基于UWB的礦井人員精準(zhǔn)定位技術(shù)

劉世森

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037）

及時(shí)準(zhǔn)確掌握礦工在井下的具體位置在礦井生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。但是，市場上絕大多數(shù)煤礦人員考勤管理系統(tǒng)只能提供區(qū)域定位功能，定位精度不高，僅能單向?qū)崿F(xiàn)井下人員考勤管理，煤礦對利用相應(yīng)的礦井人員跟蹤定位監(jiān)控設(shè)備，全天候?qū)γ旱V入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤定位，隨時(shí)掌握每個(gè)員工在井下活動(dòng)軌跡、全礦井下人員的位置分布情況等需求迫切[3]。因此，提出一種基于UWB（超寬帶）技術(shù)的礦井人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 UWB技術(shù)

超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)[4-5]。由于UWB系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度可以非常低，幾乎被湮滅在各種電磁干擾和噪聲中，使其具有功耗低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、隱秘性好、截獲率低，保密性好等優(yōu)點(diǎn)，并且抗多徑衰落能力強(qiáng)，有很強(qiáng)的穿透能力，能提供精準(zhǔn)的定位精度。

UWB精確定位方式主要有到達(dá)時(shí)間法（TOA）和時(shí)間差定位法（TDOA）[6]。研究主要集中在基于TOA方法為基礎(chǔ)的SDS-TWR雙邊雙程測距方法，此方法是通過測量電磁波在空中來回傳播時(shí)間計(jì)算距離，SDS-TWR測距法示意圖如圖1。

圖1 SDS-TWR測距法示意圖

節(jié)點(diǎn)A在T1時(shí)刻發(fā)起射頻信號(hào);節(jié)點(diǎn)B在T2時(shí)刻接受射頻信號(hào)，將數(shù)據(jù)處理后，在T3時(shí)刻回復(fù)射頻信號(hào)；節(jié)點(diǎn)A在T4時(shí)刻接收到射頻信號(hào)，處理完節(jié)點(diǎn)B的回復(fù)信號(hào)后，在T5時(shí)刻再次發(fā)送射頻信號(hào)（包括T1和T4時(shí)間值）；節(jié)點(diǎn)B在T6時(shí)刻接收到射頻信號(hào)。節(jié)點(diǎn)A 1次往返所花時(shí)間為T4－T1，節(jié)點(diǎn)B 1 次往返所需時(shí)間為 T6－T3，其中，T3－T2為節(jié)點(diǎn) B接受射頻信號(hào)到發(fā)送回復(fù)信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間，T5-T4為節(jié)點(diǎn)A接收到節(jié)點(diǎn)B回復(fù)的射頻信號(hào)到發(fā)送回去的反應(yīng)時(shí)間，這2個(gè)時(shí)間段不是信號(hào)的飛行時(shí)間，因此節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的距離d為：

式中：C為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，一般以真空中的光速來代替。

SDS-TWR測距法解決了2個(gè)節(jié)點(diǎn)間需要時(shí)鐘同步的難題，且能有效降低晶體振蕩器頻率漂移所帶來的測距誤差[7-9]，測距精度不受接受靈敏度、信號(hào)發(fā)送功率和信號(hào)傳輸衰減影響，相比于傳統(tǒng)的TOA測距算法測量精度較高，適用于礦井條件下目標(biāo)精準(zhǔn)定位。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于UWB技術(shù)的礦井人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為物理層、傳輸層和應(yīng)用層,精準(zhǔn)定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2。物理層由標(biāo)識(shí)卡和定位讀卡器組成，完成無線測距信息的接受和發(fā)送，并且在定位讀卡器上計(jì)算出定位信息。傳輸層包括人員管理分站和由交換機(jī)組成的以太網(wǎng)傳輸平臺(tái)，傳輸分站具備RS485口和光通信接口，它通過RS485巡檢定位讀卡器，并且通過光纖將定位信息傳輸至以太網(wǎng)，上傳至應(yīng)用層服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示煤礦井下人員的具體位置。

3 定位原理

定位讀卡器采用基于UWB技術(shù)的雙測距射頻模塊設(shè)計(jì)，定位原理模塊框圖如圖3，分為左射頻和右射頻。2個(gè)射頻模塊通過饋線連接2個(gè)相同的天線。2根天線之間的距離為s，規(guī)定s的值為1 m。定位卡采用SDS-TWR測距方法分別與左射頻和右射頻進(jìn)行測距，其距離值為d1和d2。

定位卡相對于定位讀卡器方向的判定機(jī)制如下：①d1-d2>s時(shí)，標(biāo)識(shí)卡在定位讀卡器的右邊，距離為d2；②d1-d2

圖2 精準(zhǔn)定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖3 定位原理模塊框圖

定位卡與定位讀卡器的定位過程如下：

1）定位卡周期性地發(fā)送廣播包，定位讀卡器左射頻接受到廣播后，回復(fù)包含測距時(shí)隙的數(shù)據(jù)包，保證標(biāo)識(shí)卡在單個(gè)時(shí)隙里與定位讀卡器測距。

2）與定位讀卡器測距，定位卡掃描網(wǎng)絡(luò)成功后，在規(guī)定的時(shí)隙里分別與定位讀卡器的左射頻模塊和右射頻模塊測距。首先由定位讀卡器的右射頻模塊主動(dòng)發(fā)起測距，采用SDS-TWR方式在標(biāo)識(shí)卡本地計(jì)算與右射頻模塊的距離，然后，標(biāo)識(shí)卡主動(dòng)發(fā)起測距（包含標(biāo)識(shí)卡與右射頻模塊距離值），采用SDSTWR方式有定位讀卡器左射頻模塊進(jìn)行測距，由定位讀卡器根據(jù)2次距離測量值進(jìn)行定位卡方向判別，定位卡與定位讀卡器測距完成后休眠。

4 時(shí)分復(fù)用防碰撞算法

AQ 6210—2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》中要求人員定位系統(tǒng)并發(fā)識(shí)別數(shù)量不少于80張標(biāo)識(shí)卡。當(dāng)多個(gè)標(biāo)識(shí)卡同時(shí)進(jìn)入定位讀卡器內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生無線信號(hào)碰撞，導(dǎo)致定位失敗。系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)解決無線信號(hào)碰撞問題，多標(biāo)簽時(shí)隙分配機(jī)制如圖4。定位讀卡器的左射頻模塊和右射頻模塊分別采用不同信道，其中左射頻模塊負(fù)責(zé)每個(gè)標(biāo)簽處于正確的時(shí)隙，避免定位卡之間發(fā)生碰撞。當(dāng)左射頻模塊接受到來自定位卡的廣播請求幀，它向定位卡回復(fù)包含發(fā)起定位時(shí)間的數(shù)據(jù)幀。定位卡在固定的時(shí)隙里依次與定位讀卡器的左射頻模塊和右射頻模塊進(jìn)行測距，當(dāng)測距完成以后，定位卡進(jìn)入休眠，并且在下一個(gè)時(shí)隙到來時(shí)再次被喚醒，與定位讀卡器進(jìn)行測距。

圖4 多標(biāo)簽時(shí)隙分配機(jī)制

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了測試礦井人員精準(zhǔn)定位監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度和最大覆蓋距離，搭建了測試平臺(tái)，包括1臺(tái)測試電腦、1臺(tái)定位讀卡器和20張定位卡。

在國家煤礦安全工程研究中心清水溪瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)基地搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，分別測試了20張卡在50、100、150、200、300 m的定位精度，為了減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)點(diǎn)測試10次，去除最大值和最小值后，參考文獻(xiàn)[10]中定位精度評價(jià)方法，取平均值作為測量距離，測量距離減去實(shí)際距離的差值的絕對值作為系統(tǒng)的定位精度。隨機(jī)選取其中的5張卡進(jìn)行分析。定位精度測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 定位精度測試數(shù)據(jù)

分析試驗(yàn)結(jié)果，每張卡的的距離值都在誤差范圍之內(nèi)，在距離較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的收到的多徑干擾影響程度反而減小，同時(shí)丟包率控制在3%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)定位精度保持在0.3 m以內(nèi)，視距范圍內(nèi)有效覆蓋范圍達(dá)到300 m以上，滿足礦井人員的精確定位過程。

6 結(jié)語

針對礦井巷道一維線性空間特征，設(shè)計(jì)了一套基于UWB定位技術(shù)和SDS-TWR測距算法的礦井人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，采用單個(gè)讀卡器實(shí)現(xiàn)方向判斷，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)解決無線信號(hào)沖突問題，保證了定位成功率，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)定位精度在0.3 m以內(nèi)，有效覆蓋半徑達(dá)到300 m，滿足礦用實(shí)際需求。