孫繼平，李晨鑫

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

基于WiFi和計時誤差抑制的TOA煤礦井下目標定位方法

孫繼平，李晨鑫

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

針對現(xiàn)有煤礦井下目標定位方法精度不能滿足應(yīng)急救援、井下人員作業(yè)管理以及煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對精確定位的需要，提出基于TOA(Time of Arrival)的煤礦井下目標精確定位方法。針對TOA方法用于目標定位受設(shè)備計時誤差影響較大，井下巷道呈一維條狀分布，無法采用地面常用的二維、三維抑制誤差算法，提出基于計時誤差抑制的TOA煤礦井下目標定位方法，建立雙路WiFi(Wireless Fidelity)信道+單路光纖信道的一維定位方法和信號收發(fā)計時方式，在此基礎(chǔ)上提出計時誤差抑制算法。測試結(jié)果證明計時誤差抑制算法在采用此定位方法基礎(chǔ)上，有效地抑制了設(shè)備計時誤差造成的測距誤差，實測誤差不影響定位精度，驗證了此方法的定位性能。

煤礦井下；目標定位；TOA；WiFi；計時誤差抑制算法

現(xiàn)有煤礦井下目標定位方法定位精度不足，不能滿足事故應(yīng)急救援、井下作業(yè)人員管理、煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對精確定位的需求[1-6]。

目前，基于到達時間的TOA(Time of Arrival)方法應(yīng)用于目標精確定位具有一定研究基礎(chǔ)[7-11]。TOA方法定位精度受設(shè)備時延、計時器頻率偏移等計時誤差因素影響，二維平面、三維空間定位的算法可以對抑制計時誤差，但不適用呈條狀分布的煤礦井下巷道一維環(huán)境。對稱雙邊雙路測量的SDS-TWR方法[12-13]能部分抑制計時誤差，但僅針對每次信號收發(fā)處理時延完全一致的情況，未考慮每次處理時延存在差異造成的影響。

筆者提出針對煤礦井下特定環(huán)境的TOA目標定位方法，建立雙路WiFi(Wireless Fidelity)信道+單路光纖信道的一維定位方法，提出抑制計時誤差的算法，將計時誤差在計算中抵消，實現(xiàn)TOA方法在煤礦井下目標定位中的有效應(yīng)用。

1 計時誤差對TOA方法的影響

TOA方法利用信號在發(fā)射機和接收機之間的傳播時間計算距離，實現(xiàn)目標定位。計時誤差對定位精度影響較大。

1.1 計時誤差對單程測距的影響

利用信號單程傳播時間測距方法計算公式為

(1)

式中，d為發(fā)射機與接收機距離；c為光速；t為測得的信號傳播時間；Δt為設(shè)備時鐘同步時延。

測距誤差與同步時延的關(guān)系如圖1所示。同步時延對單程測距方法影響極大。

圖1 單程測距誤差Fig.1 Error of one-way distance-measuring

1.2 計時誤差對雙程測距的影響

利用信號雙程往復(fù)傳播時間方法計算公式為

(2)

式中，T1為發(fā)射機自發(fā)出檢測信號起至接收到回應(yīng)信號止的時間；T2為接收機自接收到檢測信號起至發(fā)出回應(yīng)信號止的時間；e1，e2分別為發(fā)射機計時器、接收機計時器的頻率偏移系數(shù)。

雙程測距方法誤差-(e1T1-e2T2)是由于計時器存在頻率偏移造成計時誤差導(dǎo)致。參考IEEE802.11標準，頻率偏移不超過±25×10-6[14]，測距誤差與收發(fā)計時器頻率偏移系數(shù)差、處理時延的關(guān)系如圖2所示。計時器頻率偏移及處理時延對雙程測距方法影響較大。

圖2 雙程測距誤差Fig.2 Error of reciprocating path distance-measuring

1.3 小 結(jié)

圖1和圖2表明，TOA定位的精度受設(shè)備時延、計時器頻率偏移等計時誤差因素影響較大，必須加以抑制才可用于煤礦井下目標精確定位。地面環(huán)境采用二維、三維算法進行誤差抑制。煤礦井下巷道呈一維條狀，無法采用上述算法，需要建立針對井下特定環(huán)境的定位方法和計時誤差抑制算法。

2 方法描述

根據(jù)前文所述，實現(xiàn)TOA方法在煤礦井下目標定位中的應(yīng)用，需要建立一維定位方法，并解決如下技術(shù)問題:

(1)導(dǎo)致計時誤差的因素多，包括同步時延、計時器頻率偏移、處理器的處理時延；

(2)導(dǎo)致計時誤差的因素不易被消除、不易被測得、多為變量。

基于上述原因，筆者提出煤礦井下一維TOA目標定位方法和計時誤差抑制算法:針對存在多個計時誤差因素，提出三條信道的進行定位檢測的方法，包括一條已知長度的光纖信道和兩條用于定位測距的WiFi信道，提出三條信道的信號收發(fā)及計時方式；針對計時誤差變量不易被測量、多為變量，抑制誤差算法利用三條信道的信號傳輸時間關(guān)系和長度關(guān)系建立計算式，應(yīng)用矩陣計算的消元方法將造成誤差的變量在計算中抵消，建立計算結(jié)果僅與實測時間值有關(guān)的距離計算公式。

2.1 技術(shù)方案

提出雙路WiFi信道+單路光纖信道的一維定位方法(圖3)。

圖3 雙路WiFi信道+單路光纖信道Fig.3 Two-way WiFi channel+one-way fiber channel

該方法構(gòu)成包括綜合通信基站，定位分站，識別卡，埋入式光纖網(wǎng)絡(luò)。

(1)綜合通信基站，為具有定位子站的通信基站，間距為2d*，計算中為已知值，根據(jù)WiFi天線覆蓋性能[15-17]和系統(tǒng)設(shè)計需求進行設(shè)定；

(2)定位分站，置于2個綜合通信基站的中點；因此定位分站與綜合通信基站的距離為d*；

(3)識別卡，作為定位標識由定位目標攜帶，集成于WiFi手機，識別卡與綜合通信基站、定位分站的距離分別記為d1，d2，為待測值；

(4)埋入式光纖網(wǎng)絡(luò)用于綜合通信基站和定位分站的有線連接；

(5)綜合通信基站，定位分站，識別卡均有計時功能和計算功能，其中識別卡與WiFi手機共用計時器和處理器；計時器滿足分辨率τ≤1×10-8s，可實現(xiàn)定位精度為AC=τ×c≤3 m，c為光速；

(6)綜合通信基站和定位分站分別采用2個定向天線進行WiFi信號覆蓋和接收信號方向判別，定向天線的覆蓋方向即為目標所在方向；

(7)本技術(shù)方案需建立在支持SerialNET(透明傳輸模式)方式的WiFi通信模塊上，以實現(xiàn)作為定位節(jié)點的識別卡與作為錨節(jié)點綜合通信基站的定位子站和定位分站同時進行通信。

在本技術(shù)方案基礎(chǔ)上，利用2.2節(jié)提出的信號收發(fā)及計時方式得出每一條信道上的信號收發(fā)時間，利用2.3節(jié)提出的抑制誤差算法計算得出識別卡與綜合通信基站距離d1、定位分站的距離d2，確定目標位置。

2.2 信號收發(fā)及計時方式

雙路WiFi信道+單路光纖信道方法的信號收發(fā)計時方法流程如圖4所示。利用信號收發(fā)兩端時間相減的方式對信號在節(jié)點之間的雙程傳播時間計算，能夠消除WiFi技術(shù)本身存在的時延問題。

圖4 信號收發(fā)及計時過程Fig.4 Process of signal transceiving and timing

綜合通信基站、定位分站分別記為錨節(jié)點A、錨節(jié)點B，目標及識別卡記為移動節(jié)點M。

(1)M分別向A和B發(fā)出信號SMA和SMB，開始記錄時間TMA和TMB；

(2)B收到SMB，向M回復(fù)信號SBM，計時TBM；

(3)A收到SMA，向M回復(fù)信號SAM，計時TAM；

(4)M收到SBM，SMA，分別結(jié)束計時，記錄TMB，TMA；

(5)A向B發(fā)送信號SAB，開始記錄時間TAB；

(6)B收到SAB，向A回復(fù)信號SBA，計時TBA；

(7)A收到SBA，結(jié)束計時，記錄TAB；

(8)M和B分別將時間值TMB，TMA和TBM，TBA包含于信號STM和STB中發(fā)送至A。

綜合通信基站A利用時間值TAM，TAB，TMB，TMA，TBM，TBA，采用2.3節(jié)提出的計時誤差抑制算法的距離計算式(13)，計算得出識別卡與綜合通信基站距離d1、定位分站的距離d2，確定目標位置。

2.3 計時誤差抑制算法

本文在雙路WiFi信道+單路光纖信道方法基礎(chǔ)上提出計時誤差抑制算法。

圖4所示的A與B之間的有線信號傳輸時間計算中，存在以下關(guān)系:

(3)

(4)

IEEE802.11規(guī)定，設(shè)備的時鐘頻率偏移容限為±25×10-6[14]，因此，存在下面的關(guān)系:

(5)

TAB-TBA→

(6)

即

(7)

同理,M與A，B之間的WiFi信號傳輸時間存在類似關(guān)系:

(9)

圖3所示方法存在距離之間的關(guān)系:

(10)

因此:

(11)

消元變換得:

(12)

計時誤差抑制算法的距離計算公式為

(13)

計時誤差抑制算法的距離計算式(13)顯示，距離計算結(jié)果僅與測得的時間值有關(guān)，與設(shè)備同步時延、計時器頻率誤差系數(shù)、信號處理時延等計時誤差無關(guān)，計時誤差的影響能夠被有效抑制。

3 實 驗

3.1 計時誤差抑制結(jié)果

對比1.1，1.2節(jié)的方法與2.3節(jié)抑制誤差算法，對計時誤差導(dǎo)致的測距誤差進行仿真實驗。測試條件:d=400m，同步時延≤1μs，計時器頻率偏移不超過±25×10-6[14],處理時延≤4ms(考慮WiFi時延，利用BCM8000WiFi模塊多次處理得出參考值)。

計時誤差導(dǎo)致的測距誤差如圖5和表1所示。

表1誤差最值
Table1Maximumsandminimumsoferrors

方法誤差區(qū)間最值1/m誤差區(qū)間最值2/m單程測距方法-299 2733299 9853雙程測距方法-52 770951 4159計時誤差抑制算法-0 01660 0174

圖5 誤差抑制結(jié)果Fig.5 Results of error suppression

1000次隨機仿真實驗結(jié)果顯示，前兩種方法的測距誤差分布區(qū)間為[-299.273 3 m,299.9853 m],[-52.7709m,51.4159m]，本文提出的計時誤差抑制算法的測距誤差分布區(qū)間為[-0.016 6 m,0.017 4m]，抑制誤差效果明顯。

3.2 實測實驗

采用BCM8000WiFi模塊作為信號收發(fā)器，F(xiàn)CA3000高分辨率計時器作為計時器，利用高約3 m，寬約4m,長約100m的計算機機房通道模擬巷道環(huán)境，BCM8000WiFi模塊提供網(wǎng)線接口可直接利用機房的雙絞線進行有線連接，每間隔5m進行5次定位測試并取平均值。測試環(huán)境如圖6所示。

圖6 測試環(huán)境示意Fig.6 Schematic plan of test environment

準確位置與測試位置對比如圖7所示。

實測誤差如圖8所示。

圖7 實測結(jié)果Fig.7 Results of tests

圖8 實測誤差Fig.8 Errors of tests

測試結(jié)果顯示，定位結(jié)果與實際位置誤差最大值為-2.4m，平均為0.58m，其中，接近綜合通信基站或定位分站時誤差相對較大，這是由于本文定位方法忽略煤礦井下巷道側(cè)壁高度和頂?shù)装鍖挾龋瑢⑾锏酪暈橐痪S環(huán)境進行目標定位，會對目標定位結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。實測誤差小于定位精度，因此誤差不會影響系統(tǒng)3 m的定位精度。

3.3 小 結(jié)

仿真和實際測試結(jié)果顯示本文提出的方法，可以實現(xiàn)本文所述指標下的3 m的定位精度。

4 結(jié) 論

(1)提出的計時誤差抑制算法有效抑制了計時誤差對TOA方法用于煤礦井下目標定位造成的誤差。

(2)提出的基于計時誤差抑制的TOA煤礦井下目標定位方法在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，具有3 m的定位精度，能夠有效實現(xiàn)TOA方法在煤礦井下目標定位中的有效應(yīng)用。

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TOAundergroundcoalminetargetpositioningmethodbasedonWiFiandtimingerrorsuppression

SUN Ji-ping,LI Chen-xin

(SchoolofMechanicalElectronic&InformationEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083，China)

As the precision of the existing target positioning methods for underground coal mine can not meet the requirements of emergency rescue and operation management of underground personnel as well as the requirements for accurate positioning of the construction of coal mine-related internet of things,a precise positioning method based on TOA(Time of Arrival)was proposed.As for the impact from equipment timing errors upon the target positioning by TOA method and the failure of two-dimensional or three-dimensional error suppression algorithms commonly used on the ground due to the one-dimensional strip distribution in the tunnel,the TOA target positioning method for underground coal mine based on timing error suppression was proposed,to establish the one-dimensional positioning method and signal transceiving timing method with two-way WiFi(Wireless Fidelity)channel+one-way fiber channel,and on such basis,the timing error suppression algorithm was put forward.The test results prove that such algorithm based on the positioning method in this paper effectively suppresses the ranging error caused by the equipment timing error,and the actually-measured error does not affect the positioning accuracy,which verifies the positioning performance of this method.

undergroundcoal mine;target positioning;TOA;WiFi;timing error suppression algorithm

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0082

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(51134024)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)資助項目(2012AA062203)

孫繼平(1958—)，男，山西翼城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:010-62331929，E-mail:sjp@cumtb.edu.cn。通訊作者:李晨鑫， E-mail:cumtblichenxin@126.com

TD655

A

0253-9993(2014)01-0192-06

孫繼平，李晨鑫.基于WiFi和計時誤差抑制的TOA煤礦井下目標定位方法[J].煤炭學(xué)報,2014,39(1):192-197.

Sun Jiping,Li Chenxin.TOA underground coal mine target positioning method based on WiFi and timing error suppression[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):192-197.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0082