基于UWB的TOF与TDOA的双基站井下一维联合定位系统及方法与流程

本申请涉及定位，具体涉及一种基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位系统及方法。

背景技术：

1、uwb超宽带无线定位技术具有功耗低、抗多径效应好、定位精度高和系统复杂度低等优点，被广泛应用于矿用人员精确定位系统，无遮挡情况下可实现厘米级的高精度定位。主流的uwb定位技术定位算法有基于飞行时间的tof定位、基于到达时间差的tdoa定位和基于到达角的aoa定位。

2、现有的tof与tdoa联合定位方法需要利用至少三个基站才能实现距离的测算和有效性的验证，并且需要在标签与基站之间无明显遮挡影响的情况下才能够实现。

3、而矿井环境下，煤矿井下空间主要由不同用途的井下巷道组成，属于一维定位场合，巷道宽度在近距离时对位置计算存在影响，并且受到井下巷道复杂环境的影响基站与标签卡之间容易出现遮挡，从而导致不可控的误差，标签卡定位不准确。

技术实现思路

1、发明要解决的技术问题是：现有的tof与tdoa联合定位方法难以适应井下的一维定位场合，导致标签卡定位不准确。

2、为此，发明提供一种基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位系统及方法。

3、发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

4、一种基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，包括以下步骤，

5、s1测距，标签卡向一个主基站和一个从基站发送poll消息并接收主基站的反馈信息，以测算标签卡与主基站之间的距离d1、标签卡与从基站之间的距离d2；

6、其中，从基站通过监听整个测距过程完成时间同步及tdoa时间差计算，监听结束后通过can总线将tdoa测距的关键信息传输给主基站，主基站完成最终的测距运算；

7、s2，测距有效性判断，根据标签卡与主基站、从基站之间的位置关系判断标签卡与主基站之间测距结果d1，标签卡与从基站之间的距离d2的有效性，并对d2进行修正。

8、进一步地，s1的测距过程具体包括：

9、s1.1标签卡先向主基站和从基发送poll信息，主基站接收标签卡发送的poll信息并能够记录时间戳tb1，从基站接收标签卡发送的poll消息并记录时间戳tc1，从基站解析poll消息包含的标签卡号和滚码并保存；

10、s1.2主基站处理poll消息后向标签卡和从基站回复resp信息，标签卡接收主基站发送的resp消息并记录时间戳ta2；从基站接收主基站发送的resp消息并记录时间戳tc2，主基站发送resp信息的时间戳为tb2，从基站通过poll和resp消息的标签卡号和滚码比对以及主基站地址比对确认有效后保存；

11、s1.3标签卡接收来自主基站的resp消息后，处理后向主基站和从基站回复发送final消息；从基站接收标签卡发送的final消息并记录时间戳tc3，主基站接收标签卡发送的final消息并记录时间戳tb3，从基站解析final消息包含的标签卡号、滚码和主基站地址，与resp消息的标签卡号、滚码及主基站地址比对确认其有效性。

12、进一步地，s1的测距过程还包括：s1.4计算从基站接收到poll消息的时间tc1和接收到resp消息的时间tc2的时间差tlisten1，从基站接收到resp消息的时间tc2和接收到final消息的时间tc3的时间差tlisten2以及标签卡号、滚码等信息通过can总线发给主基站。

13、进一步地，标签卡与主基站之间的距离为，式中，tround1为ta2和ta1的时间差，tround2为tb3和tb2的时间差，treply1为tb2和tb1的时间差，treply2为ta3和ta2的时间差，c为光速。

14、进一步地，据poll信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算得到d2，d2＝d1+d12+(treply1-tlisten1)*c；根据final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算得到d2，d2＝d1+d12+(tlisten2-tround2)*c。

15、进一步地，在步骤s2中根据主基站与标签卡之间的距离，判断标签卡、主基站、从基站三者之间的先对位置，从而判断标签卡与从基站之间是否存在遮挡，以判断d1和d2的有效性，并根据判断结果对d2进行修正取值。

16、进一步地，当d1的值大于阈值d1时，则表示标签卡、主基站、从基站三者位置趋于一条直线，标签卡与从基站之间存在遮挡，此时若存在d2满足d1+d12-δd≤d2≤d1+d12+δd，表明标签卡在主基站的左侧；若存在d2满足d1-d12-δd≤d2≤d1-d12+δd，表明标签卡在主基站的右侧；根据poll信息、final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算出的2组d2应同时满足上述同一侧的要求，d2取2组数据的平均值；否则本次测距值无效。

17、进一步地，当d1的值小于阈值d1且大于阈值d2时，则表示标签卡、主基站、从基站三者位置形成钝角三角形，标签卡与基站之间存在遮挡，根据poll信息、final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算出的2组d2应同时满足：表明标签卡在主基站的左侧，或者同时满足表明标签卡在主基站的右侧，d2取2组数据的平均值；否则本次测距值无效。

18、进一步地，当d1的值小于阈值d2时，则表示标签卡、主基站、从基站三者位置形成常规三角形，标签卡与基站之间无遮挡，根据poll信息、final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算出的2组d2应同时满足：且2组d2值之差的绝对值不大于2δd，d2则取2组数据的平均值，否则本次测距值无效。

19、一种基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位系统，包括主基站、从基站以及由工作人员或车辆携带的标签卡，所述主基站和从基站安装在巷道壁上同一高度，所述主基站和从基站的间距d12为3～6m。

20、发明的有益效果是，该方法兼具tof与tdoa定位方法的优点，并结合巷道的特点，仅采用主基站和从基站两个基站，在井下一维空间内进行标签卡定位，使用2组标签卡到从基站的测距值相互验证有效性，具有定位速度快，定位卡功耗较低，遮挡情况定向准确等优点。

技术特征：

1.一种基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，s1的测距过程具体包括：

3.根据权利要求1所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，s1的测距过程还包括：s1.4计算从基站接收到poll消息的时间tc1和接收到resp消息的时间tc2的时间差tlisten1，从基站接收到resp消息的时间tc2和接收到final消息的时间tc3的时间差tlisten2以及标签卡号、滚码等信息通过can总线发给主基站。

4.根据权利要求1所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，标签卡与主基站之间的距离为，式中，tround1为ta2和ta1的时间差，tround2为tb3和tb2的时间差，treply1为tb2和tb1的时间差，treply2为ta3和ta2的时间差，c为光速。

5.根据权利要求1所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，根据poll信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算得到d2，d2＝d1+d12+(treply1-tlisten1)*c；根据final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算得到d2，d2＝d1+d12+(tlisten2-tround2)*c。

6.根据权利要求5所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，在步骤s2中根据主基站与标签卡之间的距离，判断标签卡、主基站、从基站三者之间的先对位置，从而判断标签卡与从基站之间是否存在遮挡，以判断d1和d2的有效性，并根据判断结果对d2进行修正取值。

7.根据权利要求6所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，当d1的值大于阈值d1时，则表示标签卡、主基站、从基站三者位置趋于一条直线，标签卡与从基站之间存在遮挡，此时若存在d2满足d1+d12-δd≤d2≤d1+d12+δd，表明标签卡在主基站的左侧；若存在d2满足d1-d12-δd≤d2≤d1-d12+δd，表明标签卡在主基站的右侧；根据poll信息、final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算出的2组d2应同时满足上述同一侧的要求，d2取2组数据的平均值；否则本次测距值无效。

8.根据权利要求1所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，当d1的值小于阈值d1且大于阈值d2时，则表示标签卡、主基站、从基站三者位置形成钝角三角形，标签卡与基站之间存在遮挡，根据poll信息、final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算出的2组d2应同时满足：表明标签卡在主基站的左侧，或者同时满足表明标签卡在主基站的右侧，d2取2组数据的平均值；否则本次测距值无效。

9.根据权利要求1所述的基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位方法，其特征在于，当d1的值小于阈值d2时，则表示标签卡、主基站、从基站三者位置形成常规三角形，标签卡与基站之间无遮挡，根据poll信息、final信息到达从基站的时间与从基站接收到resp信息的时间差计算出的2组d2应同时满足：且2组d2值之差的绝对值不大于2δd，d2则取2组数据的平均值，否则本次测距值无效。

10.一种基于uwb的tof与tdoa的双基站井下一维联合定位系统，其特征在于，包括主基站、从基站以及由工作人员或车辆携带的标签卡，所述主基站和从基站安装在巷道壁上同一高度，所述主基站和从基站的间距d12为3～6m。

技术总结本申请涉及定位技术领域，具体涉及一种基于UWB的TOF与TDOA的双基站井下一维联合定位系统及方法，包括，S1测距，标签卡向一个主基站和一个从基站发送Poll消息并接收主基站的反馈信息，以测算标签卡与主基站之间的距离d<subgt;1</subgt;、标签卡与从基站之间的距离d<subgt;2</subgt;；其中，从基站通过监听整个测距过程完成时间同步及TDOA时间差计算，通过CAN总线将TDOA测距的信息传输给主基站，主基站完成测距运算；S<subgt;2</subgt;，测距有效性判断，根据标签卡与基站之间的位置关系判断d<subgt;1</subgt;，d<subgt;2</subgt;的有效性，并对d<subgt;2</subgt;进行修正。该方法采用TOF与TDOA定位方法，结合巷道的特点，使用2组标签卡到从基站的测距值相互验证有效性，具有定位速度快，定位卡功耗较低，遮挡情况定向准确等优点。技术研发人员：陈贤,罗克,陈海舰,王军,储楠,周澍,王伟,王维,金业勇,张立峰,高翔,宋兴家,杨旭峰,姚金森,张蓉,李伟,柴晴峰,徐森洋受保护的技术使用者：天地（常州）自动化股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23