[发明专利]基于压缩感知子空间重构的TOA矿井目标定位方法

说明书

本发明公开了煤矿井下安全监控与通信领域中一种基于压缩感知子空间重构的TOA矿井目标定位方法，使感知节点用少于发射频率两倍的样本信息还原出原始信号，主要解决了因感知节点频繁感知实时采集的定位能耗，以及环境因素对定位误差的影响的问题。该方法通过在基于TOA矿井目标定位方法中引入压缩感知子空间重构，使得感知节点采样数据量减少的情况下，也能够进行目标的精确定位，进而提高定位方法的精度。同时，本方法还可以缩短定位时间，降低定位的能耗，更利于目标定位方法在矿井中的实际应用。

技术领域

本发明属于煤矿井下安全监控与通信领域，涉及一种基于压缩感知子空间重构的TOA矿井目标定位方法，尤其涉及一种煤矿井下定位算法中提高定位性能，降低感知节点采样数据量缩短定位时间的情况。

背景技术

目标定位作为煤矿井下的重要研究内容之一，同时也是矿井高效安全生产的重要保障，只有在系统采集的信息中包含有位置信息，才能帮助矿井管理人员了解巷道发生了何种事件，协助进行资源的合理调配；并在矿井发生塌陷等事故时，帮助救灾人员掌握矿工的位置以快速制定并实施营救方案；同时还可以辅助确定割煤深度，支撑强度，人员距离等对生产过程起到监控作用。所以，实现煤矿井下目标的精确定位就显得尤为重要了。

而当下流行的GPS定位存在只能在卫星覆盖区域内发挥作用的缺点，同时，由于矿井下巷道狭长，粉尘多，人员，煤壁和其他移动设备也会存在干扰的特点，使得其他一些针对地面环境的定位技术没有用武之地。

目前的实现煤矿井下定位的方法主要是基于测距和非测距，其中测距方面主要有基于到达时间TOA、基于到达时间差TDOA，基于到达角度AOA和基于功率到达强度RSSI等，需要的信标节点数量多，结构复杂，成本高，而且定位精度较低。基于TOA定位的基本思想是发射节点发射信号到接收节点的距离与电波的传播时间成正比，它的测量原理是利用电磁波发射速度 c已知的条件，根据接收节点接收到的发射节点发射信号的到达时间t_TOA，速度乘以时间得到接收节点与发射节点之间的距离c*t_TOA＝T₁-T₀。

然而，近年来，随着传感器技术，嵌入式技术以及无线通信技术的飞速发展，无线传感器网络作为一种新兴网络，在国防军事，环境监测，城乡医疗，农业生产等方面都有着广阔的应用前景。同时定位作为无线传感器网络的支撑技术，要满足传感器采集的信息与现实世界产生联系并且具有一定的实际意义，就要求采集到的信息中包含位置信息。同时，要实现目标的精确定位，传感器节点要对目标节点频繁感知，实时采集，得到的数据量庞大，而处理大量数据能耗大，同时对信号采样速率和数据处理速度提出了较高要求，也对传统的香农- 奈奎斯特采样定理来说是一个巨大挑战。所以，2006年Candes等提出的压缩感知理论就为解决上述问题提出了新的思路。他突破了香农定理的瓶颈，信号采样率即使在不满足奈奎斯特采样定理要求的情况下也能够进行高分辨率信号的采集，即在较少信号采集量的情况下以高概率重构出包含原始信号足够信息的重构信号。

综上所述，煤矿井下目标的精确定位的实际应用中，巷道无线信号的多径干扰以及误差累计很难做到完全消除，那么在这种复杂的传输环境中定位精度就有所下降，而且随着采样数据的增加，系统的能耗就会急剧增加，煤矿井下目标的精确定位方法的实现也会受到限制。为此，我们必须找到一种方法来实现上述方案-让利用少量的感知节点采样数据的目标定位方法在煤矿井下的复杂环境下实现精确定位。

发明内容

本发明的目的在于针对感知节点对目标节点频繁感知，实时采集的过程中，传统的香农奎斯特采样定理对信号采样速率的限制无法满足要求的问题，以及煤矿井下巷道环境复杂的问题，提出一种基于压缩感知子空间重构的TOA煤矿井下目标定位方法。该方法是在基于TOA 的煤矿井下定位方法中引入压缩感知子空间重构方法，使得感知节点采样数据量减少的情况下，提高定位方法的精度。同时，本发明还可以缩短定位时间，降低定位的能耗更利于目标定位方法在煤矿井下的实际应用。