[發明專利]地下掃描衛星高精度跟蹤定位方法及裝置

有效

• 申請號: 201410016623.8
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103760517A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 劉萬里;楊濱海;李曉陽;趙勇濤;王世博
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01S1/70
• 分類號: G01S1/70;E21F17/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種跟蹤定位方法及裝置，特別是一種地下掃描衛星高精度跟蹤定位方法及裝置。

背景技術

目前隨著我國煤礦開采深度逐漸增大和采掘條件越來越惡劣，使得對礦工的安全威脅也愈來愈大。因此，發展“地下無人采掘技術”是根本的解決方法，也是國內外煤炭行業共同追求的前沿技術。而如何提高采掘作業空間中采掘裝備跟蹤定位精度是地下無人采掘所面臨的一個亟待解決的關鍵科學問題。

跟蹤定位技術主要是針對于一個或多個空間物體的位置姿態進行實時測量。對于無GPS信號的煤礦井下移動目標的跟蹤定位技術近年來也得到了一定的重視，其定位方法按照所使用傳感器位置的不同主要可以劃分為兩大類：(l)基于外部傳感器的定位方法（無線定位技術、紅外線定位技術、超聲波定位技術、計算機視覺定位技術等）；(2)基于自包含傳感器的定位方法（加速度計、陀螺儀、里程計、磁羅盤等）。

無線定位技術是通過對無線電波的一些參數進行測量，根據特定的算法來判斷被測物體的位置。無線定位技術的應用，主要包括：射頻識別、藍牙、超寬帶、Wi-Fi和Zigbee等。①射頻識別（RFID）技術是利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到目標的識別和定位。但其作用距離短一般為幾米；定位精度是20cm數量級。②超寬帶（UWB）技術它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒級的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶的定位精度是15cm數量級，通常定位距離限定在20m左右。③藍牙技術是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，但對于地下復雜的空間環境，藍牙系統的穩定性較差，受噪聲信號干擾大。④Wi-Fi收發器都只能覆蓋幾十米以內的空間，定位精度完全依賴于Wi-Fi網絡的部署情況，在Wi-Fi信號密集時，精度可達1米，且Wi-Fi信號很容易受到其他信號的干擾，從而影響其定位精度。⑤Zigbee技術是近年來新興的短距離、低速率的無線網絡技術，其性能介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于地下定位。目前，國內外所使用的無線定位技術僅在井下人員定位和跟蹤方面有應用報道，從技術本質上說僅僅是一種考勤記錄系統或者僅停留在粗略定位的層面上，完成大致位置確定，而非真正的、精確的跟蹤定位。

紅外線定位技術的原理是由紅外線IR發射經過調制的紅外射線，再由光學傳感器接收這些紅外射線，實現對目標的定位。但紅外線定位技術定位精度不高，傳輸距離較短導致在地下環境中的定位效果很差，而且容易被熒光燈和地下其他燈光干擾，在精確定位上有一定的局限性。

超聲波定位技術采用反射式測距法，即發射超聲波并接收由被測物產生的回波，根據回波與發射波的時間差計算出待測距離。由于超聲波易受多徑效應和井下復雜環境的影響，因而限制了它在煤礦井下的繼續發展。

計算機視覺定位技術是指用攝影機和電腦代替人眼對目標進行識別、跟蹤和采集，通過對采集的圖片或視頻進行處理以獲得被測目標的位置和姿態數據。視覺定位技術雖然具有相對高的定位精度，但定位的距離短。這些限制了計算機視覺定位技術在煤礦井下的發展。

除了上述方法外，還有學者利用圖像分析、磁場以及信標定位等方法進行研究。

基于自包含傳感器的定位方法主要有加速度計、陀螺儀、里程計、磁羅盤等。

陀螺儀和加速度計是直接測量被測目標在運動方向上的角速度和線性加速度，通過對加速度和角速度進行積分運算，獲得被測目標的位置和姿態數據。里程計是利用齒輪計數的原理得到被測目標行走齒輪的轉數，轉數乘以行走齒輪的周長得到設備行走的距離，從而確定設備在工作面的位置。磁羅盤是根據指南針原理制成的，利用地磁場固有的指向性測量目標的空間姿態角度，獲得目標的姿態數據。

從已有研究成果來看，有關上述方面的研究尚存在如下問題：

(1)無線電跟蹤定位技術是近年來研究的熱門方向，但由于無線電波自身特性的限制導致其跟蹤定位的精度都不高，無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備高精度跟蹤定位的要求（達到亞厘米級）。

(2)紅外線定位測量距離太近，超聲波易受多徑效應和井下復雜環境影響，計算機視覺的定位距離短且易受光照影響，另外他們也無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備高精度跟蹤定位的要求。

影響使其誤差不斷增大（可達到米級），導致其無法滿足“地下無人采掘”對采掘裝備高精度跟蹤定位的要求。另外，他們獲取的僅是采掘裝備位置和姿態的相對值而并非三維空間內的絕對值，不能作為采掘裝備自動控制的依據。