一种非专门节点辅助的矿井移动目标定位精度增强方法

摘要

一种非专门节点辅助的矿井移动目标定位精度增强方法，属于煤矿井下目标定位方法。该定位精度增强方法：分为两个阶段，在第一阶段，移动目标在巷道中行进过程中利用现有定位系统对其进行定位，得到初步定位结果lp(i)；在第二阶段，移动节点与通信范围内的其它类型感知节点即非专门节点通信，接收其发送的坐标sensor(n)及信号强度strength(n)，对得到的初始定位结果进行修正，求得移动目标的最终结果。本发明充分利用了井下现有的定位系统以及用于灾害或者设备感知的其它类型节点，不需要重新布置设备，部署简单，成本低廉，能够在尽量保证现有设备和体系的基础上尽可能增强定位精度，适合于矿井定位系统的无缝升级，特别是物联网体系结构下的定位系统升级。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下目标定位方法，尤其是一种非专门节点辅助的矿井移动目标 定位精度增强方法。

背景技术

煤矿井下环境复杂，设备众多，非视距和多径衰落等诸多不利因素给井下的目标定位 带来种种困难。但井下目标的精确定位又和煤矿的安全生产、灾患预警及灾后营救紧密相 连，因此提高目标的定位精度是建设井下人员定位系统的重中之重。

目前井下目标定位主要使用的是基于测距的算法，包括基于信号强度(RSSI)、信号 到达角(AOA)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)等方式，但这些算法在井下会 受到各种不同因素的影响，降低定位精度。由于煤矿环境的特殊性，井下的信号衰减模型 和地面上有很大区别，导致基于RSSI的定位算法精度不高，误差甚至达到几十米；而基 于信号到达角的算法需要高精度的角度测量，一旦角度测量不准，很可能导致定位结果与 实际坐标大相径庭；基于到达时间和时间差的算法需要高精度的时间同步算法的配合，而 测量时间的误差对定位结果的影响可谓差之毫厘谬以千里。在煤矿井下没有一种非常精确 的目标定位算法存在的情况下，对通过已有的定位算法计算得到的定位结果进行修正，成 为一种提高目标定位精度的有效方式。

当前，建设矿山物联网已是大势所趋。在矿山物联网架构下，需要部署海量不同类型 的传感节点，实现环境信息、灾害信息、设备健康信息的感知，如瓦斯监测传感器、顶板 压力传感器、设备震动传感器等。一般而言，这些传感器节点各司其职，专门从事各自的 信息感知与上报任务。实际上，这些传感器节点在向地面上报感知结果的过程，就是向周 围节点发送无线电信号的过程，移动目标携带的未知节点进入这些非专门定位的传感器节 点通信范围的时候，也能收到这些无线电信号。如果能够利用这些无线电信号作为辅助信 号，对现有定位系统的定位结果加以矫正，将为未知节点的定位精度的提升带来新的机会。 相对于定位系统而言，这些传感器节点并不是专门用于定位的，因此被称为非专门节点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要提供一种简单有效、使用灵活、充分利用井下非专门定 位节点设备资源的非专门节点辅助的矿井移动目标定位精度增强方法，在现有的定位系统 和设备的基础上，提高定位精度，解决现有的煤矿井下定位算法中存在的定位精度不高的 问题。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该定位精度增强方法：未知节点在巷道内行 进过程中，以时间t为周期广播移动无线电信号，现有定位系统对其进行定位，得到初步 结果lp(i)；随后，未知节点广播一条非专门节点搜索信息，用以搜索初步定位结果点附近 的非专门节点，广播的范围是未知节点通信半径内的巷道区域；处于通信范围的非专门节 点在收到搜索信息后，向未知节点发出一条无线电信息作为确认，该确认信息中包含了这 个非专门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息strength(n)；未知节点收到该确认信息后， 计算出非专门节点和未知节点之间的距离d_n，然后利用位置修正算法，求得未知节点的最 终定位结果p(i)；具体步骤如下：

(1)未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号；现有定位系统每 隔_t对未知节点定位一次，初步定位坐标点记为lp(i)；

(2)未知节点广播一条非专门节点搜索信息，用以搜索初步定位结果点附近的非专 门节点，广播的范围是未知节点通信半径内的巷道区域；处于通信范围的非专门节点在收 到搜索信息后，向未知节点发出一条无线电信息作为确认，该确认信息中包含了这个非专 门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息strength(n)；未知节点收到该确认信息后，计算 出非专门节点和未知节点之间的距离d_n，公式如下：

$P\left(d_n\right)=P\left(d_0\right)-10\beta \left(\frac{d_n}{d_0}\right)+\delta$

式中，P(d₀)是节点在d₀位置处的信号强度，P(d_n)的值即strength(n)，β为衰减因子， 由具体环境因素决定，δ为随机噪声；

(3)利用位置修正算法，求得未知节点经过位置修正后得到的坐标点p(i)；

所述的位置修正算法步骤如下：

a.计算全部非专门节点的加权质心ave，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n{x}_{\mathrm{sensor}\left(n\right)}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n}\\ y_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n{y}_{\mathrm{sensor}\left(n\right)}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n}\end{array}\right);$

式中w_n为d_n的倒数，N为非专门节点数目；

b.求加权质心ave和初步定位点lp(i)的初步修正点p'(i)，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{p^{,}\left(i\right)}=a{x}_{\mathrm{lp}\left(i\right)}+{\mathrm{bx}}_{\mathrm{ave}}\\ y_{p^{,}\left(i\right)}=a{y}_{\mathrm{lp}\left(i\right)}+b{y}_{\mathrm{ave}}\end{array}\right)$

式中a、b为权值因子并满足a+b＝1,0≤a≤1,0≤b≤1，可根据实际情况调整其数 值，寻求p'(i)的最优解；

c.过p'(i)作垂直巷道的直线，与巷道中线的交点即为最终修正点p(i)。

有益效果，由于采用了上述技术方案，本发明的非专门节点辅助的矿井移动目标定位 精度增强方法通过未知节点在巷道中行进，以时间t为周期广播移动无线电信号，使用现 有任意定位算法对其进行定位，得到初步结果lp(i)；随后，未知节点广播一条非专门节点 搜索信息，用以搜索初步定位结果点附近的非专门节点，广播的范围是未知节点通信半径 内的巷道区域；处于通信范围的非专门节点在收到搜索信息后，向未知节点发出一条无线 电信息作为确认，该确认信息中包含了这个非专门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息 strength(n)；未知节点收到该确认信息后，计算出非专门节点和未知节点间的距离d_n，然 后利用位置修正算法，求得未知节点的最终定位结果p(i)。利用移动节点与这些非专门定 位节点之间的简单通信，对现有定位系统的定位结果加以修正，从而最大限度的提高定位 精度。

优点：本发明充分利用了井下现有的定位系统以及用于灾害或者设备感知的其它类型 节点，不需要重新布置设备，部署简单，成本低廉，能够在尽量保证现有设备和体系的基 础上尽可能增强定位精度，适合于矿井定位系统的无缝升级，特别是物联网体系结构下的 定位系统升级。

附图说明：

图1是本发明的整体流程图。

图2是本发明的位置修正算法流程图。

图3是本发明的位置修正算法示意图。

图中，1、传感器节点；2、初步定位点；3、加权质心；4、初步修正点p'(i)；5、最 终修正点p(i)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述：

本发明的非专门节点辅助的矿井移动目标定位精度增强方法，该定位精度增强方法： 未知节点在巷道内行进过程中，以时间t为周期广播移动无线电信号，现有定位系统对其 进行定位，得到初步结果lp(i)；随后，未知节点广播一条非专门节点搜索信息，用以搜索 初步定位结果点附近的非专门节点，广播的范围是未知节点通信半径内的巷道区域；处于 通信范围的非专门节点在收到搜索信息后，向未知节点发出一条无线电信息作为确认，该 确认信息中包含了这个非专门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息strength(n)；未知节 点收到该确认信息后，计算出非专门节点和未知节点之间的距离d_n，然后利用位置修正算 法，求得未知节点的最终定位结果p(i)；具体步骤如下：

(1)未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号；现有定位系统每 隔_t对未知节点定位一次，初步定位坐标点记为lp(i)；

(2)未知节点广播一条非专门节点搜索信息，用以搜索初步定位结果点附近的非专 门节点，广播的范围是未知节点通信半径内的巷道区域；处于通信范围的非专门节点在收 到搜索信息后，向未知节点发出一条无线电信息作为确认，该确认信息中包含了这个非专 门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息strength(n)；未知节点收到该确认信息后，计算 出非专门节点和未知节点之间的距离d_n，公式如下：

$P\left(d_n\right)=P\left(d_0\right)-10\beta \left(\frac{d_n}{d_0}\right)+\delta$

式中，P(d₀)是节点在d₀位置处的信号强度，P(d_n)的值即strength(n)，β为衰减因子， 由具体环境因素决定，δ为随机噪声；

(3)利用位置修正方法，求得未知节点经过位置修正后得到的坐标点p(i)；

所述的位置修正算法步骤如下：

a.计算全部非专门节点的加权质心ave，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n{x}_{\mathrm{sensor}\left(n\right)}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n}\\ y_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n{y}_{\mathrm{sensor}\left(n\right)}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n}\end{array}\right);$

式中w_n为d_n的倒数，N为非专门节点数目；

b.求加权质心ave和初步定位点lp(i)的初步修正点p'(i)，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{p^{,}\left(i\right)}=a{x}_{\mathrm{lp}\left(i\right)}+{\mathrm{bx}}_{\mathrm{ave}}\\ y_{p^{,}\left(i\right)}=a{y}_{\mathrm{lp}\left(i\right)}+b{y}_{\mathrm{ave}}\end{array}\right)$

式中a、b为权值因子并满足a+b＝1,0≤a≤1,0≤b≤1，可根据实际情况调整其数 值，寻求p'(i)的最优解；

c.过p'(i)作垂直巷道的直线，与巷道中线的交点即为最终修正点p(i)。

实施例1：该定位精度增强方法：分为两个阶段，在第一阶段，移动目标在巷道中行 进过程中利用现有定位系统对其进行定位，得到初步定位结果lp(i)；在第二阶段，移动节 点与通信范围内的其它类型感知节点即非专门节点通信，接收其发送的坐标sensor(n)及信 号强度strength(n)，对得到的初始定位结果进行修正，求得移动目标的最终结果。

未知节点在巷道中行进，以时间t为周期广播移动无线电信号，现有定位系统对其进 行定位，得到初步结果lp(i)。随后，未知节点广播一条非专门节点搜索信息，用以搜索初 步定位结果点附近的非专门节点，广播的范围是未知节点通信半径内的巷道区域。处于通 信范围的非专门节点在收到搜索信息后，向未知节点发出一条无线电信息作为确认，该确 认信息中包含了这个非专门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息strength(n)。未知节点 收到该确认信息后，计算出非专门节点和未知节点之间的距离d_n，然后利用位置修正算法， 求得未知节点的最终定位结果p(i)。具体步骤如下：

(1)未知节点在巷道中行进，期间周期性的广播移动无线电信号。现有定位系统每 隔_t对未知节点定位一次，初步定位坐标点记为lp(i)；

(2)未知节点广播一条非专门节点搜索信息，用以搜索初步定位结果点附近的非专 门节点，广播的范围是未知节点通信半径内的巷道区域。处于通信范围的非专门节点在收 到搜索信息后，向未知节点发出一条无线电信息作为确认，该确认信息中包含了这个非专 门节点的坐标sensor(n)及信号强度信息strength(n)。未知节点收到该确认信息后，计算 出非专门节点和未知节点之间的距离d_n，公式如下：

$P\left(d_n\right)=P\left(d_0\right)-10\beta \left(\frac{d_n}{d_0}\right)+\delta$

式中，P(d₀)是非专门节点在d₀位置处的信号强度，P(d_n)的值即strength(n)，β为衰减 因子，由具体环境因素决定，δ为随机噪声。

(3)计算全部非专门节点的加权质心ave，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n{x}_{\mathrm{sensor}\left(n\right)}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n}\\ y_{\mathrm{ave}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n{y}_{\mathrm{sensor}\left(n\right)}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n}\end{array}\right);$

式中w_n为d_n的倒数，N为非专门节点数目；

(4)求加权质心ave和初步定位点lp(i)的初步修正点p'(i)，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{p^{,}\left(i\right)}=a{x}_{\mathrm{lp}\left(i\right)}+{\mathrm{bx}}_{\mathrm{ave}}\\ y_{p^{,}\left(i\right)}=a{y}_{\mathrm{lp}\left(i\right)}+b{y}_{\mathrm{ave}}\end{array}\right)$

式中a、b为权值因子并满足a+b＝1,0≤a≤1,0≤b≤1，可根据实际情况调整其数 值，寻求p'(i)的最优解。此处，可取a＝0.5,b＝0.5，则p'(i)为加权质心ave和初步定位 点lp(i)的中点。

(5)过p'(i)作垂直巷道的直线，与巷道中线的交点即为最终修正点p(i)，如图3所 示。