基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统及方法与流程

1.本技术涉及5g定位领域，尤其涉及一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统及方法。


背景技术：

2.目前，国内很多大中型露天矿山根据自己的生产和安全要求配置了运煤车定位及调度系统，一方面合理配车以提高矿山的生产效率，另一方面也可以通过超速报警、碰撞预警、电子围栏越界告警等功能加强对违规操作的管理，防患未然。
3.但是，由于大部分运煤车辆配置的都是普通gps或北斗定位终端，水平精度一般在5～10米，垂直高度更是有几十米的误差，导致车辆在边坡道路上行驶时很难准确定位，导致各种误警情况，调度系统也难以准确把握车辆精确位置，命令无法及时下达。而且随着开采计划的不断变化，边坡和道路也会经常发生改变，传统手段通过建立路网模型并进行纠偏的模式已经不具备可行性，无法依赖频繁的人工维护进行纠偏操作。


技术实现要素：

4.针对上述问题，提出了一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统及方法。
5.本技术第一方面提出了一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统，所述系统包括高精度授时节点、5g核心网、5g通导一体化基站、位置服务平台与定位终端，其中，
6.所述高精度授时节点用于接收卫星信号，驯服本地时钟，所述高精度授时节点与所述5g通导一体化基站通过同步光缆相连，实现亚纳秒级的高精度时间同步；
7.所述5g通导一体化基站播发高精度定位信号，所述定位终端实时接收所述高精度定位信号，进行信号捕获、跟踪及定位解算，并将位置数据上传至所述位置服务平台；
8.所述5g核心网分别与所述5g通导一体化基站和所述位置服务平台间进行网络通信，实现数据交换。
9.可选的，所述5g通导一体化基站包括5g共频带定位模组与5g宏基站bbu，其中，所述5g宏基站bbu内还包括边缘计算平台mec。
10.可选的，所述5g通导一体化基站根据露天矿区道路结构、地图信息、卫星信号覆盖情况，进行定向覆盖，确定目标区域内所述定位终端的三维位置信息。
11.可选的，在卫星信号覆盖盲区，所述系统还包括射频汇聚单元与远端射频单元，进行室内分布覆盖与局域增强补盲。
12.可选的，所述位置服务平台基于所述5g核心网的通信网络，还用于：
13.完成所述定位终端的实时定位；
14.提供电子围栏告警；
15.提供视频联动监控；
16.引入可视化地理测量工具。
17.本技术第二方面提出了一种应用于第一方面任一所述系统的定位方法，包括：
18.通过所述5g通导一体化基站测量所述定位终端所处位置的气压值，并根据所述气压值测量所述定位终端的高度值，将所述气压值与高度值通过电文播发；
19.所述定位终端接收并解析电文信号，确定到达时间差tdoa；
20.所述定位终端测量本地气压值；
21.根据解析后所述电文信号与本地气压值获取所述定位终端的相对基站高度；
22.根据所述时间差tdoa与所述相对基站高度，进行定位解算，实现所述定位终端的定位。
23.可选的，所述根据所述气压值测量所述定位终端的高度值，包括：
24.当大气处于流体静力学平衡时，按流体力学原理有：
[0025][0026]
其中p为测量的所述气压值，p0为参考点的大气压，h0为参考点高度，h为所述定位终端的高度，rd为气体常数，t为大气温度，g为重力加速度；
[0027]
对于真实大气，上式可修改为：
[0028][0029]
可选的，所述进行定位解算，实现所述定位终端的定位，包括：
[0030]
处理所述时间差tdoa，确定所述定位终端高度初值；
[0031]
根据所述定位终端高度初值与相对基站高度计算残差值；
[0032]
设置残差阈值，若所述残差值不小于所述残差阈值，终止定位解算。
[0033]
可选的，若所述残差值小于所述残差阈值，则进行泰勒级数迭代，重新计算所述残差值。
[0034]
本技术的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
[0035]
在矿区建设高精度授时节点，接收bds/gps信号，驯服本地时钟，为整个通导网络提供时间基准；通过授时节点与各基站间的同步光缆，实现亚纳秒级高精度时间同步；通过5g通导一体化基站播发高精度定位信号，位置服务平台实现车辆、人员、设备资产实时精准定位并提供告警管理、海量位置大数据分析、视频联动等功能，也可为矿区地理测绘、传统测量等提供新型技术工具。本技术实现了露天矿开放区域通信及高精度定位信号覆盖，且成本低廉，定位精准。
[0036]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0037]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0038]
图1是根据本技术示例性实施例示出的一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统的示意图；
[0039]
图2是根据本技术示例性实施例示出的一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统室内分布增强网络架构图；
[0040]
图3是根据本技术示例性实施例示出的一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统的流程图。
具体实施方式
[0041]
下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0042]
5g通导一体化系统，是指5g通信和导航定位进行一体化设计，基于3gpp国际标准协议将定位信号与5g通信信号一体化融合，同站共址播发，在通信的同时可提供高精度定位服务，为用户提供从开阔的室外区域到卫星信号受遮挡或相对封闭的室内空间时能持续实现无缝高精度定位的技术手段。
[0043]
图1是根据本技术示例性实施例示出的一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统的示意图，包括高精度授时节点、5g核心网、5g通导一体化基站、位置服务平台与定位终端，其中，
[0044]
高精度授时节点用于接收卫星信号，驯服本地时钟，高精度授时节点与5g通导一体化基站通过同步光缆相连，实现亚纳秒级的高精度时间同步。
[0045]
本技术实施例中，在矿区内建设高精度授时节点。
[0046]
5g通导一体化基站播发高精度定位信号，定位终端实时接收高精度定位信号，进行信号捕获、跟踪及定位解算，并将位置数据上传至位置服务平台。
[0047]
本技术实施例中，5g通导一体化基站包括5g共频带定位模组与5g宏基站bbu，其中，5g宏基站bbu内还包括边缘计算平台mec，边缘计算平台mec可利用无线接入网络就近提供电信用户it所需服务和云端计算功能，而创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境。
[0048]
针对采煤区数公里长的区域，5g通导一体化基站根据露天矿区道路结构、地图信息、卫星信号覆盖情况，进行定向覆盖，确定目标区域内定位终端的三维位置信息。
[0049]
本技术实施例中，定位终端为采煤区的车辆、设备、人员等具有通信功能的定位终端。
[0050]
其中，5g共频带定位模组与5g共频带定位模组播发通导一体信号
[0051]
5g核心网分别与5g通导一体化基站和位置服务平台间进行网络通信，实现数据交换。
[0052]
另外，针对卫星信号覆盖盲区，比如办公楼宇、隧道和井下等环境，利用射频汇聚单元与远端射频单元来进行室内分布覆盖或局域增强补盲，如图2所示，通过射频单元与5g通导一体化定位终端与工作人员进行通信。
[0053]
具体地说，还对定位终端进行改造，同时接收卫星信号、5g通导融合信号，结合惯性模块，进行多源联合定位解算。
[0054]
另外，位置服务平台基于5g核心网的通信网络，实现车辆、人员、设备资产实时精准定位，并提供告警管理、海量位置大数据分析、视频联动等功能，辅助管理人员提升调度
运营能力、强化安全监管、优化管理流程；也可为矿区地理测绘、传统测量等提供新型技术工具。
[0055]
本技术实施例实现了露天矿开放区域通信及高精度定位信号覆盖，且成本低廉，定位精准。
[0056]
图3是根据本技术示例性实施例示出的一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位方法的流程图。
[0057]
在图1的系统定位过程中，系统中定位终端伪距观测方程定义如下：
[0058][0059]
其中，n＝1，2，...，n是基站的编号。在当前观测时刻，定位终端共对n个可见基站所有伪距测量值。若上式误差校正后的伪距测量值为：
[0060][0061]
则校正后的伪距观测方程式：
[0062][0063]
式中的r
(n)
是定位终端到基站n的几何距离，即
[0064][0065]
其中x＝[x，y，z]
t
为定位终端位置坐标，x
(n)
＝[x
(n)
，y
(n)
，z
(n)
]
t
为基站n的位置坐标。由上述推导过程可知定位算法就是求解以下一个四元非线性方程组：
[0066][0067]
在上述方程组中，通过基站自身播发的导航电文来确定基站的位置坐标(x
(n)
，y
(n)
，z
(n)
)，误差校正后的伪距则由定位终端基带信号处理部分测量得到。由于基站分布位置的高度基本一致，导致直接求解上述方程会使得高度误差较大，为此，定位终端同时采用气压计辅助测高，使得未知数z成为已知值。
[0068]
本技术提出的定位方法步骤如下：
[0069]
步骤301，通过5g通导一体化基站测量定位终端所处位置的气压值，并根据气压值测量定位终端的高度值，将气压值与高度值通过电文播发。
[0070]
本技术实施例中，当大气处于流体静力学平衡时，按流体力学原理有：
[0071][0072]
其中p为测量的气压值，p0为参考点的大气压，h0为参考点高度，h为定位终端的高度，rd为气体常数，t为大气温度，g为重力加速度；
[0073]
对于真实大气，上式可修改为：
[0074][0075]
假设所涉及的大气层内的平均温度为tm，从而得到简化的等温大气中的压高公式：
[0076][0077]
若采用摄氏温度值tm，则上式可表示为：
[0078][0079]
步骤302，定位终端接收并解析电文信号，确定到达时间差tdoa。
[0080]
本技术实施例中，解析电文信号算出气压值与高度值，并根据高度值确定到达时间差tdoa。
[0081]
步骤303，定位终端测量本地气压值。
[0082]
本技术实施例中，通过测压仪器直接测量。
[0083]
步骤304，根据解析后电文信号与本地气压值获取定位终端的相对基站高度。
[0084]
根据气压值与高度值与本地气压值获取定位终端的相对基站高度。
[0085]
步骤305，根据时间差tdoa与相对基站高度，进行定位解算，实现定位终端的定位。
[0086]
可选的，以如下步骤进行定位解算，实现定位终端的定位：
[0087]
处理时间差tdoa，确定定位终端高度初值；
[0088]
根据定位终端高度初值与相对基站高度计算残差值；
[0089]
设置残差阈值，若残差值不小于残差阈值，终止定位解算。
[0090]
若残差值小于残差阈值，则进行泰勒级数迭代，重新计算残差值。
[0091]
本技术实施例中，采用气压计辅助测量定位终端的高度，减小测量的高度误差，提升精度。
[0092]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0093]
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统，其特征在于，所述系统包括高精度授时节点、5g核心网、5g通导一体化基站、位置服务平台与定位终端，其中，所述高精度授时节点用于接收卫星信号，驯服本地时钟，所述高精度授时节点与所述5g通导一体化基站通过同步光缆相连，实现亚纳秒级的高精度时间同步；所述5g通导一体化基站播发高精度定位信号，所述定位终端实时接收所述高精度定位信号，进行信号捕获、跟踪及定位解算，并将位置数据上传至所述位置服务平台；所述5g核心网分别与所述5g通导一体化基站和所述位置服务平台间进行网络通信，实现数据交换。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述5g通导一体化基站包括5g共频带定位模组与5g宏基站bbu，其中，所述5g宏基站bbu内还包括边缘计算平台mec。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述5g通导一体化基站根据露天矿区道路结构、地图信息、卫星信号覆盖情况，进行定向覆盖，确定目标区域内所述定位终端的三维位置信息。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在卫星信号覆盖盲区，所述系统还包括射频汇聚单元与远端射频单元，进行室内分布覆盖与局域增强补盲。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置服务平台基于所述5g核心网的通信网络，还用于：完成所述定位终端的实时定位；提供电子围栏告警；提供视频联动监控；引入可视化地理测量工具。6.一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一所述的系统，包括：通过所述5g通导一体化基站测量所述定位终端所处位置的气压值，并根据所述气压值测量所述定位终端的高度值，将所述气压值与高度值通过电文播发；所述定位终端接收并解析电文信号，确定到达时间差tdoa；所述定位终端测量本地气压值；根据解析后所述电文信号与本地气压值获取所述定位终端的相对基站高度；根据所述时间差tdoa与所述相对基站高度，进行定位解算，实现所述定位终端的定位。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述气压值测量所述定位终端的高度值，包括：当大气处于流体静力学平衡时，按流体力学原理有：其中p为测量的所述气压值，p0为参考点的大气压，h0为参考点高度，h为所述定位终端的高度，rd为气体常数，t为大气温度，g为重力加速度；对于真实大气，上式可修改为：
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述进行定位解算，实现所述定位终端的定位，包括：处理所述时间差tdoa，确定所述定位终端高度初值；根据所述定位终端高度初值与相对基站高度计算残差值；设置残差阈值，若所述残差值不小于所述残差阈值，终止定位解算。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，若所述残差值小于所述残差阈值，则进行泰勒级数迭代，重新计算所述残差值。

技术总结
本申请提出了一种基于网络通导一体化的智慧矿山信息定位系统及方法，涉及5G定位领域，该系统包括高精度授时节点、5G核心网、5G通导一体化基站、位置服务平台与定位终端，其中，高精度授时节点用于接收卫星信号，驯服本地时钟，高精度授时节点与5G通导一体化基站通过同步光缆相连，实现亚纳秒级的高精度时间同步；5G通导一体化基站播发高精度定位信号，定位终端实时接收高精度定位信号，进行信号捕获、跟踪及定位解算，并将位置数据上传至位置服务平台；5G核心网分别与5G通导一体化基站和位置服务平台间进行网络通信，实现数据交换。本申请能够实现露天矿开放区域通信及高精度定位信号覆盖，且成本低廉，定位精准。定位精准。定位精准。


技术研发人员：李晓龙 刘晓东 吕波 李元 燕飞云 史瑞峰 肖战中 蔺雨薇 李宁 郝瑞 刘斌 樊跃飞
受保护的技术使用者：中国移动通信集团内蒙古有限公司鄂尔多斯分公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/8