專利名稱：煤礦井下超寬帶定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定位方法及系統(tǒng)，具體地說，是涉及一種煤礦井下超寬帶精確定位方法及系統(tǒng)。
背景技術：
煤炭是我國的主要能源，但由于我國的煤田地質條件復雜，生產(chǎn)條件惡劣，開采技術水平相對落后，生產(chǎn)人員素質較低，導致我國煤礦生產(chǎn)的事故頻發(fā)，煤礦安全問題嚴重制約了我國煤炭工業(yè)的健康發(fā)展。一旦發(fā)生事故，地面人員難以及時動態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，搶險救災、安全救護的效率低，搜救效果差。因此有必要研究煤礦井下目標精確定位方法與系統(tǒng)，這是礦井安全生產(chǎn)的重要保障和應急救援必要手段，同時對提高生產(chǎn)效率、保障井下人員的安全、災后及時施救與自救都具有十分重要的意義。我國煤礦井下是一個特殊的受限環(huán)境，它是由各種縱橫交錯、形狀不同、長短不一的巷道組成，其長度可達幾十到上百公里，且在工作面處巷道的長度是變化的，因此礦井巷道目標定位同一般建筑物內、公路、鐵路隧道等限定空間的目標定位相比，其服務半徑較大。煤礦井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，因此，定位設備必須是防爆型電氣設備，并宜采取安全性能好的本質安全型防爆措施。無線信號在巷道內傳輸存在著大量的反射、散射、 衍射以及透射等現(xiàn)象。礦井巷道空間狹小，定位設備的體積、特別是天線體積不能很大。本質安全型防爆電氣設備的最大輸出功率為25W左右，為將礦井定位設備制成本質安全型防爆電氣設備，設備的發(fā)射功率一般較小。由于巷道相對密閉，不能借助GPS等地面已有的衛(wèi)星定位來輔助井下定位。由此可見，地面成熟的定位方法無法直接應用于井下。目前定位方法主要分為三類接近式定位、推算定位和無線電定位。前兩種方法是基于非測距的定位方法，而無線定位算法是基于測距的定位方法，它通過測量節(jié)點間距離或角度信息計算節(jié)點位置，更具可靠性。無線電定位又可以分為衛(wèi)星無線電定位和地面無線電定位。衛(wèi)星定位則利用GPS、GLN0ASS、伽利略、我國的北斗雙星等衛(wèi)星系統(tǒng)的多個衛(wèi)星實現(xiàn)移動目標的三維位置定位；地面無線定位是通過測量無線電波從發(fā)射機到接收機的參數(shù)來實施移動目標的定位。傳統(tǒng)的無線電定位方法，按照所檢測的特征測量值的不同，分為以下幾種到達角度定位(AOA)，接收信號強度定位法(RSS)，到達時間定位(TOA)，到達時間差定位(TDOA)。RSS是測量接收信號的強度值，然后根據(jù)已知的信道衰落模型及發(fā)射信號場強值來測算參考點與目標點之間的距離，進而實現(xiàn)定位。TOA就是測量出兩個(或多個)已知參考點與目標點之間的信號傳播時間，分別得出目標點與參考點之間的距離，然后以各參考點位置為圓心，以測得的距離為半徑畫圓，可以得到兩個(或多個)圓，這些圓的交點從理論上講就應該是目標節(jié)點在二維平面的位置。TDOA采用了測量目標點發(fā)射信號到達兩不同已知參考點接收機的時間差來實現(xiàn)定位。通過測量出兩個參考點和目標點之間的到達時間的差值，從而得出目標點與參考點之間的距離。AOA是利用參考點接收機上的陣列天線來測量目標點發(fā)射機到達信號的角度來實現(xiàn)定位的。上述方法可以利用不同媒介來實現(xiàn)。目前，我國的井下人員無線定位系統(tǒng)主要以
5射頻識別RFID或PHS技術來實現(xiàn)，它是一種二級集散式的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對井下人員位置監(jiān)測，顯示人員身份等信息。國內外針對煤礦井下的定位方法及系統(tǒng)還有WiFi、ZigBee，以及紅外、超聲波、藍牙等。但上述方法和系統(tǒng)都存在這以下問題RFID方法信號不穩(wěn)定，漏讀本身決定了定位精度取決于基站的密度，這就限制了定位精度的提高；紅外線穿透性差，只適合短距離傳輸，且容易被熒光燈或直射光干擾；超聲波在多徑環(huán)境下效果差；無線局域網(wǎng)技術要求被定位的物體必須支持無線局域網(wǎng)，且定位精度低；藍牙技術成本高，復雜環(huán)境中穩(wěn)定性較差；基于Zigbee、WiFi等技術的計算電磁波能量的定位系統(tǒng)，目前國內已有相關產(chǎn)品出現(xiàn)，如KJ361等，由于這些技術自身的特點決定，在用于位置檢測時這類系統(tǒng)難以達到很好的精度，基于Zigbee、WiFi等技術的定位系統(tǒng)在地面室內環(huán)境的應用情況也不理
術g
；ο超寬帶技術采用極寬的頻譜或極窄脈沖傳送信息，具有很強的時間分辨能力，特別在使用基于到達時間的定位方法時能達到很高的精度，因此超寬帶技術用作定位是有 “天然”的優(yōu)勢，而考慮到寬頻譜會對周圍近距離其他無線信號造成干擾，在地面超寬帶的主要應用領域就是目標定位。目前地面主要的超寬帶定位系統(tǒng)有=LocahzerS系統(tǒng)是由美國AETHERWIRE&L0CATI0N開發(fā)的室內定位系統(tǒng)，測量范圍為30_60m，測距精度為1cm; Sapphire系統(tǒng)是由MultisPeetralsolutions公司開發(fā)的超寬帶室內定位系統(tǒng)，測量分辨率為1ns，定位精度是0. 3m，經(jīng)過數(shù)據(jù)平滑后可到達0. Im ；Unbise室內定位系統(tǒng)是由美國的 Unbise公司開發(fā)的室內定位系統(tǒng)，定位精度是15cm。唐恩科技開發(fā)出國內第一套民用UWB 定位系統(tǒng)iLocateTM無縫定位系統(tǒng)，定位精度是15cm。超寬帶相對紅外、超聲波、藍牙等方法，不需要產(chǎn)生正弦載波，結構簡單、實現(xiàn)成本低；超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的，抗干擾能力強；超寬帶系統(tǒng)使用脈沖的持續(xù)時間一般在0. 20ns 2ns之間，有很低的占空比，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百uW至幾十mW，功耗低。而且井下封閉環(huán)境不受頻率使用的限制。因此，基于超寬帶的定位技術也應該非常適合在煤礦井下使用?，F(xiàn)有的超寬帶定位方法和系統(tǒng)大都采用單一的基于時間定位方法，或者結合基于時間和基于角度的定位方法。但巷道內存在大量的水汽、粉塵等，發(fā)射天線發(fā)出的每一個脈沖都會發(fā)生反射、散射、繞射等現(xiàn)象，沿著不同的路徑到達接收端，這就給定位時間參數(shù)的測算帶來很大的困難。不僅如此，由于巷道的幾何形狀的約束和定位成本的限制，定位參考節(jié)點不能在一個平面空間內隨機的、密集的部署，只能沿巷道方向部署，而單一的基于時間的定位方法的精確度要求至少三個以上的參考點才能保證。此外，AOA定位法需要是由陣列天線，系統(tǒng)設備比較昂貴、復雜，設備體積比較龐大，不適合礦井巷道使用。所以，地面現(xiàn)有的超寬帶定位系統(tǒng)不能直接應用于礦井巷道。

發(fā)明內容
為克服以上不足，特別是為了克服礦井定位系統(tǒng)覆蓋范圍小、抗干擾能力差、定位精確度低、巷道中定位參考點的布置數(shù)量及布置密度受限、礦井定位設備體積受限，超寬帶信號在礦井巷道中傳輸時多徑效應嚴重等問題，本發(fā)明提供了一種精確實時的煤礦井下超寬帶定位方法及系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)充分利用超寬帶技術抗干擾能力強、定位精確、系統(tǒng)設備結構簡單、功耗低等特點，并結合礦井巷道實際工作環(huán)境，利用有限的參考點，實現(xiàn)實時精確地目標定位，滿足了礦井生產(chǎn)調度和災后及時救援的需要。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于帶狀小區(qū)的超寬帶兩步定位方法根據(jù)煤礦井下巷道環(huán)境，用一個個連續(xù)的帶狀小區(qū)重疊著串起來覆蓋整個巷道，并根據(jù)各小區(qū)計算參考點的標稱區(qū)間；目標定位時，首先根據(jù)標稱區(qū)間對接收信號強度數(shù)據(jù)進行濾波，并根據(jù)濾波結果確定參與目標精確定位參考點，認為目標在所選參考點的定位服務小區(qū)的交疊區(qū)域；在測算的目標所在區(qū)域范圍內，以累積平均的方式獲得所選各參考點的接收信號強度數(shù)據(jù)和到達時間數(shù)據(jù)，并計算得到兩組距離值，通過加權計算確定目標的精確位置。所述煤礦井下超寬帶定位方法，包括以下步驟A.根據(jù)巷道分布及工作環(huán)境，布設定位參考點，沿巷道走向劃分各參考點的定位服務區(qū)域，計算各參考點的標稱區(qū)間；B.收集各參考點發(fā)射的定位信號的接收信號強度數(shù)據(jù)，根據(jù)所述標稱區(qū)間對接收信號強度數(shù)據(jù)進行濾波；C.根據(jù)濾波結果，確定參與目標精確定位的參考點，并根據(jù)所選參考點定位服務區(qū)域測算目標所在區(qū)域范圍；D.收集所選參考點發(fā)射的定位信號的到達時間數(shù)據(jù)和接收信號強度數(shù)據(jù)，利用混合定位方法測算所述目標的精確位置。所述步驟A包括下列步驟Al.在巷道的同一側同一高度上沿一定的距離，布設定位參考點，且在巷道拐彎處布置一個彎道參考點；A2.以各參考點為中心，沿巷道劃分連續(xù)重疊的帶狀小區(qū)，認為所述小區(qū)為各中心參考點的定位服務區(qū)域；A3.根據(jù)所述定位服務區(qū)域范圍，計算各小區(qū)內目標到中心參考點的最大距離和最小距離，即目標到中心參考點的距離取值區(qū)間；A4.根據(jù)各參考點發(fā)射信號的強度以及所述各距離取值區(qū)間，計算各小區(qū)內目標接收到中心參考點發(fā)射的定位信號的接收信號強度數(shù)據(jù)取值區(qū)間，認為所述接收信號強度數(shù)據(jù)取值區(qū)間為中心參考點的標稱區(qū)間。所述到達時間數(shù)據(jù)和接收信號強度數(shù)據(jù)是從所述參考點發(fā)射的超寬帶信號中得到。所述步驟B中，根據(jù)所述各參考點的標稱區(qū)間對各接收信號強度數(shù)據(jù)進行過濾， 濾除所述接收信號強度數(shù)據(jù)中的異常值。所述異常值是信號反射所引起的將導致定位誤差的接收信號強度數(shù)據(jù)，以及由于參考點距離目標較遠導致接收信號包含多徑信號的接收信號強度數(shù)據(jù)。所述步驟C包括下列步驟Cl.根據(jù)濾波結果，確定參與目標精確定位的參考點；C2.根據(jù)所選參考點的定位服務區(qū)域，測算目標所在區(qū)域范圍，認為目標在所選參考點定位服務小區(qū)的交疊區(qū)域。所述步驟D中混合定位方法包括下列步驟Dl.目標向所選各參考點發(fā)送定位令牌信息，并記錄發(fā)送時間、；D2.所選參考點接收到所述信息后，延遲時間T1，將延遲時間以及所述信息發(fā)送回目標；D3.目標接收到所選參考點發(fā)射的回復信息后，提取接收信號強度數(shù)據(jù)，并再次向所選參考點發(fā)送定位令牌信息，重復步驟D2和D3，并如此往復N次，對應所選各參考點得到一個接收信號強度數(shù)據(jù)序列PijG = 0,1,..., N),以及記錄目標最后一次接收到參考點發(fā)射的回復信息的時間，其中j表示所選第j個參考點，i表示累積次數(shù)；D4.當多個接收信號來自同一個參考點，認為接收信號強度數(shù)據(jù)較大的信號為定位信號；D5.根據(jù)所述記錄時間、，tlj;計算所選各參考點的到達時間數(shù)據(jù) t —t — nt
t = υ °2n 1，其中j表示所選第j個參考點；D6.根據(jù)所述各接收信號強度數(shù)據(jù)序列
權利要求
1.一種煤礦井下超寬帶定位方法，其特征在于，包括以下步驟A.根據(jù)巷道分布及工作環(huán)境，布設定位參考點，沿巷道走向劃分各參考點的定位服務區(qū)域，計算各參考點的標稱區(qū)間；B.收集各參考點發(fā)射的定位信號的接收信號強度數(shù)據(jù)，根據(jù)所述標稱區(qū)間對接收信號強度數(shù)據(jù)進行濾波；C.根據(jù)濾波結果，確定參與目標精確定位的參考點，并根據(jù)所選參考點定位服務區(qū)域測算目標所在區(qū)域范圍；D.收集所選參考點發(fā)射的定位信號的到達時間數(shù)據(jù)和接收信號強度數(shù)據(jù)，利用混合定位方法測算所述目標的精確位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A包括下列步驟Al.在巷道的同一側同一高度上沿一定的距離，布設定位參考點，且在巷道拐彎處布置一個彎道參考點；A2.以各參考點為中心，沿巷道劃分連續(xù)重疊的帶狀小區(qū)，認為所述小區(qū)為各中心參考點的定位服務區(qū)域；A3.根據(jù)所述定位服務區(qū)域范圍，計算各小區(qū)內目標到中心參考點的最大距離和最小距離，即目標到中心參考點的距離取值區(qū)間；A4.根據(jù)各參考點發(fā)射信號的強度以及所述各距離取值區(qū)間，計算各小區(qū)內目標接收到中心參考點發(fā)射的定位信號的接收信號強度數(shù)據(jù)取值區(qū)間，認為所述接收信號強度數(shù)據(jù)取值區(qū)間為中心參考點的標稱區(qū)間。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述到達時間數(shù)據(jù)和接收信號強度數(shù)據(jù)是從所述參考點發(fā)射的超寬帶信號中得到。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B中，根據(jù)所述各參考點的標稱區(qū)間對各接收信號強度數(shù)據(jù)進行過濾，濾除所述接收信號強度數(shù)據(jù)中的異常值。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述異常值是信號反射所引起的將導致定位誤差的接收信號強度數(shù)據(jù)，以及由于參考點距離目標較遠導致接收信號包含多徑信號的接收信號強度數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟C包括下列步驟 Cl.根據(jù)濾波結果，確定參與目標精確定位的參考點；C2.根據(jù)所選參考點的定位服務區(qū)域，測算目標所在區(qū)域范圍，認為目標在所選參考點定位服務小區(qū)的交疊區(qū)域。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟D中混合定位方法包括下列步驟Dl.目標向所選各參考點發(fā)送定位令牌信息，并記錄發(fā)送時間、；D2.所選參考點接收到所述信息后，延遲時間τ ”將延遲時間以及所述信息發(fā)送回目標；D3.目標接收到所選參考點發(fā)射的回復信息后，提取接收信號強度數(shù)據(jù)，并再次向所選參考點發(fā)送定位令牌信息，重復步驟D2和D3，并如此往復N次，對應所選各參考點得到一個接收信號強度數(shù)據(jù)序列Pu (i = 0,1,..., N),以及記錄目標最后一次接收到參考點發(fā)射的回復信息的時間，其中j表示所選第j個參考點，i表示累積次數(shù)；D4.當多個接收信號來自同一個參考點，認為接收信號強度數(shù)據(jù)較大的信號為定位信號；
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，通過一個直接序列脈沖超寬帶系統(tǒng)來實現(xiàn)。
9.一種煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，包括井上設備和井下設備，其特征在于，所述井上設備包括上層終端，定位數(shù)據(jù)服務器，地面監(jiān)控終端，交換機；所述井下設備包括本質安全型網(wǎng)關，本質安全型無線中繼，本質安全型參考點終端，以及本質安全型定位終端；定位數(shù)據(jù)服務器(1)和地面監(jiān)控終端(2)通過交換機(3)與本質安全型網(wǎng)關(5)構成有線網(wǎng)絡，并通過hternet網(wǎng)絡將實時定位數(shù)據(jù)傳送給上層終端(4)；巷道內本質安全型網(wǎng)關( 通過總線掛接在交換機C3)上；本質安全型定位終端(8)由井下作業(yè)人員或者機械裝置攜帶； 本質安全型定位終端(8)，本質安全型參考點終端(7)，本質安全型無線中繼(6)以及本質安全型網(wǎng)關(5)構成脈沖超寬帶無線定位網(wǎng)絡；所述定位數(shù)據(jù)服務器(1)，接收并存儲定位終端位置數(shù)據(jù)；所述地面監(jiān)控終端O)，記錄本質安全型參考點終端的位置信息；劃分定位服務小區(qū)； 計算各本質安全型參考點終端標稱區(qū)間，并發(fā)送給本質安全型參考點終端；計算接收信號強度定位方法和到達時間定位方法誤差概率分布；接收本質安全型定位終端發(fā)送的與所選各本質安全型參考點終端的兩組距離信息，根據(jù)接收信號強度定位方法和到達時間定位方法誤差概率分布對其加權計算，并根據(jù)所選各本質安全型參考點終端位置信息計算本質安全型定位終端位置，并發(fā)送給定位數(shù)據(jù)服務器以及上層終端；所述交換機(3)和所述本質安全型無線中繼(6)轉發(fā)標稱區(qū)間信息以及實時距離信息；所述本質安全型網(wǎng)關(5)接收本質安全型無線中繼發(fā)送的超寬帶無線數(shù)據(jù)，并將其轉換成有線數(shù)據(jù)發(fā)送給交換機；接收交換機發(fā)送的有線數(shù)據(jù)，并將其轉換成超寬帶無線數(shù)據(jù)發(fā)送給本質安全型無線中繼；所述本質安全型參考點終端(7)分配唯一的標識碼；從地面監(jiān)控終端獲取其標稱區(qū)間信息；接收本質安全型定位終端發(fā)送的定位令牌信息，并延遲一定時間，將其標識碼、標稱區(qū)間、延遲時間以及所述信息發(fā)送回本質安全型定位終端；所述本質安全型定位終端(8)分配唯一的標識碼；每隔一段時間廣播定位令牌信息， 并接收本質安全型參考點終端回復的定位信息，提取接收信號強度數(shù)據(jù)，解析信息中本質安全型參考點終端的標識碼和標稱區(qū)間，過濾各接收信號強度數(shù)據(jù)，確定參與目標精確定位的本質安全型參考點終端；對所選本質安全型參考點終端連續(xù)N次發(fā)送定位令牌信息， 記錄發(fā)送時間、各接收信號強度，以及接收到所選各本質安全型參考點終端回復的最后一條定位令牌信息的時間；根據(jù)混合定位方法計算兩組距離值，將其發(fā)送給地面監(jiān)控終端。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地面監(jiān)控終端(2)包括處理器單元、參考點標識存儲單元、電源接口、誤差概率分布存儲單元、參考點位置存儲單元和有線接口。
11.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質安全型網(wǎng)關(5)包括CAN總線接口、PR0FIBUS總線接口、L0NW0RKS總線接口、FF總線接口、接口轉換單元、電源接口、無線接口單元、超寬帶天線和開關電路。
12.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質安全性參考點終端(7)包括 處理器、標識碼存儲單元、電池、標稱區(qū)間存儲單元、延遲器、超寬帶信號產(chǎn)生單元、超寬帶接收單元、超寬帶天線和開關電路。
13.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質安全型定位終端(8)包括處理器、標識碼存儲單元、電池、用戶接口單元、信號強度濾波電路、超寬帶信號產(chǎn)生單元、超寬帶接收單元、信號特征存儲單元、信號特征采集器、超寬帶天線和開關電路。14.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述井下設備均采用本質安全型防爆設
備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤礦井下超寬帶定位方法及系統(tǒng)。本方法是一種帶狀小區(qū)兩步定位法，沿巷道劃分多個連續(xù)重疊的帶狀定位服務小區(qū)，計算各參考點標稱區(qū)間，目標根據(jù)其對各RSS數(shù)據(jù)進行濾波，測算目標所在區(qū)域范圍，再利用基于累積平均加權處理的混合定位方法，得到目標精確位置。本系統(tǒng)包括上層終端，定位數(shù)據(jù)服務器，地面監(jiān)控終端，交換機，本質安全型網(wǎng)關，本質安全型無線中繼，本質安全型參考點終端，以及本質安全型定位終端。本發(fā)明的超寬帶定位方法及系統(tǒng)具有抗干擾能力強、定位精確、系統(tǒng)設備結構簡單、功耗低，更加適合巷道工作環(huán)境，并滿足煤礦井下特定的使用環(huán)境與安全要求。
文檔編號H04B1/69GK102213755SQ201110082730
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權日2011年4月2日
發(fā)明者孫繼平, 李鳴 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)