一种抑制巷道nlos时延误差的toa井下人员定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至定位服务器，定位服务器对测距值进行抑制NLOS时延误差的数据处理，估计出人员及定位卡的位置并存储，并传输至监控调度模块。定位服务器进行抑制NLOS时延误差的数据处理，首先对TOA测距值中的偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进行滤波处理，在此基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时延误差对TOA定位造成的影响。本发明解决了现有矿井人员定位系统和方法受巷道NLOS时延误差影响而定位精确不足的问题，且只需对定位过程中的TOA测距数据进行处理，不需要进行大量前期测量工作。
【专利说明】-种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，具体是 应用于矿井监控与通信领域。
【背景技术】
[0002] 《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避 险"六大系统"的通知》（安监总煤装[2010] 146号）要求建设完善煤矿井下人员定位系统。 发挥井下人员定位系统在定员管理和应急救援工作中的作用。"应优先选择技术先进、性能 稳定、定位精度高的产品，确保准确掌握井下人员动态分布情况和采掘工作面人员数量"。
[0003] 目前我国煤矿建设煤矿井下人员定位系统的建设普及情况良好。目前国内采用的 系统基本采用有源方式的传输网络结合无线发射器，所采用的矿井人员定位技术主要是区 域定位技术和基于接收场强的RSS(Received Signal Strength)方法。
[0004] 上述系统和方法在实际应用中存在着一定的问题。
[0005] 区域定位技术获取人员位置信息的方式是通过监测站对一定区域内的定位卡进 行监测，监测到该区域内有某一 ID的定位卡时，读取该定位卡信息并将其传输至监控室， 其位置信息即被记为该监测站的位置信息，即监测结果为：该ID的定位卡所属工作人员出 现在该区域内。区域定位技术的能够监测某ID的定位卡所属工作人员出现在该区域内，但 并不能向监控室提供该工作人员在该区域的具体位置，如监测站的监测半径不小于30m，这 就意味着区域定位技术的定位精度不大于30m，因此，在特殊情况下，如发生事故后的应急 救援过程中，无法确定被困人员的精确位置，就会对救援工作产生不利的影响。另一方面， 目前所采用的区域定位技术所监测记录的井下人员活动路线，是通过井下人员经过的每个 监测点的位置进行连线所得出的，从数学语言而言，目前的井下人员活动路线绘图是离散 的，在某种情况下并不能代表井下人员的真实活动路线。此外，如需提高定位精度，需要采 用增加监测设备来实现，但是过多增加设备会增大系统负荷和降低系统稳定性。
[0006] 目前我国煤矿采用的精确定位技术主要是基于接收场强的RSS (Received Signal Strength)方法。利用电磁波传播的信道衰落模型，通过检测收发信号的场强损耗反推出信 号传输的距离，根据计算得出相应的人员所在位置。实际当中，电波在巷道中传播有能量损 耗，需要根据空间有损信道传输损耗公式进行计算，空间有损信道传输损耗公式为：
[0007] Lb = Lbf+A (dB) = 32. 45+20 Igf (MHz) +20 Igr (km) -Gi (dB) -Ge (dB) +A (dB) (1)
[0008] 式中：f为信号频率，r为传输距离，Gp Gk分别为发射天线增益和接收天线增益， Lb为空间有损信号传输信号，Lbf为自由空间传输损耗，A为巷道的损耗中值Lb。
[0009] 但是，煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，空间狭小且有风门、机车等阻挡 体、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙等，传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固 定、不可预知的损耗因素，巷道损耗中值很难准确地描述巷道无线信道的损耗模型，这是 RSS方法的一个主要弊端。另一方面，由于传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不 可预知的损耗因素，在有机车经过或者其他偶然出现时，机车等物体会造成识别系统之间 信号传播的较大损耗，会造成较大的识别误差；在监测站覆盖的远端，甚至会出现漏检的状 况。
[0010] 作为人员精确位置定位的另一种技术手段，基于到达时间的T0A(Time of Arrival)方法，主要测量信号在发射机和接收机之间的传播时间。但在煤矿井下的环境复 杂，深部井工开采方式决定了 GPS信号无法到达井下因此GPS方式不可应用于矿井，部分工 作面里如掘进、采煤工作面中存在机车、架空线、标志牌、输送带等多种设施及设备，均有可 能造成巷道电磁波传播的NLOS时延，造成TOA定位的误差，需要加以抑制方能够保证TOA 定位精度。另一方面，矿井人员定位具有其特殊的特点：
[0011] 1)矿井巷道人员精确定位技术，由于宽度、高度与走向长度相比很小，因此以将巷 道视为一维分布较为符合巷道的实际条件；
[0012] 2)巷道空间有限，定位设备体积应尽量小，定位节点的设置需要尽可能减少数量 和密度；
[0013] 3)由于定位节点数有限，矿井人员定位需要在不超过双站的定位锚节点情况下完 成对巷道NLOS时延误差的抑制；
[0014] 4)定位方法及算法的研究需要紧贴矿井实际环境的特点，提出适用于矿井的定位 方法和算法。
[0015] 本发明提出一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用 人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至服务器，服务器对测距值进行抑制 NLOS时延误差的数据处理，估计出目标节点的位置并存储，并传输至监控调度模块。抑制 NLOS时延误差的数据处理对于TOA测距值中的偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进 行滤波处理，在此基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时 延误差对TOA定位造成的影响，且提出的方法相比地面常用的非视距误差鉴别抑制方法， 解决了多节点定位方式无法应用于井下特定环境的技术问题，且只需对定位过程中的TOA 测距数据进行处理，不需要依据大量前期测量进行参数设定和数据库参照进行NLOS时延 误差的抑制。
【发明内容】
[0016] 本发明提出一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用 人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至服务器，服务器对测距值进行抑制 NLOS时延误差的数据处理，估计出目标节点的位置并存储，并传输至监控调度模块。抑制 NLOS时延误差的数据处理对于偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进行滤波处理，在此 基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时延误差对TOA定位 造成的影响。以下对本发明加以论述。
[0017] 一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，包括以下模 块：
[0018] 人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基 站之间基于TOA技术的测距；
[0019] 定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值 以及数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块；
[0020] 数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输；
[0021] 监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令；
[0022] 所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质 安全型。
[0023] 一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述人员 定位模块中，所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为 米_m ;所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔一个定位检测 周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测 周期记为T，单位为秒-S ;
[0024] t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为X ;相邻的两 个定位基站的1〇分别记为11、11+1，11=1，2,3...;1'(^测距值分别记为(1' !￡11(〇、(1'!￡11+1(〇， 单位为米-m，经数据传输模块上传至定位服务器；依此类推，t时刻之前的TOA测距值 分别记为 d ' xn (t-T)、d ' xn (t-2T)、d ' xn (t-3T) · · ·以及 d ' xn+1 (t-T)、d ' xn+1 (t-2T)、 d' xn+1(t-3T)...，单位为米-m;t 时刻之后的 TOA 测距值记为 d' xn(t+T)、d' xn(t+2T)、 d，xn (t+3T) · · ·以及 d，xn+1 (t+T)、d，xn+1 (t+2T)、d，xn+1 (t+3T) · · ·，单位为米-m。
[0025] 一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服 务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，进一步包括以下步骤：
[0026] 步骤 1.在接收到 t+lT 时刻的 TOA 测量值 d' xn(t+lT)、d' xn+1 (t+lT)后，1 = 1， 2,3...，对七时刻1'(^测量值(1'!￡11(〇、(1'!￡11+1(〇进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，处 理后的结果记为d lxn(t)、dlxn+1 (t)，单位为米-m ;依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏 差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为dlxn(t-T)、d lxn(t-2T)、dlxn(t-3T)...以 及dlxn+1 (t-T)、dlxn+1 (t-2T)、dlxn+1 (t-3T)...，单位为米-m ;t时刻之后对TOA测量值进行偏 差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为dlxn(t+T)、d lxn(t+2T)、dlxn(t+3T)...以 及 dlxn+1 (t+T)、dlxn+1 (t+2T)、dlxn+1 (t+3T) · · ·，单位为米-m ;
[0027] 步骤2.延时IT以后，对dlxn(t)、dlxn+1(t)进行滤波处理，处理后的结果为d 2xn(t)、 d&n+i⑴，单位为米-m ;
[0028] 步骤3.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节 点的定位结果，定位结果中定位卡X与定位基站η距离为d xn(t)，与定位基站n+1距离为 dxn+1 (t)，dxn(t)、dxn+1⑴单位均为米-m ;依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果中与定 位基站η的距离以及与定位基站n+1的距离分别记为：dxn(t-T)、d xn(t-2T)、dxn(t-3T)...以 及dxn+1 (t-T)、dxn+1 (t-2T)、dxn+1 (t-3T)...，单位为米-m ;t时刻之后目标节点定位结果与定 位基站η距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、d xn(t+2T)、dxn(t+3T)...以及 dxn+1 (t+T)、dxn+1 (t+2T)、dxn+1 (t+3T) · · ·,单位为米-m。
[0029] 一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服 务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤1中对TOA测量值进行偏差测量值的判断、 舍弃、替换处理，依据以下公式：
[0030]
【权利要求】
1. 一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，包括以下模 块： 人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基站之 间基于TOA技术的测距； 定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及 数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块； 数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输； 监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令； 所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全 型。
2. 根据权利要求1所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特 征在于，所述人员定位模块中，所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定， 记为d，单位为米-m ;所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔 一个定位检测周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测 距；定位检测周期记为T，单位为秒-S ; t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为X ;相邻的两个 定位基站的1〇分别记为11、11+1，11=1，2,3...;1'(^测距值分别记为(1'!￡1^)、(1' !￡11+1(〇， 单位为米-m，经数据传输模块上传至定位服务器；依此类推，t时刻之前的TOA测距值 分别记为 d' xn(t-T)、cT xn(t-2T)、cT xn(t-3T)? ? ?以及 cT xn+1 (t-T)、cT xn+1 (t-2T)、 d' xn+1(t-3T)...，单位为米-m;t 时刻之后的 TOA 测距值记为 d' xn(t+T)、d' xn(t+2T)、 d，xn (t+3T) ? ? ?以及 d，xn+1 (t+T)、d，xn+1 (t+2T)、d，xn+1 (t+3T) ? ? ?，单位为米-m。
3. 根据权利要求2所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特 征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，进一步包括以下步骤： 步骤1.在接收到t+lT时刻的TOA测量值d' xn(t+lT)、d' xn+1(t+lT)后，1 = 1，2， 3...，对t时刻TOA测量值d' xn(t)、d' xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，处理 后的结果记为dlxn(t)、dlxn+1 (t)，单位为米-m ;依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏差 测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为dlxn(t-T)、dlxn(t-2T)、d lxn(t-3T)...以及 dlm+1 (t_T)、dlxn+1 (t-2T)、dlxn+1 (t-3T)...，单位为米-m ;t时刻之后对TOA测量值进行偏差 测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为dlxn(t+T)、dlxn(t+2T)、d lxn(t+3T)...以及 dim+i (t+T)、dlxn+1 (t+2T)、dlxn+1 (t+3T) ? ? ?，单位为米-m ; 步骤2.延时IT以后，对dlxn(t)、dlxn+1(t)进行滤波处理，处理后的结果为d 2xn(t)、 d2m+i⑴，单位为米-m ; 步骤3.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的 定位结果，定位结果中定位卡X与定位基站n的距离为dxn(t)，与定位基站n+1的距离为 dxn+1 (t)，dxn(t)、dxn+1⑴单位均为米-m ;依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果中与定 位基站n的距离以及与定位基站n+1的距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、d xn(t-3T)...以 及dxn+1 (t-T)、dxn+1 (t-2T)、dxn+1 (t-3T)...，单位为米-m ;t时刻之后目标节点定位结果与定 位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、d xn(t+3T)...以及 dxn+1 (t+T)、dxn+1 (t+2T)、dxn+1 (t+3T) ? ? ?,单位为米-m。
4. 根据权利要求3所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特 征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤1中对TOA测量值进行 偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公式：
式中，(11!￡11(1:)、(11!￡11+1(1:)为处理结果,(^为距离变化阈值,单位为米-111,(^ = 2.1\1+3。
5. 根据权利要求3所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其 特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤2中延时IT以后，对 dlxn(t)、dlxn+1(t)进行滤波处理，依据以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
6. 根据权利要求3所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特 征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤3中，利用巷道几何定 位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公式：
t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为 dm+1(t)的位置。
7. -种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，应用于一种抑 制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，包括以下模块： 人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基站之 间基于TOA技术的测距； 定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及 数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块； 数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输； 监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令； 所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全 型； 所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m ;所述 定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔一个定位检测周期进行一 次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测周期记为T， 单位为秒-S ; 一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，具体包括以下步骤： 步骤I. t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为X ;相 邻的两个定位基站的ID分别记为n、n+l，n= 1，2,3... ;T0A测距值分别记为d' xn(t)、 d' m+1(t)，单位为米_m，经数据传输模块上传至定位服务器；依此类推，t时刻之前 的 TOA 测距值分别记为 cT xn(t-T)、cT xn(t-2T)、cT xn(t-3T)…以及 cT xn+1(t-T)、 d' xn+1(t-2T)、d' xn+1(t-3T).. ?，单位为米-m;t 时刻之后的 TOA 测距值记为 d' xn(t+T)、 d，xn(t+2T)、d，xn(t+3T)…以及 d，xn+1(t+T)、d，xn+1(t+2T)、d，xn+1(t+3T)...，单位为 米-m ; 步骤2.定位服务器在接收到t+lT时刻的TOA测量值d' xn(t+lT)、d' xn+1 (t+lT)后， 七=1，2,3...，对1'(^测量值(1'!￡11(〇、(1'!￡11+1(〇进行偏差测量值的判断、舍弃和替换， 存储处理后的结果，处理后的结果记为dlxn(t)、dlxn+1 (t)，单位为米-m ;依此类推，t时刻 之前对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为dlxn(t-T)、 dlxn(t-2T)、dlxn(t-3T)…以及 dlxn+1 (t-T)、dlxn+1 (t-2T)、dlxn+1 (t-3T) ? ? ?，单位为米-m ;t 时 刻之后对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为dlxn(t+T)、 dlxn(t+2T)、dlxn(t+3T)…以及 dlxn+1 (t+T)、dlxn+1 (t+2T)、dlxn+1 (t+3T) ? ? ?，单位为米-m ; 步骤3.延时IT以后，定位服务器对dlxn(t)、dlxn+1(t)进行滤波处理并存储处理后的结 果，处理后的结果为d2xn(t)、d2xn+1⑴，单位为米-m ; 步骤4.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的定 位结果并存储，定位结果中定位卡X与定位基站n的距离为dxn(t)、与定位基站n+1的距离 为dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)单位均为米-m ;依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果与 定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、d xn(t-3T)...以 及dxn+1 (t-T)、dxn+1 (t-2T)、dxn+1 (t-3T)...，单位为米-m ;t时刻之后目标节点定位结果与定 位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、d xn(t+3T)...以及 dxn+1 (t+T)、dxn+1 (t+2T)、dxn+1 (t+3T) --?，单位为米-m ; 步骤5.定位服务器将定位结果传输至监控调度模块。
8.根据权利要求7所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特 征在于，所述步骤2中，对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公 式：
式中，(11!￡11(1:)、(11!￡11+1(1:)为处理结果,(^为距离变化阈值,单位为米-111,(^ = 2.1\1+3。
9. 根据权利要求7所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特 征在于，所述步骤3中，延时IT以后，对dlxn(t)、dlxn+1 (t)进行滤波处理，依据以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
10. 根据权利要求7所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法， 其特征在于，所述步骤4中，利用巷道几何定位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公 式：
t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为 dm+1(t)的位置。
【文档编号】H04W64/00GK104333905SQ201410605133
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】孙继平, 李晨鑫 申请人:中国矿业大学(北京)