一种基于中微子通信的地下定位方法及系统

技术领域

本发明属于定位技术领域，具体涉及一种基于中微子通信的地下定位方法及系统。

背景技术

由于全球人口迅速增长，人类所需活动场所日益增大，造成地上空间资源短缺。因此人们开始探索开发地下空间资源，地下商场、地铁、地下通道、地下储气设备及地下管道等地下空间设施得到快速发展。地下空间定位有助于合理开发和利用地下空间设施，然而在地下由于接收不到GPS信号致使定位十分困难。

跟踪定位技术主要是针对于一个或多个空间物体的位置姿态进行实时测量。对于无GPS信号的移动目标的跟踪定位技术近年来也得到了一定的重视，其定位方法按照所使用传感器位置的不同主要可以划分为两大类：(l)基于外部传感器的定位方法(无线定位技术、红外线定位技术、超声波定位技术、计算机视觉定位技术等)；(2)基于自包含传感器的定位方法(加速度计、陀螺仪、里程计、磁罗盘等)。

无线定位技术是通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体的位置。无线定位技术的应用，主要包括：射频识别、蓝牙、超宽带、Wi-Fi和Zigbee等。①射频识别(RFID)技术是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到目标的识别和定位。但其作用距离短一般为几米；定位精度是20cm数量级。②超宽带(UWB)技术它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒级的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带的定位精度是15cm数量级，通常定位距离限定在20m左右。③蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，但对于地下复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性较差，受噪声信号干扰大。④Wi-Fi收发器都只能覆盖几十米以内的空间，定位精度完全依赖于Wi-Fi网络的部署情况，在Wi-Fi信号密集时，精度可达1米，且Wi-Fi信号很容易受到其他信号的干扰，从而影响其定位精度。⑤Zigbee技术是近年来新兴的短距离、低速率的无线网络技术，其性能介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于地下定位。目前，国内外所使用的无线定位技术仅在井下人员定位和跟踪方面有应用报道，从技术本质上说仅仅是一种考勤记录系统或者仅停留在粗略定位的层面上，完成大致位置确定，而非真正的、精确的跟踪定位。

红外线定位技术的原理是由红外线IR发射经过调制的红外射线，再由光学传感器接收这些红外射线，实现对目标的定位。但红外线定位技术定位精度不高，传输距离较短导致在地下环境中的定位效果很差，而且容易被荧光灯和地下其他灯光干扰，在精确定位上有一定的局限性。

超声波定位技术采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。由于超声波易受多径效应和井下复杂环境的影响，因而限制了它在煤矿井下的继续发展。

除了上述方法外，还有学者利用图像分析、磁场以及信标定位等方法进行研究。基于自包含传感器的定位方法主要有加速度计、陀螺仪、里程计、磁罗盘等。

陀螺仪和加速度计是直接测量被测目标在运动方向上的角速度和线性加速度，通过对加速度和角速度进行积分运算，获得被测目标的位置和姿态数据。里程计是利用齿轮计数的原理得到被测目标行走齿轮的转数，转数乘以行走齿轮的周长得到设备行走的距离，从而确定设备在工作面的位置。磁罗盘是根据指南针原理制成的，利用地磁场固有的指向性测量目标的空间姿态角度，获得目标的姿态数据。

从已有研究成果来看，有关上述方面的研究虽然可以实现对地下移动目标的跟踪定位，但跟踪定位的精度都不高，误差在十几厘米甚至几米。

发明内容

为了解决现有技术存在的在地下由于接收不到GPS信号致使定位十分困难问题，本发明实施例提供以下技术方案：

一方面，一种基于中微子通信的地下定位方法，包括：

接收定位参数信息，所述参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基准站编号信息；

根据所述参数信息计算地下定位站接收所述参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；

根据所述时间差以及所述基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。

进一步地，所述接收定位参数信息为：

通过中微子接收器器接收所述定位参数信息，所述参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基准站编号信息。

进一步地，所述根据所述参数信息计算地下定位站接收所述参数信息的时间与第一时间信息的时间差值，包括：

记录第二时间，所述第二时间为接收所述参数信息的时间；

计算第二时间与第一时间的差值，得到时间差值。

进一步地，所述根据所述时间差以及所述基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标，还包括：

多余观测采用最小二乘法平差求解。

另一方面，一种基于中微子通信的地下定位系统，包括：地面基准站和地下定位站；

所述地下定位站接收所述基准站发送的定位参数信息，所述参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基站编号信息；

所述地下定位站参数信息计算地下定位站接收所述参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；

所述地下定位站根据所述时间差以及所述基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。

进一步地，包括至少三个所述地面基准站和至少一个地下定位站。

进一步地，所述基准站包括：基准站GPS、第一精密时钟以及中微子发射器；

所述基准站GPS与第一精密时钟通过电缆连接，所述第一精密时钟用于记录GPS定位信息以及第一时间信息；

所述第一精密时钟与所述中微子发射器通过电联连接，所述中微子发射器用于向地下定位站发送所述基准站GPS定位信息、所述第一时间信息以及所述基准站的编号信息。

进一步地，所述第一时间信息为精密时钟获取GPS定位信息时的时刻信息。

进一步地，所述地下定位站包括中微子接收器和第二精密时钟；

所述中微子接收器与所述第二精密时钟通过电缆连接；

所述中微子接收器用于接收基准站GPS定位信息、第一时间信息以及基准站的编号信息。

进一步地，所述中微子接收器还用于记录第二时间信息，所述第二时间信息为所述中微子接收器接收到定位参数时的时刻信息。

本发明实施例提供的一种基于中微子通信的地下定位方法及系统，通过地下定位站接收基准站发送的定位参数信息，参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基站编号信息；并通过地下定位站参数信息计算地下定位站接收参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；地下定位站根据时间差以及基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。利用已知各基准站位置、各基准站发射信号与定位站接收信号的时间差以及中微子的传播速度，通过空间直线方程解算地下定位站精确坐标，在地下空间和室内GPS信号弱的区域均可实现精准定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种基于中微子通信的地下定位方法流程图。

图2是本发明实施例中一种基于中微子通信的地下定位系统结构图。

图3是本发明实施例中一种基于中微子通信的地下定位系统的基准站的结构图。

图4是本发明实施例中一种基于中微子通信的地下定位系统的地下定位站的结构图。

附图标记：

1-基准站；1-1-基准站GPS；1-2-中微子发射器；1-3第一精密时钟；2-地下定位站；2-1-中微子接收器；2-2-第二精密时钟。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，位本发明实施例提供的一种基于中微子通信的地下定位方法流程图，

包括：

步骤S11、接收定位参数信息，参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基准站编号信息；

其中，接收定位参数信息为，通过中微子接收器器接收定位参数信息，参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基准站编号信息。

步骤S12、根据参数信息计算地下定位站接收参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；

其中，根据参数信息计算地下定位站接收参数信息的时间与第一时间信息的时间差值，还包括：

记录第二时间，第二时间为接收参数信息的时间；

计算第二时间与第一时间的差值，得到时间差值。

步骤S13、根据时间差以及基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。

其中，根据时间差以及所述基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标，还包括：

多余观测采用最小二乘法平差求解。

需要说明的是多余观测是测量平差计算中的一个术语。它是指在一组观测值中，除了能唯一确定某个几何或物理模型的t个必要观测之外的其余观测值。多余观测即观测值的个数多于确定未知量所必须观测的个数。

通过多余观测，不仅可以检核观测值中是否含有超过允许范围的误差甚至错误，而且在平差后可以提高计算成果的精度。

可以理解为，本发明实施例提供的一种基于中微子通信的地下定位方法，通过接收定位参数信息，参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基准站编号信息；根据参数信息计算地下定位站接收参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；根据时间差以及基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。在地下空间和室内GPS信号弱的区域均可实现精准定位。

本发明还提供了一个对应实现上方法的系统实施例，如图2所示，为一种基于中微子通信的地下定位系统结构图，包括：地面基准站和地下定位站；

其中，包括至少三个地面基准站和至少一个地下定位站。

地下定位站接收基准站发送的定位参数信息，参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基站编号信息；

地下定位站参数信息计算地下定位站接收参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；

地下定位站根据时间差以及基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。

在一个实施例中，可以理解为，分别在地表开阔地中，选择接收GPS信号好的位置设立至少3个基准站，各基准站的中微子发射器按照一定周期(如：每秒、每2秒等)交替对地下发射定位参数信息，定位参数信息内容为各基准站的GPS信息和第一时间信息，第一时间信息可以理解为计转站发射定位参数信息时的精确时间；地下定位站接收各基准站发射的定位参数信息，记录各基准站位置信息(X

……

需要说明的是，在实际使用中还需要对各基准站和地下定位站的精密时钟进行校准，确保其时间同步。

可以理解为，本发明实施例提供的一种基于中微子通信的地下定位系统，包括：地面基准站和地下定位站；通过地下定位站接收基准站发送的定位参数信息，参数信息包括第一时间信息、基准站GPS信息以及基站编号信息；并通过地下定位站参数信息计算地下定位站接收参数信息的时间与第一时间信息的时间差值；地下定位站根据时间差以及基准站GPS信息，通过空间直线方程解算出定位站的位置坐标。用已知各基准站位置、各基准站发射信号与定位站接收信号的时间差以及中微子的传播速度，通过空间直线方程解算地下定位站精确坐标，在地下空间和室内GPS信号弱的区域均可实现精准定位。

作为上述系统的进一步改进，本发明实施例还提供了基准站的结构图，如图2所示，

基准站包括：基准站GPS、第一精密时钟以及中微子发射器；

基准站GPS与第一精密时钟通过电缆连接，第一精密时钟用于记录GPS定位信息以及第一时间信息；

第一精密时钟与中微子发射器通过电联连接，中微子发射器用于向地下定位站发送基准站GPS定位信息、第一时间信息以及基准站的编号信息。

可以理解为，第一精密时钟精准记录基准站GPS定位信息获取时的时刻信息，也就是第一时间信息(T

其中，第一时间信息为精密时钟获取GPS定位信息时的时刻信息。

作为上述系统的进一步改进，本发明实施例还提供了地下定位站的结构图，如图3所示，

地下定位站包括中微子接收器和第二精密时钟；

中微子接收器与第二精密时钟通过电缆连接；

中微子接收器用于接收基准站GPS定位信息、第一时间信息以及基准站的编号信息。

可选地，中微子接收器还用于记录第二时间信息，第二时间信息为中微子接收器接收到定位参数时的时刻信息。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。