专利名称：煤矿井下超宽带定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿井下安全监控领域，具体的说是涉及一种煤矿井下超宽带精确定位系统。
背景技术：
煤炭是我国的主要能源，但煤矿井下的工作环境恶劣，地质环境复杂，开采技术相对落后，井下生产人员素质较低，导致各种矿井的恶性事故不断发生，一旦事故发生，地面人员难以及时动态的掌握井下人员的分布及作业情况，抢险救灾效率低。井下工作人员的生命安全受到严重威胁。随着科学技术的不断进步，人们在井下布设了多种探测系统和监控系统，以便获知井下工作人员的位置，方便在发生矿难时及时开展救援工作以及日常生产中的管理调度。因此有必要研究矿井下目标精确定位系统与方法，这是矿井生产、调度和 抢险救灾等的关键环节。传统的煤矿井下无线测距与定位技术很多，包括红外线、超声波、射频识别、蓝牙、ZigBee和WiFi等，但这些方法都存在一定的局限性红外线穿透性差，只适合短距离传输，且容易被灯光干扰；超声波受多径环境的影响严重；射频识别方法信号不稳定；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；基于ZigBee和WiFi等技术的计算电磁波能量的定位系统，在用于位置检测时难以达到很好的精度。超宽带(UWB)作为ー门新兴的无线通信技术，采用冲击无线电(IR)的形式，通过发送皮秒至纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据。超宽带无线通信系统具有许多与其他无线通信系统完全不同的特点具有高速、低成本、低功耗、定位精确、时间分辨率高、抗多径干扰、穿透能力强等优点，因此，基于超宽带的定位技术非常适合在煤矿井下使用。矿井下最主要的问题是非视距(NLOS)传输严重，一些基于到达时间(TOA)的超宽带定位技木，由于没有鉴别和消除NLOS传播误差，造成该类定位系统无法达到精确定位的要求。
发明内容为了克服以上不足，特别是为了克服矿井定位系统抗干扰能力差、定位精确度低、矿井定位设备体积受限、超宽带信号在矿井下存在NLOS传播等问题，本实用新型提供了一种精确的矿井下超宽带定位系统，该系统结合巷道空间的特点，利用有限的參考节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种煤矿井下超宽带定位系统，包括远程监视层和现场监控层，所述远程监视层包括浏览器服务器，数据服务器，地面监控终端，交換机；所述现场监控层包括目标节点，參考节点，网关和基站；数据服务器和地面监控终端通过交换机与基站构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给浏览器服务器；目标节点，參考节点，网关和基站构成超宽带无线定位网络；基站通过光纤或总线挂接在交換机上；目标节点由井下作业人员或者机械装置携帯；所述数据服务器，接收并存储目标节点位置数据；所述地面监控终端，记录參考节点部署位置信息，根据接收到的距离测量值，进行NLOS鉴别，井根据NLOS鉴别结果和參考节点的部署位置及巷道分布，计算目标节点的精确位置，并将位置信息再发送给数据服务器及浏览器服务器；所述交换机和基站，负责转发定位信息；所述网关负责完成超宽带无线定位信息的转发和配置信息的传送；所述參考节点，放置在网关设备无线信号覆盖范围内，提供ー个包含自己位置坐标和接收信号強度指示值(RSSI)的信息包给目标节点，完成传输超宽带信号到达时间的计算；所述目标节点，与井下人员的身份对应，完成參考节点的选取；所述的系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。所述网关包括微处理器、存储器、总线模块、超宽带天线、电源、通信接ロ、液晶显示器、选择按键。所述參考节点包括处理器、电源、存储器、超宽带信号产生单元、能量检测接收机结构、超宽带天线、开关电路。所述目标节点包括处理器、电源、存储器、超宽带信号产生单元、能量检测接收机结构、超宽带天线、开关电路。所述能量检测接收机结构包括超宽带天线、低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF、平方器、积分器、采样开关、判决器。为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于非參数NLOS鉴别和加权最小ニ乘法的UWB定位技术根据煤矿井下巷道实际特点，在巷道的两侧边缘沿一定的距离线性部署參考节点，目标定位时，首先根据接收信号强度值确定參与目标节点精确定位的參考节点，并估计出毎次来自目标节点的超宽带定位信号的到达时间(TOA)，在计算出M个相应的距离值，再利用非參数NLOS鉴别方法对目标结点和參考结点之间的信道进行NLOS鉴别，根据NLOS鉴别结果，分配最小二乗法定位算法的加权因子，构造加权因子最小二乗法定位算法的目标函数，并计算出目标节点的位置。所述基于非參数NLOS鉴别和加权最小ニ乘法的UWB定位技术，包括以下步骤A.确定參与目标节点精确定位的參考节点，并计算出毎次来自目标节点的超宽带定位信号的到达时间Τ0Α，重复进行M次；B.根据每个參考结点估计出的M个TOA值，计算出M个相应的距离值，再利用非參数NLOS鉴别方法对目标结点和參考结点之间的信道进行NLOS鉴别；C.根据NLOS鉴别結果，分配最小二乗法定位算法的加权因子；D.根据分配的加权因子，构造加权因子最小二乗法定位算法的目标函数，并估计目标节点的位置。所述步骤A包括下列步骤Al.在巷道的两侧边缘沿一定的距离线性部署參考节点；A2.在目标节点MS进入巷道后，MS向周围内的參考节点周期性地广播定位请求信号，连续发送M次，參考节点收到定位请求信号后，从中提出ー组RSSI值，然后对这组RSSI值求平均，并记录该平均值；A3.目标节点MS发送完M次定位请求后广播一次收集RSSI信息，这时周围參考节点会向该目标节点回复其记录的RSSI平均值，目标节点收集完RSSI信息后，如果收集到的RSSI值的个数小于3个，则再重新广播定位请求信号；否则，对收集到的RSSI值进行排序，并选取最大的3个作为參考节点，并向这3个參考节点再发送M次定位信号；A4.參考节点毎次接收到定位信号后，将接收到的信号r(t)通过平方器后再进行
积分采样，获得信号的能量采样序列
权利要求1.一种煤矿井下超宽带定位系统，包括远程监视层和现场监控层，其特征在于，所述远程监视层包括浏览器服务器，数据服务器，地面监控终端，交換机；所述现场监控层包括目标节点，參考节点，网关和基站；数据服务器(I)和地面监控终端(2)通过交换机(3)与基站(5)构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给浏览器服务器(4);目标节点(8)，參考节点(7)，网关(6)和基站(5)构成超宽带无线定位网络；基站(5)通过光纤或总线挂接在交換机(3)上；目标节点(8)由井下作业人员或者机械装置携帯； 所述数据服务器(I)，接收并存储目标节点位置数据； 所述地面监控终端(2)，记录參考节点部署位置信息，根据接收到的距离测量值，进行NLOS鉴别，井根据NLOS鉴别结果和參考节点的部署位置及巷道分布，计算目标节点的精确位置，并将位置信息再发送给数据服务器及浏览器服务器； 所述交换机(3)和基站(5)，负责转发定位信息； 所述网关(6)负责完成超宽带无线定位信息的转发和配置信息的传送； 所述參考节点(7)，放置在网关设备无线信号覆盖范围内，提供ー个包含自己位置坐标和RSSI值的信息包给目标节点，完成传输超宽带信号到达时间的计算。
所述目标节点(8),与井下人员的身份对应,完成參考节点的选取； 所述的系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。
2.根据权利要求I所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述网关(6)包括微处理器、存储器、总线模块、超宽带天线、电源、通信接ロ、液晶显示器、选择按键。
3.根据权利要求I所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述參考节点(7)包括处理器、电源、存储器、超宽带信号产生单元、能量检测接收机结构、超宽带天线、开关电路。
4.根据权利要求I所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述目标节点(8)包括处理器、电源、存储器、超宽带信号产生单元、能量检测接收机结构、超宽带天线、开关电路。
5.根据权利要求4所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述能量检测接收机结构包括超宽带天线、低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF、平方器、积分器、采样开关、判决器。
专利摘要本实用新型公开了一种煤矿井下超宽带定位系统。本系统包括远程监视层的浏览器服务器，数据服务器，地面监控终端，交换机，现场监控层的目标节点，参考节点，网关和基站，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。该系统采用基于非参数NLOS鉴别和加权最小二乘法的UWB定位技术，用一种非参数NLOS鉴别方法来进行NLOS鉴别，然后根据NLOS鉴别结果分配相应的加权因子，构造一个新的加权最小二乘法定位算法，并用该算法来估计出目标节点的位置。本实用新型抗干扰能力强，定位精度高，成本低，系统设备结构简单，能耗小等特点，更加适合巷道工作环境。
文档编号G01S5/00GK202600134SQ201220259898
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者田子建, 王宝宝 申请人:中国矿业大学(北京)