注册时隙向定位基站发起注册请求，预留注册时隙可以极大地避免通信碰撞，同时定位标签可以及时的与定位基站建立通讯。

所述定位基站接收到定位标签发起的注册请求、测距请求后回复应答时，所述定位基站通过时钟计数器与定位标签进行时间同步，定位基站每次应答时进行校时，可以极大的防止定位基站与定位标签的时隙产生偏差。

时隙的划分通过设定一个通信周期T，将T划分为n个时隙，T1、T2…Tn，根据现场定位标签数量的使用情况进行时隙划分，此实施例中将一个通信周期T划分为84个时隙，其中T1、T2…T80为通信时隙，T81、T82、T83、T84为注册时隙，当定位标签进入定位基站覆盖范围后先监听定位基站的数据，确认是否有空闲的通信时隙，如有空闲的通信时隙，定位标签选择一个空闲的通信时隙向定位基站发起注册请求，如果监听到定位基站没有空闲的通信时隙或定位标签未监听到定位基站数据而无法获取时隙时，定位标签自主选择一个注册时隙向定位基站发起注册请求。

此实施例中每个定位标签都由程序编译了不同的地址，定位标签先监听定位基站的数据，确认空闲的时隙，例如此时监听到定位基站T4、T8、T12、T18时隙处于空闲的状态，当此时有定位标签1、定位标签2、定位标签3需要向定位基站发起注册请求时，定位标签1、定位标签2、定位标签3采用地址取余数算法算出不同的数值，来使三个定位标签能够使用不同的空闲时隙向定位基站发起注册请求，定位标签1在T4通信时隙发起注册请求，定位标签2在T8通信时隙发起注册请求，定位标签3在T12通信时隙发起注册请求，防止不同的定位标签选择了相同的空闲时隙，容易造成通信冲突。

当定位标签采用空闲的通信时隙向定位基站发起注册请求，如果注册多次均失败就选择使用注册时隙向定位基站发起注册请求，再等待定位基站分配空闲的通信时隙。

所述通信时隙的分配优先使用不相邻的通信时隙，利用间隔的通信时隙充当隔离带，当定位标签数量少、时隙充足时，定位基站给定位标签分配不相邻的的通信时隙，当定位标签数量较多时分配相邻的通信时隙，进一步防止通信碰撞。

例如定位标签1使用T1时隙，定位标签2使用T5时隙，定位标签3使用T9时隙，依次类推，以防止通信碰撞，当定位标签较多，通信时隙不足时，对定位标签依次分配通信时隙。

定位标签向定位基站发起注册请求后（不论是采用空闲的通信时隙还是注册时隙），定位基站接收应答后需要重新给定位标签分配空闲的通信时隙，通信时隙的分配按照优先使用不相邻的通信时隙原则。

所述定位基站在每次与定位标签通信时会记录下当前时间，间隔固定的时间会判断在此时隙内定位基站与定位标签是否有数据通信，当超过设定的时间检测定位基站与定位标签之间没有通信时，会收回此定位标签当前使用的时隙使用权，以确保定位标签不在此定位基站的覆盖区域内，可及时的收回时隙，确保新进入此区域的定位标签有空闲时隙可分配。

此实施例中每隔20S检测定位标签与定位基站是否有通信，如果没有，会认为定位标签已经移动到下一定位基站的覆盖区域了，如果间隔40S仍没有通信，定位基站将此定位标签使用的时隙收回来，变为空闲时隙。

所述定位标签与定位基站之间采用DS-TWR双边双向测距算法进行测距计算。

DS-TWR双边双向测距算法采用三条消息的双边测距，由定位标签发起POLL消息，由定位基站实现RESP，最后由定位标签发起FINA，数据汇总到定位基站上，由定位基站根据公式实现飞行时间的计算。

附图3中DEVICE A指的是定位标签，DEVICE B指的是定位基站，Treply1为定位基站响应测距并返回消息处理时延，Tround1为定位标签收到响应消息后计算出消息的往返时延，Treply2为定位标签响应测距并返回消息处理时延，Tround2为定位基站收到响应消息后计算出消息的往返时延。飞行时间的计算公式参见附图4，然后根据光速计算出飞行距离，得到定位标签和定位基站之间的距离。

所述定位基站进行测距计算工作，有利于降低标签的功耗。定位基站测距计算完成后将数据通过无线上传至上层服务器。

所述定位标签仅在需测距时工作，其他时间休眠，能够有效降低定位标签的功耗。此实施例中定位标签的唤醒和休眠时间是定位标签的定时器进行计算。

每个定位基站均有自己的时隙参数且相互独立。

所述定位标签、定位基站的ID均采用自身单片机所带的唯一ID号，以便于能够区分不同的定位标签和定位基站，防止混淆。

定位标签的工作流程为：

S1：定位标签第一次进入定位基站覆盖的区域或重新上电后，首先监听定位基站的时隙参数信息，当监听到有数据时，此时定位基站发出的时隙参数信息中带有定位基站的ID号、时隙的使用情况（时隙处于空闲或占用），同时定位基站通过时钟计数器将定位标签与定位基站时间同步；

S2-1：当定位标签监听到定位基站发出的时隙参数信息中有空闲的通信时隙时，定位标签先选择一个空闲的通信时隙发起注册请求（注册请求可以当做第一次定位标签发起的测距请求），此注册请求中包含一个每位都是0的ID号，定位基站接收到定位标签的注册请求后进行应答，按照优先使用不相邻时隙的原则将其中一个空闲的通信时隙分配给定位标签，同时定位基站通过时钟计数器与此定位标签进行时间同步，并将自身的ID号返回给定位标签，定位标签接收到定位基站的数据后再次发送响应，定位基站根据DS-TWR双边双向测距算法进行测距计算；

S2-2:当定位标签监听到定位基站发出的时隙参数信息中没有空闲的通信时隙或定位标签未监听到定位基站数据而无法获取时隙时，定位标签自主选择使用注册时隙向定位基站发起注册请求，此注册请求中包含一个每位都是0的ID号，定位基站接收到定位标签的注册请求后进行应答，按照优先使用不相邻时隙的原则将其中一个空闲的通信时隙分配给定位标签，同时定位基站通过时钟计数器与此定位标签进行时间同步，并将自身的ID号返回给定位标签，定位标签接收到定位基站的数据后再次发送响应，定位基站根据DS-TWR双边双向测距算法进行测距计算；

S3：当S2-1、S2-2步骤中定位标签接收到定位基站的数据后再次发送响应后，定位标签自带的定时器计算下次唤醒的时间间隔；

S4：当S2-1、S2-2步骤中定位标签选择在空闲的通信时隙或注册时隙发起注册请求后，没有定位基站应答，定位标签继续监听定位基站数据，跳转至步骤S1；

S5：当S3步骤完成后，定位标签进入休眠状态；

S6：间隔一定的时间后，定位标签被唤醒，再次启动测距，向定位基站发起测距请求，发起测距请求时定标标签使用的是定位基站分配的通信时隙，数据中包含指定定位基站的ID号，通信基站接收应答，应答的数据中包含自己的ID号，并同步更新时隙，定位标签再次发送响应进行距离测算，以此类推；

S7：当定位标签超出定位基站的覆盖区域，定位标签与此定位基站通讯失败，定位标签先监听此区域内是否有新的定位基站信息，当有新的定位基站的数据被监听到，时钟计数器同步此定位标签和定位基站时隙，定位标签重新发起注册请求，定位基站应答，定位标签再响应进行测距计算。

定位基站的工作流程：

S1：定位基站监听是否有定位标签发起请求；

S2-1：当监听到定位标签的数据，如定位标签发送的是测距请求（此时定位标签是已注册的状态），测距请求中包含此定位基站的ID号，定位基站进行应答，并同步时隙，定位标签再次响应；当定位基站未接收到定位标签的测距请求，定位基站继续监听定位标签的请求；

S2-2：当监听到定位标签的数据，如定位标签发起的是注册请求，定位基站查询空闲时隙，按照优先使用不相邻时隙的原则将空闲时隙分配给定位标签，发送应答数据，同时同步时隙，发送的数据中包含自身的ID号，定位标签接收到定位基站发送的信息，定位标签响应；

S3：当S2-1、S2-2步骤中定位基站发送应答后，定位标签给出回复响应，定位基站进行测距计算并将计算结果上传上层服务器，继续监听定位标签数据；

S4：当S2-1、S2-2步骤中定位基站发送应答后，定位标签未给出回复响应，此时定位基站继续监听定位标签的请求。

Claims (10)

1.一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：包括定位标签和若干个定位基站，若干个定位基站沿巷道长度方向间隔铺设，所述定位基站基于定向天线进行定位，所述定位标签与定位基站进行通信；

所述定位标签、定位基站分别有自身的ID号，当定位标签移动至两个定位基站均能覆盖的区域内，所述定位标签通过识别定位基站的ID号而只能与其中的一个定位基站匹配通信；

所述定位基站采用TDMA时分复用技术，设定一个通信周期T，将通信周期T划分为若干个时隙，所述定位基站进行时隙的划分、分配、回收和记录，所述时隙包括通信时隙和备用的注册时隙；

所述定位基站设有时钟计数器，通过时钟计数器的脉冲计数来区分不同的时隙并判断目前定位基站与定位标签所处的时隙，所述定位基站发送自己的时隙参数与定位标签校时，使定位标签与定位基站时间同步；

定位过程如下：

步骤S1：定位标签第一次进入定位基站覆盖的区域或重新上电后，首先监听定位基站的时隙参数信息，当监听到有数据时，此时定位基站发出的时隙参数信息中带有定位基站的ID号、时隙的使用情况（时隙处于空闲或占用），同时定位基站通过时钟计数器将定位标签与定位基站时间同步；

步骤S2：当定位标签监听到定位基站发出的时隙参数信息中有空闲的通信时隙可利用时，定位标签选择一个空闲的通信时隙发起注册请求，如无空闲的通信时隙或定位标签未监听到定位基站数据而无法获取时隙时，定位标签选择一个注册时隙向定位基站发起注册请求，定位基站收到定位标签发送的注册请求后进行应答，并重新给定位标签分配空闲的通信时隙，将分配的时隙信息、定位基站的ID号也返回给定位标签，并完成定位标签与定位基站之间的测距；

步骤S3：定位标签注册完成并测距后，在此定位基站覆盖区域范围内，间隔固定的时间周期，定位标签使用定位基站分配的通信时隙向定位基站发送测距请求，定位基站收到定位标签发送的测距请求后进行应答，并完成定位标签与定位基站之间的测距。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位标签发起注册请求时，定位标签发送的数据中包含一个定位基站的ID号，且此ID号与实际使用的所有定位基站的ID号均不同，定位基站收到定位标签发送的数据后可判断出定位标签发送的是注册请求，并重新给定位标签分配空闲的通信时隙。

3.根据权利要求2所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位标签发起测距请求时，定位标签发送的数据中会指定具体定位基站的ID号，定位基站收到定位标签发送的数据时先确定定位标签发送的定位基站ID号与自身的ID号是否相同，如相同则进行应答，如不同则不会进行响应，当定位标签位置处于两个定位基站均可覆盖的区域范围内时，定位标签只会和其中一个定位基站通信。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位基站接收到定位标签发起的注册请求、测距请求后回复应答时，所述定位基站发送自己的时隙参数与定位标签校时。

5.根据权利要求4所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：当定位标签进入到下一个定位基站覆盖的区域，需要重新发起注册请求。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述通信时隙的分配优先使用不相邻的通信时隙。

7.根据权利要求6所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位基站在每次与定位标签通信时会记录下当前时间，间隔固定的时间会判断在此时隙内定位基站与定位标签是否有数据通信，当超过设定的时间检测定位基站与定位标签之间没有通信时，会收回此定位标签当前使用的时隙使用权。

8.根据权利要求1或2或3或5或7所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位标签与定位基站之间采用DS-TWR双边双向测距算法进行测距计算，即定位标签发起请求，定位基站接收并应答，定位标签再次发起响应，所述定位基站进行测距计算工作。

9.根据权利要求8所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位标签仅在需测距时工作，其他时间休眠。

10.根据权利要求1或2或3或5或7或9所述的一种基于UWB井下高精度人员定位方法，其特征在于：所述定位标签采用空闲的通信时隙向定位基站发起注册请求时，如果注册多次均失败选择使用注册时隙向定位基站发起注册请求。

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