[发明专利]基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，包括地面监控中心，上层终端，井下中心站，网关节点，光纤，总线，锚节点，移动节点；

所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；

所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据；

所述井下中心站是交换机，汇聚网关节点通过总线发过来的定位数据包，通过光纤传输到地面监控中心；

所述网关节点布设在支巷道的端点，接收锚节点转发的移动节点发射的定位数据包，通过总线传送到井下中心站；

所述每个移动节点分配一个识别码，与移动目标唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点以超声波为传输介质向一侧巷道壁及巷道底面发射超声波信号并接收反射回波，测量其与巷道壁的距离和其与巷道底面的距离，以电磁波为传输介质与锚节点进行通信，获取锚节点发射信号的接收强度和锚节点数字编号，处理形成定位数据包；移动节点将定位数据包发送给最近的锚节点，定位数据包经过锚节点间的存储转发至地面监控中心；

所述锚节点悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等；锚节点向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点发射的电磁波定位请求信号和定位数据包，将移动节点的定位数据包发送至相邻锚节点或网关节点，每个锚节点接收相邻锚节点的数据包并存储转发至相邻的另一个锚节点，接力转发数据包直至到网关节点，每个锚节点分配一个数字编号N，数字编号与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；规定井下巷道纵向坐标轴坐标增大的方向为正方向，N的数值沿着正方向增大；

所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，连接网关节点与井下中心站，实现网关节点与井下中心站之间的数据传输；

所述光纤连接井下中心站与地面监控中心，实现地面监控中心与井下中心站的数据传输；

所述网关节点、锚节点和移动节点上安装传感器，检测周围的环境信息，采用与定位数据信息相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心；

所述井下电磁波超声联合定位系统中的井下设备，包括网关节点、总线、锚节点、移动节点，全是本质安全型设备。

2.根据权利要求1所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，所述网关节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源、总线模块；

所述锚节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源；

所述移动节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、超声波收发单元、传感器、电源。

3.根据权利要求2所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，网关节点、锚节点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元、移动节点中的超声波收发单元和网关节点中的总线模块分别与各节点中的处理器存储器单元相连；各节点的电磁波收发单元接收和发送无线电磁波信号，移动节点中的超声波收发单元接收和发送超声波信号；网关节点、锚节点和移动节点中的传感器检测周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息，检测结果用与定位数据相同的传输方式，传送到地面监控中心；各节点中的处理器存储器单元存储、处理接收的数据，控制其它单元的运行；网关节点中的总线模块连接总线；各节点中的电源提供电能。

4.一种基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，包括下列步骤：

A.根据巷道空间结构和工作环境，布设锚节点、网关节点及井下中心站；

B.移动节点周期性向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波，记录发射超声波的时刻t₁，记录接收到巷道壁反射回波的时刻t₂，同时记录传感器测得的环境温度T；

C.发射超声波信号的同时，移动节点向周围锚节点发送电磁波定位请求信号，信号中包含移动节点的识别码，接收到该请求信号的锚节点予以响应，向移动节点发射包含移动节点识别码和锚节点数字编号的电磁波定位信号；

D.移动节点选择接收附近锚节点响应其请求信号发射的电磁波定位信号中包含自己识别码的定位信号，处理形成定位数据包发送给距其最近的锚节点，定位数据包通过锚节点的接力转发，最终传至地面监控中心；

E.地面监控中心接收到转发上来的移动节点发射的定位数据包后，提取其中的信息，计算出移动节点的坐标。

5.根据权利要求4所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤A包括下列步骤：

A1.在巷道内锚节点沿巷道纵向一字排开吊挂在巷道顶板，锚节点到两侧巷道壁的距离相等，任意两个相邻锚节点的距离应不大于锚节点间无线通信距离，不大于移动节点电磁波信号的覆盖半径，保证移动节点在巷道内任意位置都至少有两个锚节点接收到其发射的电磁波信号；

A2.根据井下巷道的结构特点，在每条支巷道的端点布设一个网关节点，网关节点与巷道端点处的锚节点的距离应不大于锚节点和网关节点之间的无线通信距离；

A3.根据井下巷道的结构特点及各网关节点的位置，选择既便于通过光纤连接地面监控中心又便于通过总线连接各网关节点的地点安置井下中心站，井下中心站通过总线与网关节点相连，通过光纤与地面监控中心相连。

6.根据权利要求4所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤B中移动节点发射的超声波信号采用码分多址的方法提高信号的抗干扰能力，根据井下移动目标的数量，生成PN码，每个移动节点一个PN码，与移动节点的识别码相对应，移动节点发射的超声波信号包含自己的PN码，只接收包含自己PN码的反射回波。

7.根据权利要求4所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤D包括下列步骤：

D1.移动节点选择接收附近锚节点响应其定位请求信号发射的电磁波定位信号中包含移动节点识别码的定位信号，测得各定位信号的信号强度，记为，i＝1，2，…n，n为选择接收的锚节点的电磁波定位信号数，提取信号强度最大的两个信号中锚节点的数字编号，记为N₁、N₂，N₁＜N₂，抛弃其它信号，N₁的信号强度记为P_R1，N₂的信号强度为P_R2；

D2.移动节点将P_R1、P_R2、t₁、t₂、T、N₁、N₂和移动节点识别码打成定位数据包，发送给N₁或N₂锚节点，如果P_R1＞P_R2，发送给N₁锚节点，反之，发送给N₂锚节点，锚节点通过接力转发定位数据包至所在巷道端点处的网关节点；

D3.网关节点收到定位数据包后，通过总线转发给井下中心站，井下中心站通过光纤发送至地面监控中心。

8.根据权利要求4所述基于距离约束的井下电磁波超声联合定位方法，其特征在于，所述步骤E包括下列步骤：

E1.地面监控中心从井下中心站接收转发上来的定位数据包，提取数据包中的P_R1、P_R2、t₁、t₂、T、N₁、N₂和移动节点的识别码；

E2.地面监控中心根据存储的移动节点的识别码与移动目标的名称或身份的对应关系，提取移动目标的名称或身份；

E3.地面监控中心根据存储的锚节点数字编号与其位置坐标的对应关系，提取锚节点N₁、N₂的纵向坐标，设纵坐标分别为y₁、y₂，将t₁、t₂、T、P_R1、P_R2带入移动节点坐标式

(12(c0+0.607T)·(t2-t1),y1+(y2-y1)·10PR210δ10PR110δ+10PR210δ)]]>

得到移动目标的坐标位置，c₀表示超声波在0℃的速度，δ为对数-常态分布模型中的路径衰减因子，均为已知量。