一种输电管廊环境下的无线定位方法及系统与流程

1.本发明涉及一种输电管廊环境下的无线定位方法及系统，属于输电管廊定位领域。


背景技术：

2.随着自动化技术的发展，许多简单的重复性检测工作逐渐由机器所替代，特别是隧道内的长距离线缆的巡检等。对于自动化巡检而言，掌握巡检机器人的实时位置是很重要的，而无线通信技术的发展和数据处理能力的提高，使得无线定位技术能够被有效地应用在巡检机器人的实时定位上。一个无线定位系统需要考虑测量基站的布置、信号源与基站的通信和位置信息测量、位置信息相关数据的计算处理等因素。在隧道环境中，测量基站通常间隔布置在隧道的两侧。
3.现有的无线定位方法主要包括rssi(基于信号强度)、aoa(基于信号角度)、toa(基于到达时间)、tdoa(基于到达时间差)四种算法。对于输电管廊这种较为封闭的空旷环境，电磁波、声波信号都会受到明显的反射干扰，rssi、aoa算法都很难取得比较好的效果；而toa算法需要信号源与测量基站之间具有高度同步的时钟，否则容易引发误差。tdoa算法比较适合用于输电管廊环境中的无线定位，但现有的定位方法大都是在待定位空间内放置一定数量的测量基站，把所有这些基站的测量数据汇总计算；对于长隧道环境，很难同时保证测量精度和计算量。
4.cn113873429a《一种面向地下隧道的岭回归二维定位方法及系统》通过定位标签接收来自不同定位基站的信号到达时间，得到tdoa值。进一步根据基站的位置确定最小二乘问题的观测向量和设计矩阵。计算设计矩阵的转置与设计矩阵相乘后的条件数估计噪声敏感度，并以条件数为依据设置合适的岭回归系数。最后确定位置向量，依据位置向量确定定位标签的坐标。该方案计算量较大，需要进一步优化。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的问题，本发明设计了一种输电管廊环境下的无线定位方法及系统，自动根据信号源上一时刻所处位置来激活距其最近的若干个测量基站，减小后续计算的数据量，同时避免了远距离测量可能导致的较大测量误差，保证了测量精度。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.技术方案一
8.一种输电管廊环境下的无线定位方法，包括以下步骤：
9.输电管廊中布设有若干测量基站；
10.预先构建线性方程组；
11.获取信号源上一时刻位置；
12.根据信号源上一时刻位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源当前位置；
13.根据信号源当前位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源下一时刻位置。
14.进一步地，各测量基站沿圆柱螺旋线布设在输电管廊中；所述圆柱螺旋线的直径d为输电管廊直径，圆柱螺旋线的导程为2m；沿输电管廊长轴方向，计算信号源与测量基站的一维距离；根据所述一维距离，确定最接近信号源的n个测量基站。
15.进一步地，所述线性方程组，以公式表达为：
[0016][0017]
式中，信号源坐标向量为第i测量基站坐标向量为第i测量基站与信号源的距离信号源到第i测量基站与信号源到第1个测量基站的距离差为r
i,1
＝r
i-r1。
[0018]
进一步地，所述求解线性方程组，包括如下步骤：
[0019]
选择一测量基站为零点，计算其他测量基站与零点的信号接收时间差值；将信号接收时间差值转化成其他测量基站与零点的距离差值；将所述距离差值和测量基站坐标代入线性方程组，通过最小二乘法求解得到信号源坐标。
[0020]
进一步地，激活最接近信号源的10个测量基站。
[0021]
技术方案二
[0022]
一种输电管廊环境下的无线定位系统，包括：
[0023]
放置在输电管廊中的若干测量基站；
[0024]
信号源，信号源用于定时发送定位信号至测量基站；
[0025]
计算单元，计算单元设有用于线性方程组，用于获取信号源上一时刻位置；根据信号源上一时刻位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源当前位置；根据信号源当前位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；以及根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源下一时刻位置。
[0026]
进一步地，各测量基站沿圆柱螺旋线布设在输电管廊中；所述圆柱螺旋线的直径d为输电管廊直径，圆柱螺旋线的导程为2m；沿输电管廊长轴方向，计算信号源与测量基站的一维距离；根据所述一维距离，确定最接近信号源的n个测量基站。
[0027]
进一步地，所述线性方程组，以公式表达为：
[0028][0029]
式中，信号源坐标向量为第i测量基站坐标向量为第i测量基站与信号源的距离信号源到第i测量基站与信号源到第1个测量基站的距离差为r
i,1
＝r
i-r1。
[0030]
进一步地，所述求解线性方程组，包括如下步骤：
[0031]
选择一测量基站为零点，计算其他测量基站与零点的信号接收时间差值；将信号接收时间差值转化成其他测量基站与零点的距离差值；将所述距离差值和测量基站坐标代入线性方程组，通过最小二乘法求解得到信号源坐标。
[0032]
进一步地，激活最接近信号源的10个测量基站。
[0033]
与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：
[0034]
本发明自动根据信号源上一时刻所处位置来激活距其最近的若干个测量基站，减小后续计算的数据量，同时避免了远距离测量可能导致的较大测量误差，保证了测量精度。
[0035]
本发明将测量基站沿圆柱螺旋线放置，基于圆柱螺旋线特性，沿输电管廊长轴方向，确定最接近信号源的n个测量基站，减少计算量；同时，设置圆柱螺旋线的导程为2m，保证测量精度。
[0036]
本发明使用基于最小二乘法优化的tdoa无线定位算法，充分利用所采集到的数据，通过冗余来减小测量误差对后续计算的影响，提高测量精度。
附图说明
[0037]
图1是本发明流程图；
[0038]
图2是测量基站分布示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
[0040]
实施例一
[0041]
如图1所示，一种输电管廊环境下的无线定位方法，包括以下步骤：
[0042]
如图2所示，将各测量基站沿圆柱螺旋线放置，圆柱螺旋线的直径d为输电管廊直径，一周圆柱螺旋线上每隔90
°
的旋转角度设置一测量基站。为了保证测量精度，本实施例将圆柱螺旋线导程设为2m。
[0043]
s1、计算单元获取ti时刻信号源位置。在初始阶段即t0时刻，由人工在计算单元中输入信号源位置。
[0044]
s2、根据信号源ti时刻位置，计算单元激活最接近信号源的n个测量基站。
[0045]
由于测量基站沿圆柱螺旋线分布，在三维欧氏距离上距信号源最近的若干个测量基站，与沿长轴方向的坐标上距信号源最近的若干个测量基站是一致的。因此，将计算三维空间中的最近距离，简化为计算沿长轴方向(即输电管廊延伸方向)坐标这一维度的距离。根据这一维距离，确定最接近信号源的n个测量基站。
[0046]
s3、信号源每隔一定的时间发送定位信号，定位信号为电磁波或声波脉冲信号。处于激活状态的各测量基站接收定位信号后，记录信号接收时间并发送汇总至计算单元。
[0047]
s4、通过tdoa算法，求解t
i+1
时刻信号源坐标：
[0048]
假设信号源的坐标向量为各测量基站的坐标向量为则各测量基站与信号源的距离信号源到第i个测量基站与信号源到第1个测量基站的距离差r
i,1
＝r
i-r1。
[0049]
构建线性方程组，以公式表达为：
[0050][0051]
计算单元收到所有处于激活状态的测量基站发出的信号接收时间后，选择任意一个测量基站作为零点，计算其他测量基站与其接收到信号的时间差，再根据光速/声速转化成各测量基站与零点的距离差。各个测量基站的位置坐标在安放测量基站的时候就是已知的，将计算得到的距离差和测量基站的位置坐标代入到方程组中，使用最小二乘法求解得到t
i+1
时刻信号源坐标(x、y、z)。
[0052]
通过最小二乘法求解上述线性方程组。本实施例中，每次激活最接近信号源的10个测量基站，通过添加冗余数据进行拟合，提高最小二乘法求解的信号源定位精度。
[0053]
s5、计算单元根据信号源t
i+1
时刻位置，计算单元激活最接近信号源的n个测量基站。计算单元接收这n个测量基站的信号接收时间，并以此求解信号源t
i+2
时刻位置。如此循环，直至信号源离开测量基站的测量范围。
[0054]
本发明技术人员考虑到信号源在定位信号发送周期内的移动距离相对测量基站的分布间距较小，至多有一个测量基站的区别。因此，在计算单元开始工作后，即计算出信号源的位置坐标后，可以直接把上一时刻的坐标视为当前坐标，激活距离该坐标最近的若干个测量基站，将这些测量基站视为距信号源当前位置最近的若干个测量基站。
[0055]
需要说明的是，上述提出的一种输电管廊环境下的无线定位系统，还用于实现如上述图1所示的一种输电管廊环境下的无线定位方法中各实施例对应的方法步骤，本技术在此不重复叙述。
[0056]
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
[0057]
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
[0058]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保
护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种输电管廊环境下的无线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：输电管廊中布设有若干测量基站；预先构建线性方程组；获取信号源上一时刻位置；根据信号源上一时刻位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源当前位置；根据信号源当前位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源下一时刻位置。2.根据权利要求1所述的一种输电管廊环境下的无线定位方法，其特征在于，各测量基站沿圆柱螺旋线布设在输电管廊中；所述圆柱螺旋线的直径d为输电管廊直径，圆柱螺旋线的导程为2m；沿输电管廊长轴方向，计算信号源与测量基站的一维距离；根据所述一维距离，确定最接近信号源的n个测量基站。3.根据权利要求1所述的一种输电管廊环境下的无线定位方法，其特征在于，所述线性方程组，以公式表达为：式中，信号源坐标向量为第i测量基站坐标向量为第i测量基站与信号源的距离信号源到第i测量基站与信号源到第1个测量基站的距离差为r
i,1
＝r
i-r1。4.根据权利要求3所述的一种输电管廊环境下的无线定位方法，其特征在于，所述求解线性方程组，包括如下步骤：选择一测量基站为零点，计算其他测量基站与零点的信号接收时间差值；将信号接收时间差值转化成其他测量基站与零点的距离差值；将所述距离差值和测量基站坐标代入线性方程组，通过最小二乘法求解得到信号源坐标。5.根据权利要求4所述的一种输电管廊环境下的无线定位方法，其特征在于，激活最接近信号源的10个测量基站。6.一种输电管廊环境下的无线定位系统，其特征在于，包括：放置在输电管廊中的若干测量基站；信号源，信号源用于定时发送定位信号至测量基站；计算单元，计算单元设有用于线性方程组，用于获取信号源上一时刻位置；根据信号源上一时刻位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源当前位置；根据信号源当前位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；以及根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源下一时刻位置。7.根据权利要求6所述的一种输电管廊环境下的无线定位系统，其特征在于，各测量基站沿圆柱螺旋线布设在输电管廊中；所述圆柱螺旋线的直径d为输电管廊直径，圆柱螺旋线
的导程为2m；沿输电管廊长轴方向，计算信号源与测量基站的一维距离；根据所述一维距离，确定最接近信号源的n个测量基站。8.根据权利要求6所述的一种输电管廊环境下的无线定位系统，其特征在于，所述线性方程组，以公式表达为：式中，信号源坐标向量为第i测量基站坐标向量为第i测量基站与信号源的距离信号源到第i测量基站与信号源到第1个测量基站的距离差为r
i,1
＝r
i-r1。9.根据权利要求8所述的一种输电管廊环境下的无线定位系统，其特征在于，所述求解线性方程组，包括如下步骤：选择一测量基站为零点，计算其他测量基站与零点的信号接收时间差值；将信号接收时间差值转化成其他测量基站与零点的距离差值；将所述距离差值和测量基站坐标代入线性方程组，通过最小二乘法求解得到信号源坐标。10.根据权利要求9所述的一种输电管廊环境下的无线定位系统，其特征在于，激活最接近信号源的10个测量基站。

技术总结
本发明涉及一种输电管廊环境下的无线定位方法，包括：输电管廊中布设有若干测量基站，各测量基站沿圆柱螺旋线放置；获取信号源上一时刻位置；根据信号源上一时刻位置，激活最接近信号源的n个测量基站；预先构建线性方程组；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源当前位置；根据信号源当前位置，激活最接近信号源的n个测量基站；获取n个测量基站的信号接收时间；根据信号接收时间，求解线性方程组，得到信号源下一时刻位置。下一时刻位置。下一时刻位置。


技术研发人员：姚文杰 王晟 周晓东 张昊 白巍 陆阳 付俭定 陈志忠 魏榕山
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司 国网智能电网研究院有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/28