一种基于自组网电台的井下融合定位系统及方法与流程

本发明涉及矿山定位，具体是一种基于自组网电台的井下融合定位系统及方法。

背景技术：

1、矿山井下空间封闭、电磁环境复杂，卫星信号（gps、北斗）无法穿透地层，导致地面成熟的卫星定位技术在井下完全失效。同时，井下巷道狭窄弯曲、金属支护密集、粉尘与水雾严重，导致uwb、wifi、蓝牙等测距/定位技术的信号传播产生严重的多径效应和非视距（nlos）误差，定位精度被严重劣化。

2、现有技术中，井下定位主要采用以下几种方案：

3、1.uwb（超宽带）定位：通过布设大量uwb锚点基站，利用到达时间差（tdoa）或到达角（aoa）算法实现厘米级定位；然而，uwb基站需要密集布设（每隔50-100米一个），设备成本高、安装维护困难，且金属环境下多径效应仍会导致精度下降；

4、2.5g定位：利用5g网络的大带宽和多波束特性，通过dl-tdoa、ul-tdoa等技术实现米级定位，但5g基站覆盖范围有限，井下5g网络建设成本高，且单独使用5g定位精度难以满足装备精准调度需求；

5、3.wifi指纹定位：通过预先采集巷道各位置的wifi信号强度建立指纹库，终端匹配指纹实现定位，但wifi信号在井下波动大、指纹库维护困难，且定位精度仅3-10米，无法满足装备级定位需求；

6、4.自组网基站定位：如中国发明专利cn208509278u公开的基于自组网基站的井下人员定位系统，沿巷道布设无线主从基站，定位器与前后相邻基站通信实现定位，但该方案仅依赖单一射频测距，未融合井下已有的5g、wifi等多源信号，在复杂电磁环境下定位鲁棒性不足。

7、现有井下定位技术普遍存在成本高、部署难、单一信号源鲁棒性差等问题。因此，针对以上现状，迫切需要提供一种基于自组网电台的井下融合定位系统及方法，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于自组网电台的井下融合定位系统及方法，旨在解决上述背景技术中的问题。

2、本发明是这样实现的，一种基于自组网电台的井下融合定位系统，包括：

3、多个自组网电台节点，按照可通讯距离固定挂载于井下巷道内，各所述自组网电台节点之间通过自组网协议形成动态mesh网络；

4、多源信号接入模块，集成于各所述自组网电台节点内，用于接入井下信号；

5、融合定位计算单元，设置于各所述自组网电台节点内或井下装备终端内，用于接收所述多源信号接入模块获取的信号传播参数，通过融合算法推算井下装备的当前位置；

6、以及井下装备终端，搭载有终端通信模块，与邻近的所述自组网电台节点通信并上报位置信息。

7、作为本发明进一步的方案：所述自组网电台节点包括：

8、电台本体，所述电台本体具有防爆外壳；

9、全向天线，设置于所述电台本体上，用于实现各所述自组网电台节点间的射频通信；

10、以及自组网协议栈，设置于所述电台本体内，用于自动发现邻近节点、建立路由并维护动态mesh网络拓扑。

11、作为本发明进一步的方案：所述井下信号包括5g基站信号、wifi接入点信号及自组网电台节点间的射频测距信号；

12、所述多源信号接入模块包括：

13、5g信号接收单元，用于接收井下5g基站发射的参考信号，获取信号强度、时延或到达角参数；

14、wifi信号接收单元，用于扫描并接收井下wifi接入点发射的信标信号，获取接收信号强度指示参数；

15、以及射频测距单元，用于测量所述自组网电台节点与井下装备终端之间的射频信号传播时间或信号强度，获取节点间距离参数。

16、作为本发明进一步的方案：所述融合定位计算单元包括：

17、多源数据融合模块，用于对所述5g信号、wifi信号及射频测距信号的传播参数进行加权融合，根据各信号源的实时质量动态调整权重，以抑制单一信号源在非视距环境下的误差；

18、位置解算模块，用于基于融合后的信号参数，采用三角定位算法、指纹匹配算法或惯性导航辅助算法，计算所述井下装备终端的实时坐标；

19、以及误差校正模块，用于利用所述自组网电台节点间的已知相对位置关系，对解算结果进行动态校正。

20、作为本发明进一步的方案：所述井下装备终端还包括：

21、惯性测量单元，用于在信号遮挡区域提供航位推算辅助定位；

22、以及位置输出接口，用于将推算得到的所述当前位置输出至井下装备的控制系统或地面监控中心。

23、作为本发明进一步的方案：所述自组网电台节点按照200米至500米的可通讯距离间隔固定挂载于井下巷道顶板或侧壁。

24、作为本发明进一步的方案：所述系统支持连续50公里巷道范围内的高精度定位，定位误差不超过30cm。

25、作为本发明进一步的方案：所述自组网电台节点还集成有数据中继功能，用于将所述井下装备终端的定位数据及业务数据通过所述动态mesh网络回传至地面监控中心。

26、作为本发明进一步的方案：所述自组网电台节点还包括uwb信号接收单元，用于接收井下uwb锚点信号，所述融合定位计算单元将所述uwb锚点信号的测距数据纳入融合计算。

27、本发明还提供一种基于自组网电台的井下融合定位方法，采用如上所述的系统，包括以下步骤：

28、s1、在井下巷道内按照预设间距固定挂载多个自组网电台节点，各所述自组网电台节点之间通过自组网协议形成动态mesh网络；

29、s2、通过集成于各所述自组网电台节点内的多源信号接入模块，获取至少两种不同类型信号源的信号传播参数，所述信号源包括井下5g基站信号、wifi接入点信号及所述自组网电台节点间的射频测距信号；

30、s3、通过设置于各所述自组网电台节点内或井下装备终端内的融合定位计算单元，对所述信号传播参数进行融合计算，推算井下装备的当前位置；

31、s4、井下装备终端通过搭载的终端通信模块与邻近的所述自组网电台节点通信，上报位置信息。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果：

33、本发明以自组网电台为核心，主动融合井下已有的5g、wifi等多源信号，当某一信号源因遮挡或多径失效时，其他信号源可自动补充，大幅提升定位鲁棒性。自组网电台节点利用井下已有的5g、wifi基础设施，无需额外布设uwb锚点等专用定位设备，节点间距可达200-500米，显著降低部署成本。电台节点通过自组网协议自动形成mesh网络，当某节点故障或巷道拓扑变化时，网络可自动重构，适应井下动态变化的作业环境。通过多源信号融合计算与误差动态校正，系统可支持连续50公里巷道的高精度定位，定位误差不超过30cm。同时，自组网电台节点承担数据中继功能，定位数据与业务数据共用同一网络回传，避免重复建设。

1.一种基于自组网电台的井下融合定位系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自组网电台节点（100）包括：

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下信号包括5g基站信号、wifi接入点信号及自组网电台节点（100）间的射频测距信号；

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述融合定位计算单元（300）包括：

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下装备终端（400）还包括：

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自组网电台节点（100）按照200米至500米的可通讯距离间隔固定挂载于井下巷道顶板或侧壁。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统支持连续50公里巷道范围内的高精度定位，定位误差不超过30cm。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自组网电台节点（100）还集成有数据中继功能，用于将所述井下装备终端（400）的定位数据及业务数据通过所述动态mesh网络回传至地面监控中心。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自组网电台节点（100）还包括uwb信号接收单元，用于接收井下uwb锚点信号，所述融合定位计算单元（300）将所述uwb锚点信号的测距数据纳入融合计算。

10.一种基于自组网电台的井下融合定位方法，采用如权利要求1至9所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：