专利名称：一种井下人员定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种井下人员定位系统，该系统涉及无线电通信、测距和定位技术等领域。
背景技术：
井下人员定位是安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法对井下人员位置进行检测。常用的定位方法有接受信号强度指示(Received Signal StrengthIndication, RSSI),测量到达角度(Angle Of Arrival, AOA),测量到达时间(Time OfArrival, TOA),测量到达时间差(Time Difference Of Arrival, TD0A)和射频识别技术(RFID, Radio Frequency Identification)等方法。目前实际使用以射频识别技术(RFID)为主，RFID利用射频方式进行非接触双向 通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态下的自动识别和位置监测。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。使用RFID具有以下问题1.定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位，不能做到误差为几米的精确定位；2.受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。信号强度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传输损耗模型计算移动节点与锚节点间的距离。移动节点接收到的信号强度随距离发射机的位置变化而变化，即移动节点距离发射机距离越近，接收到的信号强度越强，反之，移动节点距发射机越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果，RSSI方法简单易实施。但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加锚节点的密度和通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但井下环境多为隧道组成的线状环境，无法得到平面上其它方向的场强数据，所以当隧道中存在如较大金属遮挡物等其它影响无线信号传输的因素时，定位误差较大，所以需要一种不依赖于其它方向的场强数据的，能在井下准确地定位的定位系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种井下人员定位系统，通过定位服务器及无线接入点对使用专用的定位装置的井下工作人员实现准确的定位，便于安全生产管理人员调度管理，并在矿井发生灾害时，为救援人员提供较准确的人员位置信息，以提高救援效率和被困人员的获救概率。所述井下人员定位系统，主要包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和定位装置。有线通信子系统主要包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站主要包括防爆箱、电源、备用电池、无线接入设备、天线隔离器和天线；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和定位服务器；定位装置与无线通信基站间通过无线方式通信；所述系统通过井下人员携带的定位装置实现人员定位。所述定位系统通过如下步骤实现人员准确定位1.定位装置使用人员的步长计算，根据定位装置使用人员身高记录T通过以下公式得到其实际步长N:1. N =1. 85(τ-132)2.基准点检测，井下各巷道中间隔一定距离安装无线通信基站作为定位基准点，无线通信基站具有无线通信接入功能，定位装置定时监测与各无线通信基站所发射信号的场强，在定位装置靠近无线通信基站时，场强到达峰值，以此无线通信基站的位置作为定位装置的当前位置，并将无线通信基站的位置坐标作为定位装置的可靠定位信息记录存储，以此无线通信基站作为当前定位基准点，同时开始计步。3.基于计步计算定位装置距无线通信基站距离。定位装置具有准确的计步功能，可实时记录佩戴定位装置人员的行进的步数，乘以自身存储的佩戴位装置的人员的个人步长，即得到被定位人员与当前参考无线通信基站的距离L L = MN,式中M为佩戴定位装置的人员以当前定位基准点为起点所行走的步数。4.方向判断，根据记录的上次的可靠定位数据判断佩戴定位装置的人员的行进方向，如上次准确定位的无线通信基站为Α，此次准确定位的无线通信基站为B，则可判定人员的行进方向是由无线通信基站A向无线基站B方向移动；也可根据定位装置检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判定方向，当定位装置检测到两个相邻无线通信基站B和C的场强，如检测到无线通信基站B的场强变化趋势是逐渐变小，而无线通信基站C的场强变化趋势是逐渐变大，则判定人员行进方向为由无线通信基站B向无线基站C方向移动；5.误差判断，定位装置根据佩戴定位装置的人员行进方向判断移动方向上的下一个定位基准点，如距离L的值大于当前定位基准点与下一个定位基准点之间的距离，则说明此距离值存在误差，不作为参考值；6.根据场强计算距无线通信基站距离，定位装置检测当前定位基准点所在无线通信基站和下一个定位基准点所在无线通信基站的信号场强，分别为Rdl和Rd2 ;场强与距离的公式为参考经验公式，相关参数通过现场测量得到，如下
权利要求
1.一种井下人员定位系统，包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和定位装置、其特征在于有线通信子系统包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器和天线；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和定位服务器；定位装置与无线通信基站通过无线方式通信；定位服务器通过井下工作人员随身携带的定位装置实现人员定位；在定位装置靠近无线通信基站时，场强到达峰值，将此无线通信基站作为定位装置的当前定位基准点；定位装置具有计步功能，可实时记录佩戴定位装置人员在可靠定位后所行走的步数；步数乘以计算所得的佩戴定位装置的人员的个人步长得到定位装置与当前定位基准点的距离；根据定位装置检测到的两相邻定位基准点的所在无线通信基站场强计算距无线通信基站距离；取距离交集公共部分中心的值作为定位装置与当前定位基准点的距离。
2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于在定位装置靠近无线通信基站时，场强到达峰值，以此无线通信基站的位置作为定位装置的当前位置，同时作为可靠定位信息记录存储，并将此无线通信基站作为定位装置的当前定位基准点。
3.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于非首次可靠定位时，根据所记录的前一次的可靠定位数据判断佩戴定位装置人员的行进方向。
4.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于根据定位装置检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判断佩戴定位装置人员的行进方向。
5.如权利要求1所述的定位系统，定位装置具有计步功能，其特征在于在定位装置上安装计步装置，在佩戴定位装置的人员行走时实时记录行走的步数M。
6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于根据被定位井下人员的身高记录T，通过由下面的公式得到该人员的实际步长N :N =1. 85(T-132)。
7.如权利要求6所述的定位系统，其特征在于通过下面的公式得到定位装置与当前定位基准点的距离L :L = MN,式中M为佩戴定位装置的人员以当前定位基准点为起点所行走的步数。
8.如权利要求7所述的定位系统，其特征在于定位装置根据佩戴定位装置的人员行进方向判断移动方向上的下一个定位基准点，如距离L的值大于当前定位基准点与下一个定位基准点之间的距离，则说明此距离值存在误差，不作为参考值。
9.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于定位装置检测当前定位基准点所在无线通信基站和下一个定位基准点所在无线通信基站的信号场强，分别为Rdl和Rd2。
10.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于基于场强进行距离计算，公式如下A-Rd^-Xd式中A为信号传播Im远时收信号的功率；η为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境；Rd为定位装置接收到的无线通信基站的信号强度，即RSSI值；X5为零均值的高斯分布正态随机变量。将Rdl和Rd2分别带入公式得到定位装置与当前定位基准点的距离dl，定位装置与当前定位基准点的距离d2。
11.如权利要求10所述的定位系统，其特征在于根据场强所得距离dl和d2结合计步距离L，计算定位装置与当前定位基准点所在无线通信基站的距离，将所有距离交集公共部分中心的值作为定位装置与当前定位基准点的距离。
12.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于将定位装置到当前定位基准点所在无线通信基站的距离，代入两无线通信基站所在的隧道的曲线方程得到定位装置的当前坐标。
全文摘要
本发明公开了一种井下人员定位系统，系统包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和定位装置。有线通信子系统主要包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站主要包括防爆箱、电源、备用电池、无线接入设备和天线等；在井下巷道内间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和定位服务器；定位装置与无线通信基站间通过无线方式通信；系统通过井下人员携带的定位装置基于场强测距结合计步测距实现人员准确定位。本定位系统定位精度高，成本低，系统设备结构简单，便于安全生产管理人员调度管理，在矿井发生灾害时，可为救援人员提供较准确的人员位置信息，以提高救援效率和被困人员的获救概率；是集井下人员考勤、调度管理、跟踪定位、灾后搜救等一体的综合系统。
文档编号H04W64/00GK103024663SQ201210464299
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者孙继平, 刘毅 申请人:中国矿业大学(北京)