基于UWB技術(shù)的井下快速移動目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張日明，周 歡，龍飛陽

（陜西山利科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

安全生產(chǎn)事關(guān)人民群眾生命財產(chǎn)安全，事關(guān)改革發(fā)展穩(wěn)定大局。黨中央、國務(wù)院始終高度重視安全生產(chǎn)工作，把安全生產(chǎn)納入“四個全面”戰(zhàn)略布局，不斷加強和改進安全生產(chǎn)工作，推進經(jīng)濟社會科學(xué)發(fā)展、安全發(fā)展。樹立安全發(fā)展理念，弘揚生命至上、安全第一的思想，健全公共安全體系，完善安全生產(chǎn)責(zé)任制，堅決遏制重特大安全事故，提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力。

目前，安全生產(chǎn)問題是各地煤礦生產(chǎn)工作的重中之重，由于礦井井下環(huán)境復(fù)雜、巷道縱橫交錯，井下作業(yè)人員、車輛流動性大，一旦發(fā)生事故，利用原有的區(qū)域定位系統(tǒng)難以定位到井下人員及車輛的精確位置，救援工作難度大，不僅耗費大量人力物力，更容易錯失救援的黃金時間。2019年，國家八部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2020年、2021年國家能源局、各地發(fā)改委等部門相繼發(fā)布了《煤礦智能化建設(shè)指南》等文件，文件中明確提出利用科技信息手段加快建設(shè)礦井精確人員定位系統(tǒng)，為井下人員安全生產(chǎn)提供保障。

基于UWB技術(shù)的井下快速移動目標(biāo)精確定位系統(tǒng)利用UWB技術(shù)、AI技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)等，有效解決了智能礦井下快速移動的工作人員及車輛分布實時統(tǒng)計、入井唯一性檢測、位置精確定位、智能輔運調(diào)度、智能采煤、掘進工作面精確定位等問題，對超定員生產(chǎn)、人員進入采空區(qū)或發(fā)現(xiàn)超時作業(yè)人員進行預(yù)警，為事故應(yīng)急救援提供數(shù)據(jù)支撐，是煤礦安全生產(chǎn)的“千里眼、順風(fēng)耳、烽火臺”。

1 系統(tǒng)研究背景

近年來，隨著煤礦智能化建設(shè)的推進，對井下定位精度、頻率要求更高，工程可實施性要求也更高。既要求定位技術(shù)達到先進水平，又要求能大規(guī)模工程應(yīng)用，同時兼?zhèn)渑c其他系統(tǒng)進行融合應(yīng)用的能力，形成綜合管控一體化平臺，已成為礦山行業(yè)智能化建設(shè)的發(fā)展趨勢。

針對井下人員多、設(shè)備多、車輛多，且井下環(huán)境復(fù)雜，存在淋水、有毒有害氣體、多粉塵、濃霧氣、低照度、強噪音、強電磁干擾等問題，研究具有高精度、低頻率、大容量等優(yōu)點的精確定位系統(tǒng)迫在眉睫，要求定位系統(tǒng)可與多系統(tǒng)聯(lián)動，包括安全監(jiān)測監(jiān)控、應(yīng)急廣播、慣性導(dǎo)航、電液控制；在保障高精度定位的基礎(chǔ)上，開發(fā)三維GIS多功能管控系統(tǒng)平臺?？蓮V泛用于超層越界盜采監(jiān)測、遇險遇難人員定位、電子圍欄、防碰撞、按需照明等場景。

2 國內(nèi)外技術(shù)比較

礦井人員定位系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的必備系統(tǒng)，各開發(fā)廠家都有自己的通信協(xié)議和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場產(chǎn)品差異極大。根據(jù)前期市場調(diào)研，人員定位產(chǎn)品流派較多，目前應(yīng)用的定位技術(shù)有：激光、紅外、超聲波、慣性導(dǎo)航、無線電（毫米波、WiFi、RFID、ZigBee、UWB）等，其中又以基于RFID、ZigBee區(qū)域定位技術(shù)的定位產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。

相比而言，基于RFID技術(shù)類產(chǎn)品具有低成本、易部署等優(yōu)勢，但在精度方面性能不足，只能實現(xiàn)區(qū)域定位，公用頻段易受干擾；基于ZigBee技術(shù)類產(chǎn)品具有成本適中，融合無線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，但該產(chǎn)品利用場強定位，精度為3～10 m，且頻段為公用易受干擾；本文中的礦井快速移動目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)采用UWB技術(shù)設(shè)計，選用高集成度板卡加304不銹鋼外殼進行封裝，整體重量為6 kg，便于安裝維護。在性能方面，一維定位精度為20 cm、二維定位精度為30 cm、三維定位精度為50 cm，單基站覆蓋半徑可達600 m，1 s內(nèi)并發(fā)量不少于200個目標(biāo)，設(shè)備續(xù)航時間可達400 h，接收靈敏度可達-105 dBm，同時基站內(nèi)部集成百兆交換模塊，便于擴展，基站覆蓋范圍是其他定位產(chǎn)品的2倍。

礦井井下快速移動目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)是智能礦山的核心基礎(chǔ)設(shè)施，隨著2020年10月《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》征求意見稿出臺，老舊系統(tǒng)更新迭代迫在眉睫。未來，面向日益增長的地下空間高精度定位導(dǎo)航應(yīng)用需求，針對當(dāng)前定位技術(shù)無法實現(xiàn)地下大空間內(nèi)人員及無人駕駛裝備的精確定位導(dǎo)航問題，突破地下大空間復(fù)雜電磁環(huán)境下信號傳輸模型、數(shù)字孿生地圖、規(guī)模可伸縮自主定位導(dǎo)航授時（PNT）系統(tǒng)組網(wǎng)、高精度定位等關(guān)鍵技術(shù)，研制地下大空間范圍內(nèi)軌道車輛、設(shè)備等的無人駕駛精確定位控制系統(tǒng)，開展地下大空間復(fù)雜電磁環(huán)境下自主PNT系統(tǒng)及導(dǎo)航控制應(yīng)用驗證，UWB高精度定位技術(shù)不可或缺。

3 系統(tǒng)概述

基于UWB無載波通信、無線通信、互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的礦井井下快速移動目標(biāo)精確定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)井下巷道信號“全覆蓋”，及對井下人員、車輛、物料、采煤機、掘進機等目標(biāo)的全程、實時、連續(xù)、厘米級精確定位跟蹤。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)還將高精度定位和井下各種環(huán)境傳感器結(jié)合，實現(xiàn)了對井下環(huán)境參數(shù)、工況參數(shù)與時空位置的關(guān)聯(lián)，通過一系列處理，最終在一張GIS地圖上實時展現(xiàn)了井下綜合工況。系統(tǒng)還提供有擴展接口，可與其他外設(shè)對接，實現(xiàn)對井下其他設(shè)備的遠程控制及井下人員的統(tǒng)一調(diào)度。

系統(tǒng)主要由定位讀卡分站、無線通信定位基站、車輛標(biāo)識卡、人員標(biāo)識卡、本安電源、精確定位管理系統(tǒng)等組成。人員精確定位圖如圖1所示，車輛精確定位圖如圖2所示。

圖1 人員精確定位圖

圖2 車輛精確定位圖

4 精確定位系統(tǒng)的算法研究

井下采用的UWB定位系統(tǒng)主要由定位基站和定位標(biāo)識卡等組成。定位基站或天線通常固定在巷道頂部或巷幫之上，通過光纖或網(wǎng)絡(luò)線纜接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)。在定位系統(tǒng)中會預(yù)先設(shè)置好絕對坐標(biāo)系下的定位基站物理坐標(biāo)。

設(shè)計2根定位天線，一根用來進行TOF測量，一根用來測量相位差，得到目標(biāo)與分站的角度。借助距離和偏向角度可以計算出目標(biāo)位置。

定位基站外接天線，發(fā)射UWB無線信號與佩戴在人員身上或安裝在車輛之上的定位標(biāo)簽通信，通過信號到達時間（Time of Arrival,TOA）、到達時間差（Time Difference of Arrival,TDOA）、到達角度（Angle of Arrival,AOA）等，確定移動節(jié)點的位置信息。

時間算法測距，由定位基站計算TOF并折算為距離。到達時間差算法結(jié)合平面、立體幾何方程進行定位，由定位基站記錄各自收到定位報文的TOA（到達時間），由定位引擎計算關(guān)聯(lián)定位基站的TDOA，再根據(jù)一維定位、二維定位、三維定位的不同算法定位目標(biāo)。

AOA用于獲得固定節(jié)點與移動節(jié)點之間的方位信息。

（1）飛行時間定位

TOF測距方法利用信號在2個異步收發(fā)機之間往返的時間來測量節(jié)點間的距離。UWB可使用雙向飛行時間法（Two Way-Time of Flight,TW-TOF）測距。每個節(jié)點從啟動開始即生成一條獨立時間戳信息。TW-TOF定位原理如圖3所示，發(fā)射端在T時刻發(fā)射信號，接收端在T時刻接收信號，并在T時刻返回信號，T時刻信號又到達發(fā)射端。

圖3 TW-TOF定位原理

發(fā)射端與接收端的距離為：

式中，c為光速。

三維定位需要移動標(biāo)識卡至少與3個定位基站進行測距，測距完成后進行位置計算，如圖4所示。

圖4 TOF定位示意圖

（2）到達時間差

基于到達時間差定位法需要定位系統(tǒng)具備精確時間同步功能。定位基站時間同步后，移動標(biāo)識卡發(fā)送一個廣播報文，基站收到后，標(biāo)記接收到此報文的時間戳，將移動標(biāo)識卡ID和時間戳發(fā)送到定位引擎，定位引擎整合其他基站的定位報文時間戳，計算出被定位目標(biāo)的位置，結(jié)合軟件濾波算法判斷標(biāo)識卡的行動軌跡和方向，如圖5所示。

圖5 TDOA定位示意圖

實現(xiàn)TDOA定位的難度在于標(biāo)識卡與基站之間為單向通信，若要獲得準(zhǔn)確的距離差信息，基站間必須保持優(yōu)于納秒級的高精度時間同步。

（3）到達角度

UWB-AOA定位方案已有許多研究成果和硬件解決方案。AOA定位最少借助2個定位基站和1個標(biāo)識卡完成，也可以通過基于TOF、基于TDOA、基于PDOA（Phase Difference of Arrival,PDOA）方案以及TDOA/PDOA混合方案。其中，基于PDOA的方案提供了最高的角度測量精度。

基于PDOA的AOA估計原理如圖6所示。信號路徑長度的差別（p）與天線A和B之間的距離（d）和到達角度（θ）有關(guān)：

圖6 基于PDOA的AOA估計原理

p=d sin(θ)

空間相位差PDOA（α）與p之間的關(guān)系如下：

PDOA 與到達角度（θ）的關(guān)系如下：

公式推導(dǎo)過程中假設(shè)天線A和B具有相同的輻射方向圖，且到達2個天線的波束平行，但這只有在天線陣列互耦效應(yīng)可忽略不計、標(biāo)識卡與天線足夠遠的情況下才能實現(xiàn)。當(dāng) d＜λ/2時，到達角度（θ）與PDOA有[-π/2,π/2]之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)TOF、TDOA、AOA等各定位算法（不少于5 000次）的重復(fù)定位誤差，分析誤差分布以及誤差與定位距離、時鐘誤差、遮擋效應(yīng)等因素的相關(guān)性，找出適合煤礦井下精確定位的算法，根據(jù)煤礦井下應(yīng)用場景特別是狹長空間內(nèi)精確定位的需求改進算法，并分析計算每一種定位算法的單次定位時間及每一種定位算法的最大并發(fā)量。

5 系統(tǒng)性能與技術(shù)指標(biāo)

定位精度高：精確定位精度，一/二/三維為20/30/50 cm；容量大：單基站每秒處理卡85以上（TOF），基站范圍內(nèi)識別并發(fā)量超300張；通信距離遠：地面空曠區(qū)域卡站通信距離1 200 m，井下半徑最遠800 m（考慮可靠性，井下大巷實際距離800 m）；高可靠性：服務(wù)器主備部署，主機故障時，備機自動接管，具有雙機熱備等功能，可以做到異卡異頻?？紤]系統(tǒng)功耗情況，針對人卡可以做到1 s或2 s傳輸一次，車卡可以0.1 s傳輸一次。

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：實現(xiàn)對井下人、車的姿態(tài)判斷，例如人的運動、靜止判斷，判斷車輛停止、前進、后退、怠速、上坡、下坡等狀態(tài)；多技術(shù)融合的定位技術(shù)、定位網(wǎng)絡(luò)拓撲、定位算法；智能電源遠程供電：智能電源遠程供電2 km，具備遠程管理功能，可從地面實時查看井下電源情況、遠程充放電等；芯片自帶紐扣電源，斷電后可以續(xù)航3 h，標(biāo)識卡電池一次充電工作時間超60天，可與礦燈同步，傳輸誤碼率小于10，傳輸速率大于6.8 Mb/s；管理系統(tǒng)支持桌面版和移動版，可隨時隨地監(jiān)控對象，真正實現(xiàn)全方位、全時空關(guān)注運營安全；以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算為技術(shù)支撐，架設(shè)故障分析預(yù)警平臺，實現(xiàn)智能化監(jiān)控和預(yù)警。

6 結(jié) 語

本文從礦井安全生產(chǎn)、應(yīng)急救援和保障人員生命財產(chǎn)的角度出發(fā)，系統(tǒng)分析了當(dāng)前礦井井下快速移動目標(biāo)的定位問題，解決了區(qū)域定位系統(tǒng)存在的弊端，提出了基于UWB技術(shù)的礦井下快速移動目標(biāo)精確定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對礦井軌道無人駕駛車輛、井下作業(yè)人員、井下運輸車輛、掘進工作面、綜采工作面的高精度定位，真正為井下作業(yè)人員、車輛安全生產(chǎn)活動保駕護航。