矿用人员定位系统及方法与流程

本发明涉及矿井安全定位技术领域，特别涉及一种矿用人员定位系统及方法。

背景技术：

现有的矿井人员管理系统以区域定位为主，在矿井人员管理系统从区域定位向精确定位升级改造的过程中，出现了以场强强度(rssi)、飞行时间(tof)、飞行时间差(tdoa)等精准测距方案为基础的精确定位系统方案。目前市场上已有的矿用精确定位人员管理系统，普遍存在需要多基站同时实现区域覆盖才能测距定位的问题，这使得系统定位基站需求数量增加。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种矿用人员定位系统及方法，融合惯性导航和高精度测距，减少矿用人员定位系统的基站数量，能够提升矿用移动终端设备的定位精度和适用性，有效保障矿下作业的安全。

按照本发明所提供的设计方案，一种矿用人员定位系统，包含：置于井上的数据处理服务器，置于井下且与数据处理服务器通信连接的矿用定位基站，及与矿用定位基站通信连接的矿用移动定位终端；矿用定位基站通过直接网络通信链路或由其他矿用定位基站多跳形式组成中继网络通信链路与数据处理服务器连接；所述矿用移动定位终端上设置有用于获取定位终端移动数据的惯导模块。

作为本发明矿用人员定位系统，进一步地，所述数据处理服务器与矿用定位基站之间采用无线或有线网络进行通信连接。

作为本发明矿用人员定位系统，进一步地，所述矿用移动定位终端与矿用定位基站之间采用无线网络进行通信连接。

作为本发明矿用人员定位系统，进一步地，相邻矿用定位基站之间间隔距离≥500m。

进一步地，本发明还提供一种矿用人员定位方法，基于上述的矿用人员定位系统实现，实现过程包含如下内容：矿用定位基站通过广播通信方式搜索自身覆盖区域内的所有矿用移动定位终端，并向搜索到的矿用移动定位终端发送测距请求；矿用移动定位终端接收到测距请求后，利用自身携带的惯导模块获取移动数据，并将移动数据和终端编号发送给矿用定位基站，以完成飞行时间测距流程；矿用定位基站将接收到的终端编号、移动数据和距离数据传输至数据处理服务器；数据处理服务器依据存储的历史数据和新反馈数据获取矿用移动定位终端位置并显示。

作为本发明矿用人员定位方法，进一步地，通过惯导模块获取的移动数据至少包含终端移动方向、终端移动距离及终端方向旋转。

作为本发明矿用人员定位方法，进一步地，获取矿用移动定位终端位置时，数据处理服务器首次获取矿用移动定位终端在指定矿用定位基站范围内的数据时，通过搜索存储的历史数据，以及矿用定位基站的相邻关系，判定进入指定矿用定位基站所辖区域的方向，并结合新反馈的距离数据进行定位，同时记录首次进入区域时上传的移动方向做为参考方向；当数据处理服务器再次获取矿用移动定位终端在指定定位基站范围内的数据时，结合历史数据的定位结果、移动参考方向，及本次上传的移动方向、移动距离和方向旋转，重新获取新的终端定位结果。

本发明的有益效果：

本发明结构简单、紧凑，设计新颖、合理，能够实现单基站精确定位，减少矿用人员定位系统的定位基站设备部署数量，降低成本，解决了惯性导航技术应用于矿下人员定位时由于定位终端设备无固定安装位置而造成惯导模块获取的人员移动方向不能直接使用等的问题，通过数据处理服务器能够有效融合惯性导航和精确测距，并可配合历史数据对比，实现准确的单基站精确定位效果，具有较强的适用性和推广应用价值。

附图说明：

图1为实施例中定位系统示意图；

图2为实施例中定位原理图。

具体实施方式：

图中标号，标号1代表数据处理服务器，标号2代表矿用定位基站，标号3代表矿用移动定位终端，标号4代表惯导模块。

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

本发明实施例，参见图1所示，提供一种矿用人员定位系统，包含：包含：置于井上的数据处理服务器，置于井下且与数据处理服务器通信连接的矿用定位基站，及与矿用定位基站通信连接的矿用移动定位终端；矿用定位基站通过直接网络通信链路或由其他矿用定位基站多跳形式组成中继网络通信链路与数据处理服务器连接；所述矿用移动定位终端上设置有用于获取定位终端移动数据的惯导模块。

数据处理服务器和所有矿用定位基站根据需求布设在固定位置，矿用移动定位终端由需要进行定位的人员随身携带。数据处理服务器能够通过直接或中继(多跳的矿用定位基站通信链路)的方式和系统内所有的矿用定位基站进行通信，并能够解析来自各矿用定位基站上传的数据并计算生成所有矿用移动定位终端最终的精确定位结果。数据处理服务器和定位基站以及定位基站之间的通信方式可以为有线通信或无线通信，中继网络可采用树形拓扑结构。

每个定位基站均能够和多个定位终端进行通信，分别获取多个定位终端上传的数据并转发给数据处理服务器。同时，定位基站并能够通过飞行时间测距方法获取定位基站和多个定位终端之间的精确距离并将其上传到数据处理服务器。

通过一个定位基站配备两个定向天线以及独立的数据缓存的形式实现了通过单个基站能够判定定位卡片方向的功能，配合测距数据可以实现单定位基站定位；虽然使用单基站进行精确定位，但对天线布设和性能均有较高要求，且实际仍应用了两套独立的测距系统。惯性导航能够通过惯导模块获取目标移动的方向和距离，但由于人员定位使用的设备一般无固定的安装位置，造成惯导模块获取的方向信息没有明确的参考坐标系，无法直接用于人员定位。为此，本发明实施例中，每个矿用移动定位终端均含有惯导模块，能够通过和一定范围内的定位基站的通信将惯导模块获取的本定位终端的移动方向、移动距离以及方向旋转数据传递给定位基站，进而转发给数据处理服务器。本发明实施例中通过融合惯性导航和高精度测距来提供一种可单基站精确定位的矿用人员定位方案，减少矿用人员定位系统的基站数量，能够有效降低企业投入成本，可应用于矿井下巷道内的人员精确定位。

进一步地，本发明还提供一种矿用人员定位方法，基于上述的矿用人员定位系统实现，实现过程包含如下内容：矿用定位基站通过广播通信方式搜索自身覆盖区域内的所有矿用移动定位终端，并向搜索到的矿用移动定位终端发送测距请求；矿用移动定位终端接收到测距请求后，利用自身携带的惯导模块获取移动数据，并将移动数据和终端编号发送给矿用定位基站，以完成飞行时间测距流程；矿用定位基站将接收到的终端编号、移动数据和距离数据传输至数据处理服务器；数据处理服务器依据存储的历史数据和新反馈数据获取矿用移动定位终端位置并显示。

参见图2所示，矿用定位系统包括数据处理服务器，3台定位基站，并使用一个定位终端作为示例进行系统定位方法说明。其中数据处理服务器位于地面，定位基站位于井下，数据处理服务器和井下的定位基站通过光纤构建树形拓扑网络。图2中的虚线用于表示各个定位基站的单站无线定位覆盖范围。当持有定位终端的人员下井到达位置1时，由定位基站1获取和定位终端的测距距离并上传数据处理服务器，此时数据处理服务器无前期定位基站信息，因此判定为井口方向，可以将人员准确定位到位置1。当持有定位终端的人员从位置1行进到位置2进行第二次定位时，由定位基站1获取和定位终端的测距距离，同时将定位终端记录的移动距离、移动方向，以及并没有进行转向的信息上传到数据处理服务器。此时数据处理服务器根据移动终端自测的移动距离，等于上次在位置1定位时记录的定位基站和定位终端的距离加上当前测距基站和测距终端间距离，可以判定定位终端已越过定位基站，并将其准确定位到位置2。当持有定位终端的人员从位置2行进到位置3进行第三次定位时，由定位基站2获取和定位终端的测距距离并上传数据处理服务器，此时数据处理服务器可以查询前序定位基站为定位基站1，因此判定进入方向为定位基站2左侧，可以将定位终端准确定位到位置3。当持有定位终端的人员从位置3行进到位置4进行第四次定位时，由定位基站2获取和定位终端的测距距离，同时将定位终端记录的移动距离、移动方向，以及并没有进行转向的信息上传到数据处理服务器。此时数据处理服务器获取定位终端和定位基站2间距为0，可以将其准确定位到位置4。当持有定位终端的人员在位置4稍作停留并转身折返行进到位置5进行第五次定位时，由定位基站2获取和定位终端的测距距离，同时将定位终端记录的移动距离、移动方向，以及进行过转向的信息上传到数据处理服务器。此时数据处理服务器通过定位终端有过转向行为判定定位终端返回定位基站2左侧，并根据定位终端和定位基站2的测距结果，将其准确定位到位置5。当持有定位终端的人员从位置5行进到位置6进行第三次定位时，由定位基站3获取和定位终端的测距距离并上传数据处理服务器，此时数据处理服务器可以查询前序定位基站为定位基站2，因此判定进入方向为定位基站3上方，可以将定位终端准确定位到位置6。

本发明实施例中，可实现切换定位基站方向、跨多个定位基站、分叉线路等多种特殊场景下矿用终端的单基站定位效果。考虑实施场景，如果人员入井到达位置2时才进行第一次定位，则数据处理服务器会判定出错误的结果，将定位终端定位到定位基站1左侧相同距离的位置。但在实际使用时，一般单个基站覆盖范围较广，单向会超过500米，巡检周期遵照井下人员定位系统行标要求小于30秒(一般设置为10秒左右)，且人员移动速度有限，不会存在跨越定位基站后才进行首次人员定位的情况，因此本发明实施例中所提供的单基站人员定位系统和方法能够实现精准的井下人员定位，进一步保障井下安全作业。

本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，a和/或b可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。前述对本发明的具体示例性实施方案的描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。