一种输电管廊环境下的无线定位方法及系统与流程

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、技术方案一

4、一种输电管廊环境下的无线定位方法，包括以下步骤：

5、输电管廊中布设有若干测量基站；

6、预先构建线性方程组；

7、获取信号源上一时刻位置；

8、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；

9、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。

10、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。

11、进一步地，所述线性方程组，以公式表达为：

12、

13、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ri,1＝ri-r1。

14、进一步地，所述求解线性方程组，包括如下步骤：

15、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。

16、进一步地，激活最接近信号源的10个测量基站。

17、技术方案二

18、一种输电管廊环境下的无线定位系统，包括：

19、放置在输电管廊中的若干测量基站；

20、信号源，信号源用于定时发送定位信号至测量基站；

21、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。

22、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。

23、进一步地，所述线性方程组，以公式表达为：

24、

25、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ri,1＝ri-r1。

26、进一步地，所述求解线性方程组，包括如下步骤：

27、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。

28、进一步地，激活最接近信号源的10个测量基站。

29、与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：

30、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。

31、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。

32、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。

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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。

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信息通信分公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14