基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)研究

吳 畏 劉世森

（中煤科工集團重慶研究院，重慶市九龍坡區(qū)，400039）

基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)研究

吳 畏 劉世森

（中煤科工集團重慶研究院，重慶市九龍坡區(qū)，400039）

針對基于RFID技術(shù)的人員定位系統(tǒng)定位精度偏低的狀況，介紹了一種基于TOA技術(shù)的精確人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TOA技術(shù)實現(xiàn)對煤礦井下人員的精確定位，定位精度誤差不超過5m，定位距離大于150m，并能實時跟蹤井下人員的移動軌跡。

到達時間 精確人員定位 定位精度 定位距離

近年來，隨著我國對煤礦安全的日益重視，基于有源RFID技術(shù)的人員定位系統(tǒng)在煤礦得到了相應的推廣應用，但是這些產(chǎn)品的定位精度較低，不能完全滿足煤礦對井下定位的需求。因此，研制一種具有較高定位精度的井下人員定位系統(tǒng)十分迫切。本文采用信號傳輸?shù)竭_時間（TOA）的測距模式，設計了一套定位誤差最大不超過5m，定位距離大于150m的煤礦井下精確定位系統(tǒng)。

1 到達時間（TOA）定位技術(shù)研究

基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)定位技術(shù)包括兩次對稱測距和一次距離修正，TOA定位測距原理示意圖如圖1所示。

1.1 第一次測距

第一次測距的具體步驟為：

（1）節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)包；

（2）節(jié)點1接收節(jié)點2的硬件自動應答；

（3）節(jié)點1計算出從發(fā)出數(shù)據(jù)包到接收應答的傳播延遲T1；

（4）節(jié)點2從接收到節(jié)點1發(fā)送的數(shù)據(jù)包時開始計時，并在向節(jié)點1發(fā)出硬件應答后停止計時，得到節(jié)點2的處理延遲T2。

圖1 TOA定位測距原理示意圖

1.2 第二次測距

第二次測距的具體步驟為：

（1）節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送包含T2有效信息的數(shù)據(jù)包；

（2）節(jié)點2接收節(jié)點1的硬件自動應答；

（3）節(jié)點2計算出傳播延遲T3；

（4）節(jié)點1計算出自己的處理延遲T4；

（5）節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送包含T3有效信息的數(shù)據(jù)包。

1.3 距離計算

假設信號的單次傳輸距離為d，而實際在整個測距過程中得到的信號傳輸距離為4d，所以單次測量距離d計算由下式得出：

式中：T1——傳輸延時，ns；

T2——處理延時，ns；

T3——傳輸延時，ns；

T4——處理延時，ns；

C——光速，m/s。

1.4 結(jié)果修正

由于無線通信可能被外界干擾而出現(xiàn)通信中斷或誤碼狀況，因此在公式（1）中的參數(shù)T2和T3可能出現(xiàn)值為0的情況，導致測距結(jié)果出現(xiàn)異常偏差，此時節(jié)點1需要根據(jù)前面數(shù)次的測距結(jié)果對本次測距結(jié)果進行修正，排除異常值。

2 系統(tǒng)組成

基于TOA技術(shù)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)主要由人員定位分站、讀寫器和精確定位標簽組成，系統(tǒng)在井下布網(wǎng)時將讀卡器放置在需要定位的巷道中，所有讀卡器均連接到分站。分站對讀卡器采用巡檢的方式，來獲取各個讀卡器采集的精確定位標簽信息。精確定位標簽與讀卡器通過TOA測量技術(shù)測量出兩者之間的距離，并將定位距離通過讀卡器上傳到分站。精確定位標簽若處在信號盲區(qū)則處于睡眠狀態(tài)，一旦進入信號區(qū)后將自動啟動工作狀態(tài)。讀卡器將根據(jù)自身存儲情況及分站的信息對附近的精確定位標簽進行采集處理，而后傳輸至分站。

2.1 精確定位標簽

精確定位標簽由精確定位模塊、顯示模塊、CPU小系統(tǒng)和電源模塊構(gòu)成，精確定位標簽結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

精確定位標簽通過精確定位模塊與讀卡器進行測距，并將測距結(jié)果上傳給分站，各個分站將采集到的信息上傳到地面監(jiān)控及調(diào)度中心，進而實時顯示相應測距信息。

圖2 精確定位標簽結(jié)構(gòu)框圖

2.2 精確定位讀卡器

精確定位讀卡器主要由精確定位模塊、CPU小系統(tǒng)、電源模塊、存儲模塊和外部顯示模塊組成，精確定位讀卡器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 精確定位讀卡器結(jié)構(gòu)框圖

精確定位讀卡器中的精確定位模塊與精確定位標簽完成測距后，接收精確定位標簽上傳的數(shù)據(jù)并記錄到存儲模塊，分站通過RS485接口獲取讀卡器中所有精確定位標簽的測距信息。

3 測試與結(jié)果

基于TOA技術(shù)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)具有測距精度高、測量距離遠等優(yōu)點。為驗證該精確定位系統(tǒng)在井下環(huán)境中的實際效果，在國家煤礦安全工程研究中心清水溪實驗巷道中搭建試驗系統(tǒng)，并在150m范圍內(nèi)測試讀卡器對標簽的定位精度數(shù)據(jù)，精確定位標簽靜態(tài)定位誤差和精確定位標簽移動定位誤差如圖4、圖5所示。

圖4展示了讀卡器與精確定位標簽在不同距離處的靜態(tài)定位誤差，從該圖可以看出在距離讀卡器150m內(nèi)的靜態(tài)定位誤差均在5m之內(nèi)。

圖4 精確定位標簽靜態(tài)定位誤差

圖5展示了精確定位標簽以1.5m/s的速度在距離讀卡器0～150m之間的移動定位誤差。從該圖可以看出，本系統(tǒng)能準確實時的定位出精確定位標簽的移動軌跡，同時定位誤差均在10m之內(nèi)。

圖5 精確定位標簽移動定位誤差

4 結(jié)語

基于TOA技術(shù)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握井下人員的準確位置及活動軌跡，地面監(jiān)控及調(diào)度中心能夠根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)及時采取相應的救援措施，提高了應急救援的工作效率和井下礦工的安全系數(shù)。

［1］ 茍怡，郭海軍.精確定位技術(shù)在煤礦井下的應用研究［J］.中國煤炭，2010（8）

［2］ 史大偉，何繼蘭.煤礦井下人員定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.煤礦機械，2010（9）

［3］ 徐春妹.基于TOA的無線定位技術(shù)及應用［J］.礦山機械，2007（7）

［4］ 何燕，胡捍英，周山.一種新的TOA無線定位算法［J］.無線電通信技術(shù)，2004（1）

［5］ 郭海軍，郭江濤.2.4GHz射頻技術(shù)在煤礦人員定位系統(tǒng)中的應用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007（6）

［6］ 黃緒勇，李國義，杜鵬等.基于射頻技術(shù)的井礦智能標識卡的設計［J］.煤礦機械，2010（3）

Accurate person positioning system for coal mine based on TOA technique

Wu Wei，Liu Shisen
（Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Jiulongpo，Chongqing 400039，China）

Aimed at low accuracy of personnel positioning system based on RFID technique，aprecise personnel positioning system based on time of arrival（TOA）technique was described.The accuracy error of positioning is less than 5m，and the positioning distance is greater than 150 m，achieving real－time path tracing of underground workers.

time of arrival，accurate personnel positioning，positioning accuracy，positioning distance

TD76

A

吳畏（1979－），男，漢族，重慶人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中煤科工集團重慶研究院無線通信所，主要研究方向為井下無線通信技術(shù)。

（責任編輯 路 強）