阅读说明：本技术 基于uwb的变电站巡检定位方法 (Substation inspection localization method based on UWB ) 是由 孙海渤 魏刚 王智睿 唐健 李迎涛 阮爱民 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于UWB的变电站巡检定位方法,包括：标签A进入搜索阶段,寻找可供测距的基站；测距过程中,基站B与标签A会进行三次信息传递,标签A向基站B发送poll消息,标签A记录下此时时间戳t1,基站B收到poll消息后经过一段延时后发送确定消息RNG消息给标签A,并记录下此时时间戳t2,标签A收到RNG消息后记录下此时时间戳t3,经过一段延迟后,标签A将所记录的时间戳附在final消息发送给基站B,基站B收到final消息并记下此时时间戳t4；求得基站与标签之间的距离d＝c*t,服务器每隔固定时间段120ms根据定位算法算出标签当前的坐标。本发明降低时钟漂移影响,不要求设备间时间同步,提高定位精度。(The invention discloses a kind of substation inspection localization method based on UWB, comprising: label A enters the search phase, finds the base station for ranging；In ranging process, base station B and label A will do it tertiary information transmitting, label A sends poll message to base station B, label A records timestamp t1 at this time, base station B sends determining message RNG message to label A after receiving poll message after one section of delay, and record timestamp t2 at this time, label A records timestamp t3 at this time after receiving RNG message, after one section of delay, the timestamp recorded is attached to final message and is sent to base station B by label A, and base station B receives final message and writes down timestamp t4 at this time；The distance between base station and label d=c*t are acquired, server calculates the current coordinate of label according to location algorithm every fixed time period 120ms.The present invention reduces clock drift effect, does not require equipment room time synchronization, improves positioning accuracy.)

基于UWB的变电站巡检定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于UWB的变电站巡检定位方法，属于电力运维技术领域。

背景技术

电力系统的安全有效运行是人们日常生活、工业和农业生产的重要保障，变电站是其中不可或缺的一环。在变电站运行维护过程中，需要对设备进行定期巡视、检查，及时发现并处理设备故障或隐患，处理事故异常情况，以保证设备安全正常运行。由于电力现场作业的复杂性和危险性，电力现场作业管理历来是电力安全生产及其重要的环节，常会出现误操作和安全隐患。

电力运维人员在电力现场进行巡检时，对设备操作带有一定的危险性，所以需要对变电站巡检人员巡检路线进行精确定位，以保证工作人员的生命安全。

根据以上需求，电力部门一般采用基于UWB的变电站巡检定位系统，巡检人员佩戴无线标签，与参照物(基站)之间无线通信定位。由于变电站室内环境复杂，相比于其他无线定位技术，超宽带(Ultra-wideband，UWB)具有抗干扰能力强、带宽极宽、传输速率快、功率消耗小、时间分辨率高和定位精度高等诸多优势，能够适用于变电站巡检系统。

现有技术的变电站巡检定位系统计算标签与基站之间的距离是根据UWB信号在两者之间飞行时间所确定，具体实施过程中需要标签射出信号与基站接收到信号的两个时间戳，由于信号是以光速运动，所以需要保证两个设备之间时间的绝对同步以防产生不合理的误差。该定位方法存在以下缺点：由于设备硬件的精度限制，难以保证两个设备之间时间的绝对同步，因而产生非常大的时间测量误差。同时，采用软件方法进行时间同步也十分困难，现有技术无法解决。由于现有技术中定位的精度决定于两个设备之间是否同步，而现有技术软件和硬件方法均无法实现绝对同步，造成变电站巡检定位不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UWB的变电站巡检定位方法，降低时钟漂移影响，不要求设备间时间同步，提高定位精度至厘米级。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于UWB的变电站巡检定位方法，包括以下步骤：

1)标签A进入搜索阶段，寻找可供测距的基站，基站设置为四个以上，标签A每隔固定时延采用广播式发送消息blk，接受到消息blk信号的基站B回复标签A一个消息包，消息包中携带该基站的ID；

2)测距过程中，基站B与标签A会进行三次信息传递,标签A向基站B发送poll消息，标签A记录下此时时间戳t1,基站B收到poll消息后经过一段延时t_reB后发送确定消息RNG消息给标签A，并记录下此时时间戳t2,标签A收到RNG消息后记录下此时时间戳t3,经过一段延迟t_reA后，标签A将所记录的时间戳附在final消息发送给基站B，基站B收到final消息并记下此时时间戳t4；记t_A＝t3-t1，t_B＝t4-t2；

基站B提取final消息中的时间戳，计算无线信号在空中的飞行时间TOF，

在实际工程中，考虑芯片时钟漂移的影响，则测量飞行时间为：

e_A为基站的时钟漂移，e_B为标签的时钟漂移；

3)已知信号的传播速率为电磁波速率，求得基站与标签之间的距离d＝c*t，其中c为电磁波速率3*10⁸m/s，t即为测量飞行时间TOF_c；

4)各基站将距离数据传送给服务器，服务器每隔固定时间段120ms根据定位算法算出标签当前的坐标，

设各基站的三维坐标为x_i，y_i，z_i，i＝1,2…n，n≥4，需定位的标签A坐标为x，y，z，标签A到各基站的距离为d_i,用最小二乘法解超限定方程组的方式，求得标签A的三维坐标；

具体为：将距离公式表示为AX＝b，

利用最小二乘法解距离方程，求得标签的最小二乘位置估计为：

X＝(A^TA)^-1A^Tb。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述基于UWB的变电站巡检定位方法，其中步骤4)中，

设加权矩阵为W，

求得加权最小二乘位置估计为:

X＝(A^TWA)^-1A^TWb。

前述基于UWB的变电站巡检定位方法，其中W1取值范围为0～1。

前述基于UWB的变电站巡检定位方法，其中t_reA、t_reB设定为40ms。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

不同于以往测距算法要求设备间时间同步的测距算法，本发明采用对称双边双向测距算法进行测距，该方法不要求标签与基站时间同步，也不要求基站间时间同步，与基于时间法和基于时间差法相比，具有明显优势，有效减少了时钟漂移带来的影响，减少了系统的功耗，降低了系统成本，并保证了定位精度。

附图说明

图1是本发明的基站模块结构图；

图2是本发明的标签模块结构图；

图3是本发明的变电站巡检定位流程图；

图4是标签与基站位置图；

图5是基站B与标签A信息传递示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明的基于UWB的变电站巡检定位硬件系统分为三个模块，分别是基站模块，标签模块和服务器模块。所述基站模块包括微控制器芯片(型号：STM32F407)、UWB通信模块(型号:DWM1000)、LED指示灯、以太网模块。当基站工作时，通过基站串口模块或者以太网模块供电，LED指示灯点亮，STM32F407芯片控制基站DWM1000模块收发信号，之后通过以太网模块将位置数据传输至服务器。所述标签模块包括微控制器芯片(型号：STM32F103)、UWB通信模块(型号:DWM1000)、电源模块、LED指示灯。当标签工作时，通过标签自带电源供电，LED指示灯点亮，STM32F103芯片控制标签的DWM1000模块接收基站信号，经过一定的时间延时之后通过标签DWM1000模块将数据发送回基站。上述基于UWB的变电站巡检定位硬件系统是现有的常用系统。

本发明基于上述系统，进行变电站巡检定位，如图3所示包括以下步骤：

1)标签A进入搜索阶段，寻找可供测距的基站，如图4所示基站设置为四个以上，标签A每隔固定时延采用广播式发送消息blk，接受到消息blk信号的基站B回复标签A一个消息包，消息包中携带该基站的ID；

2)测距过程中，如图5所示基站B与标签A会进行三次信息传递,标签A向基站B发送poll消息，标签A记录下此时时间戳t1,基站B收到poll消息后经过一段延时t_reB后发送确定消息RNG消息给标签A，并记录下此时时间戳t2,标签A收到RNG消息后记录下此时时间戳t3,经过一段延迟t_reA后，标签A将所记录的时间戳附在final消息发送给基站B，基站B收到final消息并记下此时时间戳t4；记t_A＝t3-t1，t_B＝t4-t2；

基站B提取final消息中的时间戳，计算无线信号在空中的飞行时间TOF，则

t_A＝2TOF+t_reB (1)

t_B＝2TOF+t_reA (2)

根据以上公式，我们可以得到等式

t_A+t_B＝4TOF+t_reA+t_reB (3)

在式(3)中，t_A、t_reA、t_B和t_reB均为已知值，则飞行时间TOF的理论值为

在实际工程中，考虑芯片时钟漂移的影响，则测量飞行时间为：

e_A为基站的时钟漂移，e_B为标签的时钟漂移，根据式(4)与式(5)，飞行时间的理论值与测量值之间的误差ΔTOF为

因为(t_reB-t_reA)＞＞TOF，以上公式可简化为

t_reB代表标签接收到基站发来的UWB信号与再次发送信号给基站之间的延时；t_reA代表基站接收到标签发来的UWB信号与再次发送信号给标签之间的延时。e_A为基站微控制器的时钟漂移，e_B为标签的微控制器时钟漂移，为硬件的固有属性，一般取自于芯片手册；t_reA、t_reB在软件中自行设置，一般为40ms。根据以上公式，基于双边双程测距的时间误差较低，有效降低了时钟漂移带来的影响，并且与基于时间法和基于时间差法相比，具有明显优势，它不要求设备间时间同步，因此系统不需要时间同步模块，减少了系统的功耗，同时保证了定位精度。

3)已知信号的传播速率为电磁波速率，求得基站与标签之间的距离d＝c*t，其中c为电磁波速率3*10⁸m/s，t即为测量飞行时间TOF_c；

4)各基站将距离数据传送给服务器，服务器程序利用C语言编写，在linux系统中编译实现。在服务器中，每隔固定时间段120ms根据定位算法算出标签当前的坐标，

设各基站的三维坐标为x_i，y_i，z_i，i＝1,2…n，n≥4，需定位的标签A坐标为x，y，z，标签A到各基站的距离为d_i,用最小二乘法解超限定方程组的方式，求得标签A的三维坐标；

具体为：将距离公式表示为AX＝b，

利用最小二乘法解距离方程，求得标签的最小二乘位置估计为：

X＝(A^TA)^-1A^Tb。

本发明在定位过程中，采用4个以上基站的三维坐标作为参考节点，定位节点的位置即是根据参考节点得到的相对坐标。在实际测量中，不可避免地会存在一定的误差，因此需要给每节点的测距结果一个权值，用来标明其测距精度和位置精度，这样可以提高定位精度。由于在实际测量中，不可避免地会存在一定的误差，因此需要给每节点的测距结果一个权值，用来标明其测距精度和位置精度，这样可以提高定位精度。

设加权矩阵为W，W1取值范围为0～1。求得加权最小二乘位置估计为:

X＝(A^TWA)^-1A^TWb。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。