一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法，该方法利用了识别卡到达多个UWB定位器之间的到达时间差值TDOA，和识别卡到达一个UWB定位器的TOA值，结合TDOA和TOA的测量计算值，采用Chan算法得到移动点二维坐标。其中，本发明专利技术采用了基于Kalman滤波的无线时钟同步方法实现TDOA的计算，实现了亚纳秒级的时钟精度，通过增加对一个基站的TOA测距值，有效提高了煤矿井下二维长距离定位的精度，解决了井下单一TDOA定位算法精度不稳定问题；同时，本发明专利技术方法还可以大大降低系统的耦合度，提高系统稳定性。提高系统稳定性。提高系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法


[0001]本专利技术属于煤矿井下UWB无线定位
，涉及一种基于UWB技术的TDOA 与DS_TWR结合的井下二维定位方法。

技术介绍

[0002]现有技术问题如下：
[0003](1)一种基于ADS_TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法(专利CN 107948920A)，等间距布置基站，任意两个基站之间的距离小于定位覆盖半径，该专利实现二维定位问题在于：若获得识别卡的位置，需要识别卡与多个基站分别完成多次DS_TWR过程，占用空间时隙资源过多，系统容量和定位实时性差，可应用一维定位。
[0004](2)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(专利 CN111970760A)，采用了单基站(双天线)测距结构，该专利实现二维定位问题在于：使用该方法只能实现一维定位，无法实现井下二维或多为定位。
[0005](3)一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统(专利 CN106842175A)，采用了多基站测距结构，在实现TOA测距过程中，在通信的信息中插入无线时钟同步信息，其时钟同步的精度ms级别，其牺牲了时钟同步的精度，提升了系统的网络组建的易操作性。该专利实现二维定位问题在于：无线时钟同步的精度太差不能用于TDOA计算，其多维定位本质上还是使用DS_TWR 的改进形式，系统容量和定位实时性都较差。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的问题在于克服现有的煤矿井下精确人员定位技术中，二位或三维定位存在的问题，并提供一种适合井下环境的方法，可以提高系统定位精度，降低系统的耦合度，提高系统稳定性，提升系统容量和定位实时性。
[0007]本专利技术采用以下技术方案解决上述问题：
[0008]一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法，其特征在于在井下巷道中间隔安装UWB定位基站单元，被定位目标佩戴识别卡，UWB定位基站单元由3个(或更多)UWB定位器组成，UWB定位器集中安装在集控器周围， UWB定位器之间通过无线时钟同步算法，实现UWB定位器之间的亚纳秒级别的时钟同步，各UWB定位器通过接收识别卡的Poll消息，系统可计算出定位器间的 TDOA差值；同时，使用DS_TWR方法完成UWB识别卡与UWB主定位器之间TOA测距，据此可以得到识别卡到达三个UWB定位器的TOA值，最终通过Chan算法得到识别卡的位置值。
[0009]进一步地，本专利技术实现流程如下：
[0010](1)实现本专利技术方法的相关设备包括UWB定位基站单元(UWB定位器M、UWB 定位器S1、UWB定位器S2、集控器)、识别卡、UWB定位服务器等，如图1所示。
[0011](2)实施本专利技术方法部署方案，如图2所示，沿着井下巷道两侧依次布设 UWB定位器M、集控器、UWB定位器S1、UWB定位器S2，其中三个UWB定位器不能同时共线，间距大于1米，
小于20米。
[0012](3)使用无线时钟同步法计算POLL消息到达UWB定位器之间的到达时间差值(TDOA)的主要步骤，如图4所示。
[0013]步骤3.1：UWB定位器M(主定位器)间隔150ms发送无线时钟校准包TX_CPP (以下简称CCP包)，记录发送时刻本地时钟数据，并通过CAN总线把带有发送时间戳的CCP数据包传输到集控器。
[0014]步骤3.2：UWB定位器S1(从定位器1)和UWB定位器S2(从定位器2)接收RX_CCP包，并通过CAN总线把带有接收时间戳的RX_CCP1、RX_CCP2数据包传输到集控器。
[0015]步骤3.3：用基于Kalman滤波的时钟跟踪方法计算时钟偏移。
[0016]T为时钟周期，U
θ,K
和U
γ,K
分别是第K周期的时钟偏移和时钟偏移的修正值，θ
K
和γ
K
分别是k
T
时钟偏移和时钟漂移。在(K+1)T时刻，时钟迭代关系：
[0017](θ
k+1
)＝θ
k
‑
U
θ,k
+(γ
k
‑
U
γ,k
)T+ω
θ,k
[0018](γ
k+1
)＝γ
k
‑
U
γ,k
+ω
γ
[0019]ω
θ,K
是时钟偏差方差，ω
γ,K
是时钟漂移方差。
[0020]假设ω
k
＝[ω
θ,k
ω
γ,k
]T
，协方差矩阵为Q，定义向量矩阵：
[0021]x
k
＝[θ
k
γ
k
]T
,u
k
＝[U
θ,k
U
γ,k
]T
.
[0022]使用Kalman滤波迭代：
[0023]建立预测方程：(X
k+1
)＝Ax
k
+Bu
k
[0024]其中：
[0025]Kalman增益矩阵：
[0026]K
k+1
＝P
k+1|k
[H
k+1
]T
(R
k+1
+H
k+1
P
k+1|k
[H
k+1
]T
)
‑1[0027]R
K+1
是观测噪声的协方差矩阵，H
K+1
是测量矩阵，单位方阵；
[0028]修正：最小均方差误差矩阵：
[0029]P
k+1
＝(1
‑
K
k+1
)P
k+1|k
[0030]经过Kalman滤波，第K+1时刻时钟周期的修正值另是补偿时钟偏移和时钟漂移，则有UWB定位器S1和UWB定位器S2 的时钟偏移分别为，S1U
K+1
和S2U
K+1
。
[0031]步骤3.4：接收识别卡发送的POLL消息
[0032]UWB定位器M、UWB定位器S1和UWB定位器S2分别接收识别卡发送的POLL 消息，并获取POLL消息的接收时间戳，分别记作t
RX_POLL_M
、t
RX_POLL_S1
、t
RX_POLL_S2
；通过CAN总线发送这些时间戳到集控器。
[0033]步骤3.5：t时刻POLL消息时基校准
[0034]由于UWB定位器M、UWB定位器S1和UWB定位器S2设备之间的时钟系统是独立的，即非同的步时钟系统，它们所获得的t
RX_POLL_M
、t
RX本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：实现本发明方法的相关系统设备组成；步骤二：实施本发明方法的设备部署方案；步骤三：使用基于Kalman滤波无线时钟同步法计算得到POLL消息TDOA时间差值；步骤四：使用DS
‑
TWR方法得到识别卡的TOA测距值；步骤五：根据TDOA与DS
‑
TWR联合定位结果，使用Chan方法计算识别卡坐标值。2.根据权利要求1所述一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法，其特征在于，由UWB定位器M、UWB定位器S1、UWB定位器S2、集控器共同组成，UWB定位器与集控器采用RS
‑
485或CAN总线连接，并实时上报接收到的定位数据和时钟同步数据，并在集控器内实现初步的位置信息解算。3.根据权利要求2所述一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法，其特征在于，沿着井下巷道两侧依次布设所述UWB定位器M、集控器、UWB定位器S1、UWB定位器S2，其中三个UWB定位器不能同时共线，间距大于1米，小于20米。4.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的TDOA与DS_TWR结合的井下二维定位方法，其特征在于，使用基于Kalman滤波方法实现无线时钟同步法，并计算POLL消息到达各UWB定位器的到达时间差值(TDOA)；T为时钟周期，U
θ,k
和U
γ,k
分别是第K周期的时钟偏移和时钟偏移的修正值，θ
k
和γ
k
分别是时钟偏移和时钟漂移；在(K+1)T时刻，时钟迭代关系：(θ
k+1
)＝θ
k
‑
U
θ,k
+(γ
k
‑
U
γ,k
)T+ω
θ,k
(γ
k+1
)＝γ
k
‑
U
γ,k
+ω
γ
ω
θ,k
是时钟偏差方差，ω
γ,k
是时钟漂移方差；假设ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亦非，杨立新，
申请(专利权)人：杨亦非，
类型：发明
国别省市：