[發明專利]一種基于虛擬訓練集和馬爾科夫鏈的煤礦井下定位方法

有效

• 申請號: 201410017796.1
• 申請日: 2014-01-15
• 公開（公告）號: CN103796304B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 崔麗珍;李蕾;高麗麗;員曼曼;史明泉
• 申請（專利權）人: 內蒙古科技大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00
• 代理公司: 北京中譽威圣知識產權代理有限公司11279
• 代理人: 蔣常雪

技術領域

本發明涉及一種無線電領域中的定位算法；具體地說，涉及一種基于虛擬訓練集和馬爾科夫鏈的煤礦井下定位方法。

背景技術

煤炭工業是關系國家經濟命脈的重要基礎產業，是支撐我國GDP增長的重要一次性能源。煤礦井下地質條件惡劣，巷道長度可達幾十公里，采煤機電設備配置多，人員流動性大，巷道和掘進工作面空間狹窄，巷道四壁表面粗糙，巷道中安放著大量大功率機電設備、通風設備和安全支護設備，環境中存在著大量的有爆炸危險氣體，電磁波在此環境中傳播受到很大的影響。近年來，定位導航系統不管是在軍用還是民用領域中都有著廣泛的成功應用，這種基于位置的服務(Location-Based Service, LBS)包含了個人安全服務、交通導航系統以及本地信息服務等。隨著普適計算的推廣，作為物聯網重要的支撐技術之一，無線定位技術在“感知煤礦”中的應用越來越得到學術界的關注。煤礦巷道一般深處地下幾百米到幾十千米，因此地面上廣為使用的GPS(Global Positioning System)在井下完全失效。伴隨著無線傳感器網絡的迅猛發展，無線傳感器節點為煤礦井下特殊復雜的信道環境中人員及設備提供準確實時的位置信息服務逐漸成為可能。

自20世紀末以來，國內外井下監控系統中采用的無線信號有紅外、超聲波、射頻信號。其中紅外和超聲波定位技術精度高但硬件設備開銷大，并且只能進行視距傳輸，采用射頻信號的技術例如WiFi、ZigBee、UWB、RFID傳輸距離遠、無視距要求、設備成本低。目前，采用射頻信號的定位技術一般利用信號的某種傳輸特征參數如傳輸時間(Time of Arrival, TOA)、到達角度(Angle of arrival, AOA)、接收信號強度(Receive Signal Strength Indicator, RSSI)進行定位。井下環境與室內環境類似都受到多徑效應和陰影效應的影響，信號到達接收端具有不同的時延和入射角，TOA和AOA參數估計誤差相對較大，且分別需要精確的時間同步和天線陣列。RSSI由射頻芯片本身提供，硬件需求低，方便獲取，因此，基于RSSI的煤礦井下定位技術目前受到較大關注。

在自由空間中，設發射功率為P_T，發射天線增益為G_T，接收功率為 P_R，接收天線增益為G_R，其中λ為自由空間載波波長。接收功率由Friis自由空間方程式決定：

P_R = G_R G_T P_T (λ/4πd) ²（1）

在大多數環境中，經過推導并用接收信號強度（Received Signal Strength Indication, RSSI）取代接收功率，可得到信號衰減模型：

（2）

其中，為參考距離通常取1m，為在處的信號接收強度，n為信道衰減因子，是一個均值為0方差為σ的高斯隨機變量，與具體定位環境有關。該模型能夠將RSSI轉化為實際距離。

雖然基于RSSI的定位算法有諸多優點，但煤礦井下信道復雜，信號的多徑衰落非視距傳輸無法避免，RSSI極易受到這些因素的影響導致測距不準，誤差無法避免。

發明內容

本發明正是為了解決上述技術問題提出的一種針對煤礦井下特殊環境的定位算法，它以IOT-NODE2530作為硬件平臺，采用低功耗、自組織的Z-stack通信協議棧，共同搭建了定位算法的實現平臺。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于虛擬訓練集和馬爾科夫鏈的煤礦井下定位方法，其在煤礦井下需要目標定位的區域內，部署多個信標節點并合理選取出若干個采樣位置，并按以下四個步驟進行構建離線虛擬訓練集和實現井下定位算法：

步驟1：搭建井下無線傳感器定位網絡，其方法包括：

網關節點作為協調器，信標節點和移動節點作為終端設備，網關節點廣播信標節點配置請求和移動節點配置請求，配置4個信標節點和1個移動節點信息；

移動節點廣播Cluster Id為1的定位數據幀；

信標節點接收到該數據幀后，提取RSSI存入負載，并向網關節點發送Cluster Id為2的數據幀；

網關節點分別接收到4個信標節點發來的數據幀，對其進行處理并作為指紋信息通過串口發送到上位機；

步驟2：離線構建虛擬訓練數據集：

不同位置信道衰減因子n由式（2）計算可得為：

（3）