专利名称：基于非视距抑制的矿井超宽带定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿用人员定位系统及方法，具体地说，是涉及一种本质安全型矿用超宽带井下人员定位系统及方法。
背景技术：
煤炭是我国的重要能源，约占一次能源的70%，在我国95%以上的煤矿是井工开采。由于科学技术水平相对较低、管理不善等原因，煤矿一直是高危行业，频发的矿难严重制约了我国煤炭事业的健康发展，其所造成的生命财产损失及由此社会影响也是难以估量的。矿井人员定位系统是矿井安全生产的重要保障和应急救援必要手段，对提高生产效率、保障井下人员的安全、灾后及时施救与自救都具有十分重要的意义。目前煤炭行业的热点话题煤炭物联网的发展也依赖于煤矿井下目标定位技术的进步，需要很好的目标定位作基础。 我国煤矿井下是一个特殊的受限环境，它是由各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道组成，其长度可达几十到上百公里，且在工作面处巷道的长度是变化的。而且矿井巷道空间狭小，无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象，设备功率需满足井下防爆的要求。同时由于巷道相对密闭，不能借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下定位。由此可见，地面成熟的定位方法无法直接应用于井下。因此要建立一套适合煤矿井下无线传输环境的目标定位体系。地下空间定位原理与室内定位相似，它利用位置固定的无线电发射基站替代卫星，在地下封闭空间中进行局部测量，建立局域坐标体系；地下定位目标通过与基站的无线电信号进行交互以实现定位。煤矿井下定位技术除射频识别外，还包括WiFi、ZigBee，以及红外、超声波、蓝牙等。目前，煤矿井下定位系统只能达到2 IOm的非连续定位精度，主要由无线发射基站数量与分布密度决定。从定位系统的媒介来划分，针对受限空间内目标的无线定位，国外学者以红夕卜、超声波、射频信号、图像为媒介进行了一些研究。1992年剑桥Ar<实验室开发的ActiveBadge系统，是利用红外线技术实现的单元接近度系统；1999年剑桥Ar&T实验室开发的ActiveBat系统，以及2000年剑桥Ar&T实验室开发的Cricket系统，是采用超声波传输的时间延迟技术实现定位；2000年Microsoft研究院开发的RADAR系统，是基于IEEE802. 11无线局域网技术的室内跟踪定位系统；2001年，Microsoft研究院开发的EasyLiving系统，是基于计算机视觉技术的定位系统。该系统用实时三维照相机实现了家庭环境中的立体视觉定位功能；2002年,意大利Trento大学和意大利网络计算研究委员会开发的BIPSE系统，是一个基于蓝牙的室内定位系统；由Auto-ID中心开发无线射频识别(RFID)技术，它基于信号强度分析法，采用聚合的算法对三维空间进行定位，如SpotON系统和 PinPoint 3D_iD 系统。这些方法存在了一些局限性红外线穿透性差，只适合短距离传输，且容易被荧光灯或直射光干扰；超声波在多径环境下效果差；无线局域网技术要求被定位的物体必须支持无线局域网，且定位精度低；立体视觉定位技术易受环境复杂度的影响，且当场景复杂度增加，并发生更多的运动冲突时，视觉定位系统很难持久保持较高精度；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；无线射频识别技术作用距离近，不具备通信能力，不便和其他系统整合，定位精度受环境影响及参考点数量较大。超宽带相对红外、超声波、蓝牙等方法，不需要产生正弦载波，结构简单、实现成本低；超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，抗干扰能力强；超宽带系统使用脉冲的持续时间一般在O. 20ns 2ns之间，有很低的占空比，在高速通信时系统的耗电量仅为几百uW至几十mW，功耗低。而且井下封闭环境不受频率使用的限制。因此，基于超宽带的定位技术也应该非常适合在煤矿井下使用。传统的无线电定位方法，按照所检测的特征测量值的不同，分为以下几种到达角度定位(AOA)，信号强度分析法(RSS)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。RSS(Receive Signal Strength)基于接收信号强度的定位方法是先利用几个已知位置的参考点接收来自目标点发出的无线电信号，然后根据已知的信道衰落模型及发射 信号的场强值来估算参考点与目标点之间的距离，进而实现定位。TOA(Time of Arrival)基于信号到达时间的定位方法就是测量出两个(或多个)已知参考点与目标点之间的信号传播时间，分别得出目标点与参考点之间的估计距离，然后以各参考点位置为圆心，以测得的估计距离为半径画圆，可以得到两个(或多个)圆，这些圆的交点从理论上讲就应该是目标节点在二维平面的位置。TDOA (Time Difference of Arrival)基于信号到达时间差的定位方法采用了测量目标点发射信号到达两不同已知参考点接收机的时间差来实现定位。通过测量出两个参考点和目标点之间的到达时间的差值，从而得出目标点与参考点之间的估计距离。AOA(Angel ofArrival)基于信号到达角度的定位方法是利用参考点接收机上的阵列天线来测量目标点发射机到达信号的角度来实现定位的，在理想情况下，两个参考点的距离已知，则目标位置是两个参考点接收机各自以测量角度发出的射线的交点。地面超宽带定位系统无一例外都是针对某一特定的室内环境而开发，矿井巷道与室内有很大不同，在室内定位常采用的AOA定位法在巷道中难以保证其正常工作，因为AOA定位法的前提是需要阵列天线，到达接收天线阵列单元的电波必须有直射分量(LOS)存在，天线位置安装非常精密，系统设备比较昂贵、复杂。RSS定位方式对信道模型的依赖度较高，地面环境比较稳定，而煤矿井下粉尘及水汽较大，环境的变化会对信号传输及衰减造成较大干扰，定位精度也会受到严重影响。地面室内超宽带定位系统大多采用基于时间定位方法，基于时间的定位方法要求定位终端与参考点的时钟必须严格同步，否则会产生较大误差，而在井下这是难以实现的，同时参考点也不能随意布置，其定位参考节点只能沿巷道方向部署。现有地面室内超宽带定位系统一旦参考点布置完毕后，系统的定位参考坐标就确定了，参考点很小的位置偏差都会使系统崩溃，这样的要求在煤矿井下工作环境中太苛亥IJ。由于矿井巷道空间狭小、设备众多，电磁信号在传输过程中会遇到严重的折射、反射、衍射等情况，这导致了严重的多径效应和非视距(NLOS)效应，地面定位系统在井下则不能正常定位。由此可见，现有的地面超宽带定位系统不能直接应用于井下
发明内容
本发明所要解决的问题是提出一种适合井下使用的本质安全型人员定位系统及方法，以满足目前井下对人员定位与应急救援的需求。解决目前井下人员定位系统抗干扰能力差、定位精度低、信号穿透力差、对多径效应敏感、功耗高、体积大等问题。本发明提出的煤矿井下超宽带定位系统可以实时精确的实现人员定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的迫切需求。为了实现上述目的，本发明采用以下定位方法通过采用RAKE接收机技术，收集更多的多径信号以提高信噪比，再通过RAKE接收机的相关器对输出进行加权。通过采用构造鉴别参量的方式，对NLOS信号进行鉴别，将鉴别出的NLOS信号进行重构，最后采用Taylor序列展开法计算本质安全型定位终端的位置。从而减小了多径干扰和NLOS误差对定位带来的不利影响，实现精确定位。所述超宽带矿井定位方法，包含以下步骤A.根据巷道工作环境布设本质安全型参考点终端，同时确定本质安全型参考点终端的位置；B.本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端进行通信，获得本质安全型参考点终端的身份信息和位置信息；C.本质安全型定位终端对接收到的本质安全型参考点终端的信号进行NLOS鉴别；D.对NLOS信号进行数据重构，利用重构的数据进行定位计算。所述步骤A中，本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设，相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面，巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。所述步骤B包括下列步骤BI.本质安全型定位终端与通信范围内的本质安全型参考点终端交换握手协议信号;B2.本质安全型定位终端利用RAKE接收机接收来自本质安全型参考点终端的参考信号，参考信号包含本质安全型参考点终端的位置信息和身份信息；参考信号经过多径信道后，到达RAKE接收机的形式为
权利要求
1.一种煤矿井下超宽带定位方法，其特征在于，包括以下步骤 A.根据巷道工作环境布设本质安全型参考点终端，同时确定本质安全型参考点终端的位置； B.本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端进行通信，获得本质安全型参考点终端的身份信息和位置信息； C.本质安全型定位终端对接收到的本质安全型参考点终端的信号进行非视距鉴别； D.对非视距信号进行数据重构，利用重构的数据进行定位计算。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设，相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面，巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括下列步骤 BI.本质安全型定位终端与通信范围内的本质安全型参考点终端交换握手协议信号；B2.本质安全型定位终端利用RAKE接收机接收来自本质安全型参考点终端的参考信号，参考信号包含本质安全型参考点终端的位置信息和身份信息； 参考信号经过多径信道后，到达RAKE接收机的形式为J⑴=Σ>Μ卜O . 其中，L是收集到的多径数量，& 是复信道增益，τη是第η条多径信号的时延，u(t_Tn)是经过τη时延后收集到的参考信号，r(t)为被RAKE接收机收集的参考信号； B3.不同的多径分量首先进行加权，然后合并到一起，每一路多径分量的加权系数与这一路多径分量的信噪比成正比，经过RAKE接收机处理后的参考信号为zWT =Σ ,Α(Φ (η) 9 其中，L是收集到的多径数量，Pi(Ii)是加权系数，Yi(Ii)是相关器输出值，Ztct为经过RAKE接收机处理后的输出信号。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括下列步骤 Cl.将RAKE接收机的输出信号通过平方器后进行积分采样，以获得信号的能量采样序列； C2.对能量采样序列进行特征提取，截取一段包含非视距信息的信号段，信号段中包含直达路径和能量最强径； C3.利用直达路径与能量最强径的相对能量乘积构造出一个新的非视距鉴别参量Φ 人—Isl X max(5fl) _ TV2 X X max(·^) K Vjv =ι J I V =i J 其中IsJ为截取信号的采样序列，S1为第一个截取信号采样序列； C4.利用构造的鉴别参量Φ对接收信号进行判断，超出设定范围的即为非视距信号。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤D包括下列步骤 Dl.在非视距信号中，本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端的测量距离为 Si (tj) = Ii (tj)+Iii (tj)+NLOSi (tj) 其中Ii (tj为视距情况下参考点终端与本质安全型定位终端的距离，Hi (tj)为系统误差，NLOSi (t J为非视距传播带来的误差服从指数分布
6.一种煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述系统包括井上部分及井下部分井上部分包括，地面监控终端、定位服务器、中心交换机、动态主机配置协议服务器、上层终端；井下部分包括，本质安全型网关、本质安全型直流供电电源、本质安全型无线中继站、本质安全型参考点终端、本质安全型定位终端；定位服务器、地面监控终端通过中心交换机与本质安全型网关构成有线网络，并通过动态主机配置协议服务器、本地网络将实时定位数据传送给上层终端,本质安全型网关通过总线与中心交换机连接,本质安全型定位终端由井下工作人员携带。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超宽带定位系统采用基于到达时间差的无线定位方式。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述井上部分与井下部分共同构成跳时位置脉冲超宽带无线定位网络； 所述定位服务器，接收并存储目标位置数据； 所述地面监控终端，记录本质安全型参考点终端的位置信息；接收本质安全型定位终端发送的实时距离信息，对本质安全型定位终端鉴别出的非视距信号进行数据重构，利用Taylor序列展开法计算定位终端位置，并发送给定位服务器； 所述动态主机配置协议服务器，为网络分配动态IP地址； 所述本质安全型直流供电电源，为本质安全型无线中继站提供电源； 所述中心交换机和本质安全型无线中继站转发本质安全型定位终端和本质安全型参考点的位置和距离信息； 所述本质安全型网关接收本质安全型参考点终端发送的超宽带无线数据，并将数据转发给中心交换机；接收中心交换机发送的有线数据，将其转换成超宽带无线信号转发给本质安全型无线中继站； 所述本质安全型参考点终端分配唯一的标识码，接收本质安全型定位终端发送的定位信息，并延迟时间△，将所述信息以及其标识码发送回本质安全型定位终端； 所述本质安全型定位终端分配唯一的标识码，每隔一段时间向周围本质安全型参考点终端广播定位身份信息，并接收来自本质安全型参考点终端的定位信息；利用RAKE接收机对多径信号进行加权输出，并对接收到的信号进行非视距鉴别。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述地面监控终端包括处理器单元、电源接口、标识码存储单元、参考点位置存储单元、时钟电路和有线接口。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述本质安全型网关包括有线接口单元、接口转换单元、复位电路、时钟电路、电源接口、无线接口单元、超宽带天线和开关电路。
11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述本质安全型参考点终端包括处理器、时钟电路、标识码存储单元、电源管理单元、延迟电路、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、超宽带天线和开关电路。
12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述本质安全型定位终端包括处理器、用户接口单元、标识码存储单元、电源管理单元、时钟电路、RAKE接收机单元、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、超宽带天线和开关电路。
13.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述井下设备采用本质安全型防爆设备。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述电源管理单元包括稳压电路，电池，报警电路；稳压电路将电池电压稳压处理后供其它电路单元使用，报警电路在电池电压不足时会进行声光报警。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿井下超宽带定位方法及系统。通过采用RAKE接收机技术，收集信号中的多径分量，然后对多径分量进行加权；并利用构造的鉴别参量对信号进行非视距鉴别，对于非视距信号进行数据重构，然后采用Taylor序列展开法利用重构数据和视距信号进行定位计算。本系统包括井上部分及井下部分。井上部分包括地面监控终端、定位服务器、中心交换机、动态主机配置协议服务器、上层终端；井下部分包括本质安全型网关、本质安全型直流供电电源、本质安全型无线中继站、本质安全型参考点终端、本质安全型定位终端。本发明的超宽带定位方法及系统结构简单，能够有效抑制多径效应和非视距效应，定位精确，抗干扰能力强，满足矿井的使用要求。
文档编号H04B1/7115GK102832966SQ20111015655
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者田子建, 明艳杰 申请人:中国矿业大学(北京)