一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，包括步骤：一、设置定位基站和定位卡；二、定位卡向定位基站A和定位基站B发送距离检测信号；三、采用SDS‑TWR方法消除同步时延和计时误差后；四、采用基于新息阈值的卡尔曼滤波算法抑制巷道随机NLOS时延误差；五、计算经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的距离测量值；六、根据参数拟合的方法消除巷道固定NLOS时延误差带来的误差；七、采用几何算法对待定位目标的目标位置进行进一步估计。本发明专利技术方法步骤简单，实现方便，能够有效抑制巷道NLOS时延误差，能够有效提高矿井TOA定位精度，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

A mine TOA target location method for suppressing NLOS time delay error

The invention discloses a mine TOA target positioning method for restraining NLOS delay error, including steps: 1. setting up a positioning base station and a positioning card; 2. sending distance detection signals to positioning base station A and B; 3. using SDS TWR method to eliminate synchronization delay and time error; 4. adopting new information-based method; Threshold Kalman filter algorithm restrains random NLOS delay error of roadway; Fifth, calculates the distance measurement value after Kalman filter based on innovation threshold; Sixth, eliminates the error caused by fixed NLOS delay error of roadway according to parameter fitting method; Seventh, uses geometric algorithm to further locate the target position. Estimate. The method has the advantages of simple steps, convenient realization, effective suppression of NLOS delay error in roadway, effective improvement of TOA positioning accuracy in mine, strong practicability, good use effect and easy popularization and use.

【技术实现步骤摘要】
一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法
本专利技术属于矿井TOA定位
，具体涉及一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法。
技术介绍
我国煤矿90％以上是地下煤矿，且随着煤矿采区的不断扩大和作业巷井的不断加深，对井下作业人员和设备的监控管理日益困难，而现有煤矿井下人员定位系统不能满足事故应急救援、井下作业人员管理、煤矿物联网建设等定位精度的需求。因此，建设精确的煤矿井下人员定位系统是煤矿正常生产、调度、灾害救援等工作的迫切需求。目前，我国煤矿井下人员定位系统主要有区域定位技术和基于接收场强的RSS方法等，但在实际应用中都存在一定的问题。区域定位技术获取井下人员的位置信息是通过监测站对一定区域内的定位卡进行监测，但不能向监控室提供该工作人员在该区域的具体位置，定位精度非常有限；基于接收场强的RSS方法是利用电磁波传播的信道衰落模型，通过检测收发信号的场强损耗反推出信号传输的距离，通过计算得出相应的井下人员所在位置，但煤矿井下环境复杂，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，巷道损耗中值很难准确地描述巷道无线信道的损耗模型，会造成很大的定位误差，定位精度也非常有限。目前，可作为煤矿井下人员精确定位的另一种技术是基于信号到达时间的TOA方法，但煤矿井下存在着大量基建设施、生产设备和安全设备等固定设施，通信空间有限，又伴随着机车5行进、人员流动等不固定因素对无线信号的传输路径形成了干扰，同时又无法采用GPS时间同步方式，导致同步时延、计时误差等对TOA定位的精度影响无法忽略。为了解决这些问题，人们进行了大量研究，例如，申请号为201410605133.1的中国专利公开了一种一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，其方法降低了定位平均误差，定位精度有所提高，但是其优化后的TOA定位精度仍不能满足当前矿井井下目标定位的需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其方法步骤简单，实现方便，能够有效抑制巷道NLOS时延误差，能够有效提高矿井TOA定位精度，实用性强，使用效果好，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、在矿井井下巷道中均匀设置多个定位基站，在待定位目标上设置定位卡，且使相邻两个定位基站之间的距离相等；步骤二、定位卡按照时间间隔Δt分别向距离其最近的定位基站A和定位基站B发送距离检测信号；步骤三、t时刻，定位基站A采用SDS-TWR方法消除同步时延tsA和计时误差teA后，将电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tzA传输给定位服务器；定位基站B采用SDS-TWR方法消除同步时延tsB和计时误差teB后，将电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tzB传输给定位服务器；步骤四、定位服务器采用基于新息阈值的卡尔曼滤波算法对其接收到的电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tzA和电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tzB进行基于新息阈值的卡尔曼滤波，抑制巷道随机NLOS时延误差tNLOS，得到消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tTOA,A和消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tTOA,B；步骤五、定位服务器根据公式d1′＝ctTOA,A计算得到经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的定位卡和定位基站A之间的距离测量值d1′，并根据公式d2′＝ctTOA,B计算得到经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的定位卡和定位基站B之间的距离测量值d2′；其中，c为电磁信号在空气中的传播速度；步骤六、定位服务器根据参数拟合的方法消除距离测量值d1′和距离测量值d2′中由于巷道固定NLOS时延误差带来的误差，得到消除了巷道固定NLOS时延误差后的定位卡和定位基站A之间的距离测量值d1以及消除了巷道固定NLOS时延误差后的定位卡和定位基站B之间的距离测量值d2；步骤七、定位服务器采用几何算法对待定位目标的目标位置进行进一步估计，得到定位卡和定位基站A之间的距离以及定位卡和定位基站A之间的距离上述的一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于：步骤三中定位基站A采用SDS-TWR方法消除同步时延tsA和计时误差teA的具体方法为：首先，定位基站A将电磁波信号从定位卡向定位基站A传播时的传播时延记为T1A，反应时延记为T2A；将电磁波信号从定位基站A向定位卡传播时的传播时延记为T3A，反应时延记为T4A；然后，定位基站A根据公式计算得到电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tzA。上述的一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于：步骤三中定位基站B采用SDS-TWR方法消除同步时延tsB和计时误差teB的具体方法为：首先，定位基站B将电磁波信号从定位卡向定位基站B传播时的传播时延记为T1B，反应时延记为T2B；将电磁波信号从定位基站B向定位卡传播时的传播时延记为T3B，反应时延记为T4B；然后，定位基站B根据公式计算得到电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tzB。上述的一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于：步骤四中所述定位服务器采用基于新息阈值的卡尔曼滤波算法对其接收到的电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tzA和电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tzB进行基于新息阈值的卡尔曼滤波，抑制巷道随机NLOS时延误差tNLOS，得到消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tTOA,A和消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tTOA,B的具体过程为：步骤401、所述定位服务器根据公式(F1)进行状态预测公式(F1)中，为第k次状态预测状态变量的预测矩阵，Φ为第k次状态预测状态转移矩阵，为第k次的前一次状态预测状态变量的估计矩阵；步骤402、所述定位服务器根据公式(F2)确定第k次状态预测的预测误差公式(F2)中，为第k次状态预测的预测误差，为第k次的前一次状态预测的估计误差的协方差矩阵，Q为输入白噪声的协方差矩阵；步骤403、所述定位服务器根据公式(F3)确定测量矩阵Y(k)对应的新息值ε(k)；公式(F3)中，Y(k)＝HX(k)+V(k)，H为观测矩阵，V(k)为观测噪声，X(k)为第k次状态预测的状态变量；当对电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间tzA进行基于新息阈值的卡尔曼滤波时，X(k)＝[tzA,kt′zA,k]，tzA,k为第k次状态预测时电磁波信号在定位卡和定位基站A之间的传播时间的待估计值，t′zA,k为tzA,k的一阶导数；当对电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间tzB进行基于新息阈值的卡尔曼滤波时，X(k)＝[tzB,kt′zB,k]，tzB,k为第k次状态预测时电磁波信号在定位卡和定位基站B之间的传播时间的待估计值，t′zB,k为tzB,k的一阶导数；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、在矿井井下巷道中均匀设置多个定位基站(1)，在待定位目标上设置定位卡(2)，且使相邻两个定位基站之间的距离相等；步骤二、定位卡(2)按照时间间隔Δt分别向距离其最近的定位基站A和定位基站B发送距离检测信号；步骤三、t时刻，定位基站A采用SDS‑TWR方法消除同步时延tsA和计时误差teA后，将电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA传输给定位服务器(3)；定位基站B采用SDS‑TWR方法消除同步时延tsB和计时误差teB后，将电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tzB传输给定位服务器(3)；步骤四、定位服务器(3)采用基于新息阈值的卡尔曼滤波算法对其接收到的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA和电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tzB进行基于新息阈值的卡尔曼滤波，抑制巷道随机NLOS时延误差tNLOS，得到消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tTOA,A和消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tTOA,B；步骤五、定位服务器(3)根据公式d1′＝ctTOA,A计算得到经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的定位卡(2)和定位基站A之间的距离测量值d1′，并根据公式d2′＝ctTOA,B计算得到经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的定位卡(2)和定位基站B之间的距离测量值d2′；其中，c为电磁信号在空气中的传播速度；步骤六、定位服务器(3)根据参数拟合的方法消除距离测量值d1′和距离测量值d2′中由于巷道固定NLOS时延误差带来的误差，得到消除了巷道固定NLOS时延误差后的定位卡(2)和定位基站A之间的距离测量值d1以及消除了巷道固定NLOS时延误差后的定位卡(2)和定位基站B之间的距离测量值d2；步骤七、定位服务器(3)采用几何算法对待定位目标的目标位置进行进一步估计，得到定位卡(2)和定位基站A之间的距离...

【技术特征摘要】
1.一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、在矿井井下巷道中均匀设置多个定位基站(1)，在待定位目标上设置定位卡(2)，且使相邻两个定位基站之间的距离相等；步骤二、定位卡(2)按照时间间隔Δt分别向距离其最近的定位基站A和定位基站B发送距离检测信号；步骤三、t时刻，定位基站A采用SDS-TWR方法消除同步时延tsA和计时误差teA后，将电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA传输给定位服务器(3)；定位基站B采用SDS-TWR方法消除同步时延tsB和计时误差teB后，将电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tzB传输给定位服务器(3)；步骤四、定位服务器(3)采用基于新息阈值的卡尔曼滤波算法对其接收到的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA和电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tzB进行基于新息阈值的卡尔曼滤波，抑制巷道随机NLOS时延误差tNLOS，得到消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tTOA,A和消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tTOA,B；步骤五、定位服务器(3)根据公式d1′＝ctTOA,A计算得到经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的定位卡(2)和定位基站A之间的距离测量值d1′，并根据公式d2′＝ctTOA,B计算得到经基于新息阈值的卡尔曼滤波后的定位卡(2)和定位基站B之间的距离测量值d2′；其中，c为电磁信号在空气中的传播速度；步骤六、定位服务器(3)根据参数拟合的方法消除距离测量值d1′和距离测量值d2′中由于巷道固定NLOS时延误差带来的误差，得到消除了巷道固定NLOS时延误差后的定位卡(2)和定位基站A之间的距离测量值d1以及消除了巷道固定NLOS时延误差后的定位卡(2)和定位基站B之间的距离测量值d2；步骤七、定位服务器(3)采用几何算法对待定位目标的目标位置进行进一步估计，得到定位卡(2)和定位基站A之间的距离以及定位卡(2)和定位基站A之间的距离2.按照权利要求1所述的一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于：步骤三中定位基站A采用SDS-TWR方法消除同步时延tsA和计时误差teA的具体方法为：首先，定位基站A将电磁波信号从定位卡(2)向定位基站A传播时的传播时延记为T1A，反应时延记为T2A；将电磁波信号从定位基站A向定位卡(2)传播时的传播时延记为T3A，反应时延记为T4A；然后，定位基站A根据公式计算得到电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA。3.按照权利要求1所述的一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于：步骤三中定位基站B采用SDS-TWR方法消除同步时延tsB和计时误差teB的具体方法为：首先，定位基站B将电磁波信号从定位卡(2)向定位基站B传播时的传播时延记为T1B，反应时延记为T2B；将电磁波信号从定位基站B向定位卡(2)传播时的传播时延记为T3B，反应时延记为T4B；然后，定位基站B根据公式计算得到电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tzB。4.按照权利要求1所述的一种抑制NLOS时延误差的矿井TOA目标定位方法，其特征在于：步骤四中所述定位服务器(3)采用基于新息阈值的卡尔曼滤波算法对其接收到的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA和电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tzB进行基于新息阈值的卡尔曼滤波，抑制巷道随机NLOS时延误差tNLOS，得到消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tTOA,A和消除了巷道随机NLOS时延误差tNLOS后的电磁波信号在定位卡(2)和定位基站B之间的传播时间tTOA,B的具体过程为：步骤401、所述定位服务器(3)根据公式(F1)进行状态预测公式(F1)中，为第k次状态预测状态变量的预测矩阵，Φ为第k次状态预测状态转移矩阵，为第k次的前一次状态预测状态变量的估计矩阵；步骤402、所述定位服务器(3)根据公式(F2)确定第k次状态预测的预测误差公式(F2)中，为第k次状态预测的预测误差，为第k次的前一次状态预测的估计误差的协方差矩阵，Q为输入白噪声的协方差矩阵；步骤403、所述定位服务器(3)根据公式(F3)确定测量矩阵Y(k)对应的新息值ε(k)；公式(F3)中，Y(k)＝HX(k)+V(k)，H为观测矩阵，V(k)为观测噪声，X(k)为第k次状态预测的状态变量；当对电磁波信号在定位卡(2)和定位基站A之间的传播时间tzA进行基于新息阈值的卡尔曼滤波时，X(k)＝[tzA,...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵小强，李康乐，陈熙，吕植超，朱华，王涛，何亮，周科，赵轩，聂馨超，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61