【摘 要】礦井人員定位系統(tǒng)是對煤礦坑道遠距離移動目標進行非接觸式信息采集處理，實現(xiàn)對人、車、物在不同狀態(tài)下的自動識別，及時、準確的將人員及設備的動態(tài)情況反映到地面計算機系統(tǒng)，方便管理人員進行合理的調度安排。因此，如何能準確定位井下人員狀況顯得尤為重要。

【關鍵詞】人員定位系統(tǒng) RFID 電磁波定位

礦井人員定位系統(tǒng)利用無線射頻技術、數(shù)據(jù)處理技術、數(shù)據(jù)通訊技術和地理信息系統(tǒng)，結合無線網(wǎng)絡傳輸技術，定位專利技術及煤礦井下通信基站專利技術，真正實現(xiàn)了井下人員的精確定位和其他各業(yè)務的需要。

井下無線通信是國內外研究的熱點和難題，但相對于地面無線通信來說進展緩慢，主要原因是井下無線通信條件復雜，直接進行理論研究相當困難，主要是以實驗為基礎緩慢發(fā)展起來的。一系列實驗表明：在中短波頻段，井下巷道對電波衰減最大，通信距離最近。在超短波，通信距離隨著頻率升高而增加，電波傳播衰減逐漸減少。在微波頻段，隨著頻率升高衰減變得很小，因此井下巷道可認為是微波通信的波導型通道。這是由于巷道直徑遠遠大于波長，微波信號在巷道中獲得了相對較大的自由傳播空間形成的。因此，巷道端面尺寸決定了電磁波傳播的截止頻率。端面大，截止頻率低，通信效果就好，端面小，截止頻率高，則必須選擇更高頻率的信號才能實現(xiàn)井下無線通信。

一、RFID人員定位系統(tǒng)工作原理

最基本的射頻識別由射頻卡/標簽（Tag），RFID讀寫器（Reader Writer Device），天線（Antenna）以及應用支撐軟件組成，如圖1所示。

首先由井上監(jiān)控中心定位系統(tǒng)軟件將固定監(jiān)控點的位置信息進行登記、存儲，同時為每個下井人員裝配一個電子標簽并編號。作業(yè)人員進入井下，當?shù)竭_放置在巷道內任何一個閱讀器的識別范圍內時，閱讀器感應到信號，接收標簽數(shù)據(jù)并立即上傳到監(jiān)控中心的計算機上，計算機就可判斷出具體信息，同時將信息顯示在監(jiān)控中心電腦顯示屏上并在數(shù)據(jù)庫中存檔備查。

二、礦井人員定位系統(tǒng)中RFID技術的定位方法探索

電磁波定位是建立在電磁波測距基礎上的。電磁波測距的方法主要有三種，即基于接收場強的RSS （received signal strength）方法、基于來波到達時間的TOA （time of arrival）方法、基于來波到達角度的AOA （angle of arrival）方法。

（一）RSS方法的可行性分析

場強值隨距離變化存在強烈起伏，在一個波長的范圍內可以出現(xiàn)30-40dB的變化，所以用場強信息實現(xiàn)定位是困難的；但是考慮到場強測量最易實現(xiàn)，對硬件要求低，在定位精度要求不高的情況下可以利用。因此國內外很多學者在這一領域做了大量的工作，提出了一些基于RSS的定位解決方案以及算法：1.最大似然估計法、最小均方誤差估計法。這類方法建立在概率統(tǒng)計的基礎之上，利用事先建立的信道模型或者統(tǒng)計規(guī)律，得到似然函數(shù)進行位置估計；2.開窗平均值方法。在每個定位點上利用長度為幾十個波長的空間窗，將該窗口內采樣得到的場強值取均值作為該點的場強值用于位置估計；3.指紋識別法。該算法只適合于靜態(tài)情況下應用，而且先期工作十分艱巨。

電磁波的傳播環(huán)境比室內環(huán)境還要復雜的多，多徑效應比室內環(huán)境更加嚴重，電磁波的場強衰減規(guī)律更難掌握，從而導致更大的定位誤差，精度較低。

（二）TOA方法的可行性分析

TOA方法利用收、發(fā)天線間電磁波的傳播時間進行測距、定位，需要對接收脈沖的波形進行分析，以便確定脈沖到達時刻是否精確可測。也就是需要對井下信道的脈沖響應——寬帶特性有充分的分析與研究。對每一個發(fā)射脈沖，信道會產生多個沿不同路徑，不同延遲到達的脈沖，并在接收點上進行矢量疊加，這種現(xiàn)象也可以理解為波導色散，不同的模式沿不同的路徑、不同的時間到達，造成脈沖展寬。這種效應可等價為線性低通濾波器對發(fā)射脈沖的低通濾波效應。

借助于TOA算法來實現(xiàn)井下定位是一種可行的方案。在DLOS和 OLOS兩種情況下均能測出脈沖到達時刻，從而可以確定收發(fā)天線間的距離：1.DLOS情況。在接收點上可以接收到直射波到達脈沖，且這個脈沖是最先到達的，具有最大幅值，通過確定該脈沖到達時刻，就可以確定收發(fā)天線之間的距離，進而實現(xiàn)定位；2.OLOS情況。接收點處也有直射波到達脈沖，但是這個脈沖是經(jīng)歷極大衰減的脈沖，只有在接收器具有足夠高的靈敏度，足夠高的動態(tài)范圍的情況下才能檢測出來，否則，接收器將最先到達的幅值超過其靈敏度的脈沖作為直射波到達脈沖，產生定位誤差。

（三）AOA方法的可行性分析

AOA算法只需要2個基站就可以確定位置，而2條直線只有一個交點，不會出現(xiàn)軌跡有多個交點的現(xiàn)象，即定位的模糊性。但為了測量電磁波的入射角度，接收機的天線需要改進，必須配備方向性強的天線陣列。這導致接收機的結構復雜、體積增大，適合于在地面蜂窩小區(qū)基站應用以實現(xiàn)人員定位，對井下利用來說是不利的。

通過上述比較得出：RSS方法和TOA方法可應用于井下移動通信定位，RSS方法的定位誤差相對較大，TOA方法更為適合井下移動通信定位，而OAO方法主要適合于在地面蜂窩小區(qū)基站應用以實現(xiàn)人員定位。由于礦井人員定位系統(tǒng)由地上部分和地下部分組成，同時兩部分的工作環(huán)境差別很大，因此，通過三種方法的有機結合增加井下通信的安全性和穩(wěn)定性，確保煤礦生產安全，合理減少相應的成本。

參考文獻：

[1]蔣樹青。礦用井下人員定位管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，電子科技大學，2012.9

[2]徐宏雷。井下人員定位系統(tǒng)研究，遼寧工程技術大學，2009.12