[0001] 本发明涉及隧道安全监测的技术领域，尤其是指一种面向隧道安全监测的基于UWB的三维定位方法。

[0002] 地铁隧道、煤矿巷道等环境的建设施工和生产过程中，人员预警和交通控制都依赖人员和设备的定位信息；当有事故发生时，指挥救援决策也依赖这些定位信息，因此，隧道中人员、生产设备（如盾构机、台车等）和运输设备（如小火车）的精确位置对安全生产非常重要。隧道内没有卫星定位信号，一般也没有公用移动通信信号，不能采用地面的GPS或者北斗等定位系统以及基于移动通信的定位系统，室内定位系统往往采用超宽带（Ultra‑Wideband，UWB）定位方法。基于UWB的定位方法可以达到厘米级的定位精度，常见的UWB测距方法是通过计算飞行时间（Time of Flight，TOF）来实现的，其中双边双向测距（Double side two‑way ranging，DS‑TWR）是一种常用的测距算法。DS‑TWR方法的测距发起方和响应方互相发送各自的接收和发送时间戳，最后根据时间戳数据计算出通信帧在节点之间的飞行时间，最后乘以环境中修正后的光速，得到测距结果。

[0003] 在基于测距的定位中，被定位节点需要与多个锚节点（位置已知）进行两两测距才能计算出被定位节点的位置，这需要比较密集的锚节点，而且测距通信的次数较多，很难适合隧道窄长型空间的应用场合。除了待定位节点与定位锚节点的距离信息外，如果还能够测量待定位节点与定位锚节点天线平面的角度，则可以大量减少锚节点的数量和定位所需要的通信次数。PDOA（Phase‑Difference‑of‑Arrival，信号到达相位差）方法是测量待定位节点与定位锚节点的相对角度信息的典型方法。具体方法是在锚节点上安装两根天线，天线的间距d小于λ/2（λ为UWB的波长），由于待测节点与两根天线的距离有差别，因此两根天线接收到的信号的相位不同，通过相位差可以计算出锚节点与信号源的相对角度值。锚节点的两根天线只能测量出待测节点与锚节点天线在同一平面（或者在该平面上投影）的角度，因此，为了在单锚节点的情况下获得被测节点的三维定位数据，需要设置多组不平行的天线。

[0004] 在常见的半波长间距的三天线阵列中，测角误差一般在3‑5°。在地铁隧道和煤矿井巷道等场景中，施工现场类似于狭长的走廊，锚节点一般间隔300‑500米铺设。假设待测人员与锚节点相距200米，角度测量误差为4°，在垂直于隧道的方向上，距离误差近似为14米。误差值已经超过了地铁隧道等施工现场的宽度，测量误差太大，可用性差。在多锚节点的定位中，往往需要多次双向测距，而双向双边测距方法中每次节点收到一帧都需要等待一定时间后再发送，每增加一次测距，都会增加多次等待时间使系统的实时性下降，过长的定位时间也减少了锚节点可以实时测距的最大节点数，这些缺点在需要人员设备数量较多或人员设备在高速移动时非常明显。为了提高隧道中三维定位的精度和定位节点的数量，需要提高PDOA测角的精度和减少通信次数。

[0024] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0025] 本实施例公开了一种面向隧道安全监测的基于UWB的三维定位方法，其具体情况如下：在锚节点上设置由三对天线构成的天线阵列，通过该天线阵列的位置摆放来实现半球面方向的高精度测角，具有一定角度信息冗余以提高精度和鲁棒性。

[0026] 如图1所示，天线阵列采用的三对天线，分别是1号天线与2号天线组成一对，3号天线与4号天线组成一对，5号天线与6号天线组成一对；所述天线阵列整体呈等边三角形摆放，包含内外两个等边三角形，其中1号天线、4号天线和6号天线组成外等边三角形，2号天线、3号天线和5号天线组成内等边三角形，外等边三角形的边长为UWB的2倍波长，每对天线中的两根天线间距略小于UWB的二分之一波长，每对天线的连线垂直于内外两个等边三角形的对边。

[0027] 本实例以DW1000芯片作为天线的接收芯片，天线阵列中每根天线需要配备一个DW1000芯片，共6个；所有的DW1000芯片由同一个晶振提供时钟，晶振到每个DW1000芯片的距离相等。采用STM32H750VBT6作为主控芯片，用SPI接口与DW1000芯片进行通讯；主控芯片负责测距流程的控制和定位算法的数据计算。DW1000通过SPI接口接收主控芯片的发送与接收命令，按命令中规定的时间发送测距帧或者接收测距帧并产生高精度的接收时间戳与接收相位值，接收完成后通知主控芯片读取数据。

[0028] 图2和图3为待测节点X与锚节点A的双边双向测距（DS‑TWR）过程，待测节点（亦为标签节点）为测距发起者，按设定周期发送测距请求帧，即Poll帧；锚节点收到Poll帧之后，延时一段时间后，发送响应帧，即Resp帧，待测节点收到Resp帧之后，延时一段时间后，发送一次测距的最后一帧，即Final帧，锚节点接收到Final帧之后，完成一次DS‑TWR测距。整个通信帧由Poll帧、Resp帧和Final帧组成。本实例的定位方法流程如图4所示，具体如下：Step401（启动定位通信）：待测节点按一定周期发送测距请求帧，即Poll帧，在帧中加入本次Poll帧的发送时间戳。

[0029] Step402（完成定位通信）：锚节点的天线阵列接收待测节点的Poll帧，其中第一根接收到Poll帧的天线成为锚节点的响应天线，其它天线为非响应天线；锚节点的响应天线产生Poll帧接收时间戳。响应天线主动延时 时间后发送Resp帧回复待测节点；同时，锚节点的天线阵列可以获得待测节点发送Poll帧的PDOA（到达相位差）数据。

[0030] 响应天线在延时 时间期间，锚节点的天线阵列中剩余的非响应天线依次接收到Poll帧，每根天线都产生对应的Poll帧接收时间戳。记录每根非响应天线的Poll帧接收时间戳与响应天线的Poll帧接收时间戳之差 ，如图3所示。

[0031] 待测节点接收到Resp帧，产生Resp帧接收时间戳，待测节点主动延时 时间后发送Final帧。Final帧中包含待测节点Resp帧的接收时间戳和Final帧的发送时间戳数据。

[0032] Step403（获得距离和相位差数据）：锚节点的响应天线接收到Final帧，产生Final帧接收时间戳。计算出图2中的 、 、 、 四个时间差数据，有如下测距公式：（1）；
式中， 是响应天线与标签节点之间帧的飞行时间的计算值， 是响应天线与标签节点的距离（帧飞行时间乘以光速）的计算值， 为待测节点发送Poll帧与接收到Resp帧的时间差， 为锚节点发送Resp帧与接收到Final帧的时间差， 为待测节点预设延迟时间， 为锚节点预设延迟时间，C为空气中的光速。

[0033] 锚节点的非响应天线测距流程如图3所示，锚节点的非响应天线随后依次接收到Final帧，产生对应的接收时间戳；同时，锚节点的天线阵列可以获得待测节点发送Final帧的PDOA（到达相位差）数据。计算每根非响应天线的Final帧接收时间戳与响应天线的Final帧接收时间戳之差 ，非响应天线根据下式得到测距结果：（2）；
式中， 是非响应天线与标签节点之间帧的飞行时间的计算值， 是非响应
天线与标签节点之间的距离（飞行时间乘以光速）的计算值。根据上述公式（2）依次计算出每根非响应天线到待测节点的距离，至此得到了6根天线各自到待测节点的距离。

[0034] Step404（粗定位）：待测节点与锚节点测距过程通信结束后，测距节点可以及时进入睡眠状态，以节省能量；锚节点的6根天线都会接收到与待测节点在一次DS‑TWR通信的Poll帧和Final帧的UWB信号，从而每对天线得到两个PDOA相位差，其中Poll帧和Final帧各一次，并取每对天线两个PDOA相位差的平均值为该对天线本次DS‑TWR通信的接收相位差。

[0035] 假设锚节点天线平面置于 平面，以等边三角形重心为坐标原点，三角形边长为 ， 为UWB的波长，每对天线间距为a。设待测节点的三维坐标为 。三对天线共有6个距离关系式：（3）；
式中， 、 、 、 、 、 分别为待测节点到1、2、3、4、5、6号天线的距离；设为 号天线， 为 号天线， ， 为每对天线中两根天线到待测节点的距离
平均值， 为 号天线与 号天线接收信号的相位差（采用弧度表示），如下式（4）所示：
（4）；
由公式（3）和（4）得到粗定位的待测节点坐标 ，表示为：
（5）；
Step405（精定位）：由1号天线、4号天线和6号天线相互之间的相位差，根据三根天线的距离公式有：
（6）；
按照前述公式（4）相同的求解方法，有：
（7）；
（8）；
式中， 是两根远距离天线（即间距为 的两根天线）之间的真实相位差的
候选值， 为两根远距离天线之间的通过UWB芯片测得的相位差， 的真实值可能与 的测量值相差 ， ，从而得到精定位中待测节点坐标 的
三个候选值。

[0036] Step406：（精确坐标定位）：根据粗定位和精定位的三个候选值，按照下式得到最终的精确定位坐标 为：（9）；
式中， 为 向量坐标表示， 为 的向量坐标表示，即
选择粗定位和精定位之间距离最小者的坐标为待测节点的最终定位结果。

[0037] 最后，锚节点将待测节点的坐标精确定位坐标 发送给安全监控系统。

[0038] 图5给出了粗定位范围效果图，假如待测节点（某一待定位设备）位于上方的轨道。尽管UWB测距精度在30cm左右，远小于轨道宽度，待测节点可能位于以锚节点为圆心、测距结果为半径、测角误差为角度范围的圆弧上任意一点。采用一般小间距天线阵列的定位方法（即仅仅依赖图2的DS‑TWR和对应的PDOA的粗定位方法），由于角度误差较大，在远距离时，设备的定位结果会产生较大的位置误差，因而无法判断设备位于上方轨道还是下方轨道。图6给出本发明的精确定位结果，由于测角误差缩小到粗定位角度误差的四分之一以内，定位精度大幅度提高了，不会产生判断错误的误差。

[0039] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。