楊楠

摘 要：礦產(chǎn)資源開采是一個高危的行業(yè)，環(huán)境復雜的礦下，存在著嚴重的安全隱患。設計一種穩(wěn)定、精確的礦井人員定位系統(tǒng)，對于提高礦下工作人員管理及應急救援水平是十分必要的。針對礦井環(huán)境復雜的特點，合理安排系統(tǒng)結構，設計一種基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)。根據(jù)井下人員身上佩戴的電子標簽發(fā)送的信號，利用TDOA的定位算法計算人員精確位置信息。經(jīng)實驗證明，本系統(tǒng)具有穩(wěn)定和定位精確的特點，滿足礦下人員定位的要求。

關鍵詞：人員定位系統(tǒng)；UWB；電子標簽；TDOA

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

我國是一個礦產(chǎn)資源大國，已探明的礦產(chǎn)資源總量占世界總量的12%，因此礦產(chǎn)開采有力地支撐了國民經(jīng)濟的發(fā)展。但是由于礦產(chǎn)開采業(yè)的特殊性，使之成為一個高危的行業(yè)。礦井災難隨時都會發(fā)生，威脅著礦產(chǎn)開采人員的生命安全。除了采取安全保障措施外，還需要制定及時營救措施，其中礦井人員位置的精確定位是營救被困人員的一個最重要信息[1]。

隨著無線傳感網(wǎng)絡（Wireless sensor network，WSN）定位技術[2，3]的發(fā)展，國內(nèi)外均采用該技術解決礦井人員定位問題。無線傳感器網(wǎng)絡定位技術根據(jù)定位時是否需要距離和角度信息，可分為測距和非測距兩類[4，5]。測距定位算法主要有到達時間（TOA）、到達角度（AOA）、接收信號強度（RSSI）和到達時間差（TDOA）等[6]。然而在復雜的礦井環(huán)境下，有的方法不能夠發(fā)揮本身的優(yōu)點而得到理想的測量結果。對于井下人員定位，開始采用了IC卡和紅外線編碼等技術，但是這些技術只能實現(xiàn)簡單的人員考勤管理，地面無法獲取井下人員位置信息。無線采集、有線傳輸?shù)木氯藛T定位方式是現(xiàn)階段該應用研究的一個方向。

針對當前WSN定位算法在環(huán)境復雜礦井人員定位過程存在的缺陷，為提高礦井人員定位精度，提出一種基于UWB[7]的礦井人員定位系統(tǒng)。充分利用UWB的功能與特點，采用TDOA定位算法得到礦井人員具體位置信息。通過實驗證明該礦井人員定位方法穩(wěn)定性好、定位精度高。

1 定位系統(tǒng)關鍵技術

1.1 信號調制

本文的UWB脈沖信號是一種高斯脈沖信號，其時域波形表達式如下：

（1）

UWB系統(tǒng)單脈沖的頻譜在低頻段分量很豐富，常與現(xiàn)有系統(tǒng)共享極寬的帶寬，有可能對現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在無載波UWB系統(tǒng)中，可以采用高斯脈沖的各階導數(shù)來產(chǎn)生波形，通過頻譜搬移改變頻譜結構，來滿足FCC的功率限制和頻譜要求。求導的階數(shù)越高，對其他系統(tǒng)的干擾就越小。根據(jù)本系統(tǒng)的應用特點，高階高斯比一階高斯會有更好的窄脈沖波形。當數(shù)據(jù)速率一定時，為了進一步提高UWB傳輸距離，增加發(fā)射功率。

為了產(chǎn)生UWB信號，發(fā)射時域上很短的脈沖 （0.1～0.5ns）產(chǎn)生很寬的頻譜。通過對信息數(shù)據(jù)符號對產(chǎn)生的脈沖進行脈沖幅度調制（PAM）調制，還要用偽隨機噪聲（PN）對數(shù)據(jù)符號進行編碼已形成信號頻譜。

1.2 信號同步

信號的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。UWB脈沖信號具有持續(xù)時間短的特點，且信號功率較低，因此同步捕獲信號和跟蹤信號變得較為困難。在捕獲階段，接收機快速搜索信號到達時間，并根據(jù)搜索結果調整接收機定時，其目的是使本地參考信號與接收信號的相位差小于一定范圍，使接收機可以在一定程度上解調信號；在跟蹤階段，接收機對微小的定時偏差進行補償以保持同步，其目的是使本地參考信號與接收信號的相位差進一步減小。

1.3 定位技術

UWB具有定位精度高、可靠性高和低歸功耗的優(yōu)點。在UWB中，通過獲取TDOA[8]的測量值，構成關于電子標簽位置的圓周曲線方程組，求解該方程組得到具體位置信息。具體是發(fā)射節(jié)點發(fā)射兩種不同頻率的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)接收到兩種信號間的時間差來計算兩個節(jié)點之間的距離。TDOA技術采用了AOA中的OWR（One Way Ranging，OWR）技術，其具有測量誤差小、對硬件和成本要求低的特點。

2 系統(tǒng)結構及設計

2.1 系統(tǒng)構成

UWB無線定位系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示，主要由定位傳感器，網(wǎng)絡交換機，服務器，網(wǎng)線等部分組成。

定位傳感器是用來接收定位標簽發(fā)出的信號而對標簽進行定位，多個定位傳感器之間需要有網(wǎng)絡和時間同步連接線。多個定位傳感器構成傳感器定位單元，每個單元有主從傳感器之分。其中，主傳感器通過時間同步線向從傳感器發(fā)送時間同步信號。傳感器接收到的定位標簽信息通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)線傳送給UWB平臺，計算后得到定位標簽的精確位置信息。

圖1 UWB無線定位系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖

定位標簽、主從傳感器、POE交換機、DHCP服務器和UWB定位平臺構成超寬帶無線定位網(wǎng)絡。定位平臺可以是任何計算機設備，DHCP服務器的作用是給每一個傳感器分配一個IP地址，用于區(qū)分主從傳感器并用于傳感器之間的信號同步。

2.2 TDOA定位算法

比較多種測距定位算法后，本文選擇了定位時間差（TDOA）定位算法，與到達時間（AOA）算法類似，只是測量的是時間差，利用如圖2所示的雙曲線交叉進行定位。

圖2 TDOA方式下傳感器和定位目標的幾何關系

定位標簽發(fā)送UWB信號給定位單元，多個定位單元之間以及單個定位單元內(nèi)部接收到信號，并開始同步信號，最后估算出標簽的位置數(shù)據(jù)并出送給定位平臺，定位傳感器之間都是通過同步信號線來同步信號。

2.3 傳感器定位單元安裝

由于礦井環(huán)境復雜，單個定位單元不能夠覆蓋整個礦井，故需要多個定位單元結合聯(lián)合定位，如圖3所示。單個UWB定位單元傳感器之間的時間同步線連接是有一定的規(guī)則的。一個典型的定位單元是10～30 m的矩形場所，兩個傳感器就可以定位標簽位置，考慮到魯棒性選擇每個單元安置四個傳感器。一個傳感器需要被設置為時間源，即主傳感器。時間信號通過同一單元的同步線傳播到每個傳感器。單個單元之間的時間同步線可以采用此圖所示的星形連接，也可以采用環(huán)形連接。多個定位之間也需要一根時間同步線來連接，要確保各單元之間只有一根連線?？梢詮膯卧?中的任意一個連接到單元2中的任意一個，但是時間信號必須從被連接的傳感器的右上角輸入。我們選擇第一個單元的主傳感器為整個定位系統(tǒng)時間源。

圖3 多個定位單元聯(lián)合定位

3 結 語

礦井人員定位是礦井工作人員安全的保證，不僅可以合理調配井下工作人員，而且能夠在發(fā)生礦難事故時，及時準確地定位被困人員而對其進行營救。

本文重點研究了UWB定位技術中的信號調制、信號同步和測距定位技術，定位單元的合理安排布放及網(wǎng)絡系統(tǒng)的合理設計保證了本系統(tǒng)的高精度性和高穩(wěn)定性。通過礦井實地驗證，本文設計的基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)定位精度高、可靠性好，為礦井人員定位問題提出了新的解決方案。

參考文獻

[1]華鋼，周磊，任凱.地下煤礦人員定位跟蹤系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].礦山機械，2008，36（6）：36-39.

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[3] 孫利民， 李建中， 陳渝， 等. 無線傳感器網(wǎng)絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[4]劉曉文，王振華，王書涵，等.基于RSSI算法的礦機無線定位技術研究[J].煤礦機械，2009，30（3）：59-60.

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