隋　心，楊廣松，郝雨時，王長強，徐愛功

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新　123000；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢　430079)

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基于UWB TDOA測距的井下動態(tài)定位方法

隋心1，2，楊廣松1，郝雨時1，王長強1，徐愛功1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢430079)

針對井下移動目標(biāo)精確定位和跟蹤過程中所存在的傳輸距離短、抗多徑效應(yīng)差、定位精度低等問題，提出一種適合于井下環(huán)境的動態(tài)定位方法，并使用精度因子對基準(zhǔn)站幾何分布進行評價，形成一套完整的井下移動目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)。最后使用搭建的UWB移動定位平臺進行模擬井下環(huán)境定位測試，實驗結(jié)果表明基于該平臺可使井下定位精度達亞dm級，優(yōu)于當(dāng)前其他井下無線定位系統(tǒng)精度。

超寬帶；擴展卡拉曼濾波；井下巷道；到達時間差；精度因子

0　引言

我國煤礦安全技術(shù)與裝備技術(shù)總體水平不高，造成礦井事故隱患多、礦井防災(zāi)抗災(zāi)能力差等問題，凸顯建立與完善先進的安全監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)的必要性、緊迫性和現(xiàn)實性。其中井下移動目標(biāo)的定位監(jiān)控是煤炭行業(yè)多年來亟待解決的技術(shù)難題，研究和開發(fā)井下移動目標(biāo)的定位與跟蹤技術(shù)對于提高生產(chǎn)效率、保障井下人員的安全、完成災(zāi)后及時施救與自救都具有十分重要的意義。

目前我國井下人員無線定位系統(tǒng)主要為新型有源井下人員定位系統(tǒng)，它們大都采用射頻識別(radio frequency identification，RFID)、Zigbee以及無線網(wǎng)絡(luò)(wireless fidelity，WiFi)等技術(shù)實現(xiàn)無線檢測、有線傳輸，實現(xiàn)一種2級集散式的監(jiān)測系統(tǒng)對井下人員實現(xiàn)實時監(jiān)測、自動跟蹤定位，顯示人員身份、位置及分布狀況[1-4]；但上述各系統(tǒng)實際上僅僅是一種考勤記錄系統(tǒng)，而非真正意義上的人員定位跟蹤系統(tǒng)，同時這些定位技術(shù)大多存在傳輸距離短、抗多徑效應(yīng)差、定位精度低等問題；因此難以實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下的人員或設(shè)備的精確定位和跟蹤。

超寬帶(ultra wideband，UWB)技術(shù)具有傳輸速率高、發(fā)射功率低、不易被截獲、多徑分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)勢，且有十分精準(zhǔn)的定位能力(理論上定位精度可達到cm級)，這些優(yōu)勢使其在軍事和民用領(lǐng)域都有十分寬廣的研究前景[5]。在移動待測目標(biāo)點定位、物品追蹤、受災(zāi)現(xiàn)場搜救等方面，借助超寬帶定位可使上述情況得到很好解決。

本文針對UWB技術(shù)對井下環(huán)境的高精度動態(tài)定位方法進行研究，通過對UWB各種定位方法進行比較，確定出一種適合于井下環(huán)境的定位方法；在此基礎(chǔ)上采用擴展卡爾曼濾波對位置參數(shù)進行動態(tài)解算，并使用精度因子(dilution of precision，DOP)對基站幾何分布進行評價，最終形成一套完整的井下移動目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)。

1　井下環(huán)境下UWB不同定位方法比較

UWB定位具有與其他技術(shù)類似的原理，主要通過測距或測向?qū)崿F(xiàn)。按照其測量距離時利用的特征參數(shù)的不同，主要方法有信號強度(received signal strength，RSS)測量法、信號到達角度(angle of arrival，AOA)、信號到達時間(time of arrive，TOA)、信號到達時間差(time difference of arrive，TDOA)方法[6-7]。下面結(jié)合井下特殊環(huán)境對上述不同定位方法進行對比分析，確定出適合于井下環(huán)境的定位方法。

1)UWB使用RSS方法進行定位：一般來說，UWB的最大特點是帶寬很大，而RSS定位方法不能充分利用帶寬大的優(yōu)勢，所以對定位精度沒有明顯的改善；井下巷道壁明顯粗糙并且存在大量障礙物，信號在傳播過程中不可避免地遭受多路徑衰減、小尺度衰落、路徑損耗和陰影效應(yīng)等影響，而UWB信道環(huán)境比較復(fù)雜，多徑分量分布廣，因此在這過程中不僅要考慮多徑環(huán)境下能量收集和信道環(huán)境下衰弱模型，而且要考慮信道隨時間的變化。因此UWB單獨使用RSS方法無法達到很高的定位精度。

2)UWB使用AOA方法進行定位：基于AOA的定位方法實現(xiàn)上相對簡單，但是它也有一定的弊端，例如在井下定位過程中，由于井下巷道分布錯綜復(fù)雜，信號主要為非視距傳播(non line of sight，NLOS)，在該情況下AOA方法將受到較大影響；并且使用該方法需要用到天線陣列或是增加參考站的數(shù)目，在一定程度上增加了系統(tǒng)的體積與成本；除此以外，由于UWB帶寬很大，很容易受到周圍物體多路徑散射的影響，導(dǎo)致AOA估計精度較差。但是如果AOA與TOA、TDOA等定位方法進行混合，將AOA提供的信息作為輔助，在參考站較少的情況下能夠顯著提高定位精度。

3)UWB通過信號到達時間進行定位的方法：上面所述的基于TOA、TDOA的方法都能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)節(jié)點的定位；其中TOA方法是利用信號傳播時間延遲進行測距，由于要求移動端與接收端時鐘嚴(yán)格同步，所以存在一個同步誤差，后者不要求移動端與接收端時鐘嚴(yán)格同步，只需參考站間保持時間同步，這樣系統(tǒng)相對簡化，成本較小，但是由于信號是雙向傳播的，所以消耗功率較大。TDOA在實際中實現(xiàn)該技術(shù)的可能性與TOA相比要高得多，這是因為它不要求基站與待測目標(biāo)之間時鐘一致，只需要每個基站之間時鐘同步就能得到所需值，并且在對到達時間做差的過程中會減小部分誤差，定位精度能相對提高。

根據(jù)以上分析可知：在實際中每一種定位方法都不可能在各種復(fù)雜變化的信道環(huán)境下均達到理想的定位精度，相對來說TDOA在這些定位方式中具有較高的定位精度和較好的實用性，所以在本文中使用的定位方式是TDOA定位方法。

2　基于擴展Kalman濾波的UWB動態(tài)定位算法

卡爾曼(Kalman)濾波技術(shù)主要廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的雷達定位與導(dǎo)航方面，這是由它理想的跟蹤性能決定的；因此將Kalman濾波技術(shù)應(yīng)用到無線定位技術(shù)中，能夠有效達到動態(tài)跟蹤定位的效果[8]。Kalman濾波算法適用于解決噪聲為高斯噪聲的線性問題；但由于實際中經(jīng)常會遇到非線性問題，因此研究者對Kalman濾波算法進行改進，將Kalman濾波方法推廣到非線性問題，提出解決非線性問題的擴展Kalman濾波算法。在本文中狀態(tài)方程是線性的，但是觀測方程是非線性的，矩陣形式的狀態(tài)方程和觀測方程分別為：

Xk=φXk-1+Wk-1；

(1)

Yk=h(Xk)+Vk。

(2)

對于TDOA二維定位，設(shè)用于定位的基站數(shù)是m，m≥3，可以得到m-1個TDOA數(shù)據(jù)，觀測方程可進一步表示為

(3)

(4)

(5)

式中Hk的維數(shù)是m-1，由TDOA數(shù)據(jù)的數(shù)量決定。

(6)

Pk|k-1=ΦPk-1ΦT+Qk-1；

(7)

(8)

(9)

(10)

3　基站幾何分布對定位精度影響

井下移動目標(biāo)定位精度除了與UWB測距精度密切相關(guān)外，它還會受到定位基站的空間分布的影響；井下巷道的幾何形狀限制了定位基站在空間、平面上的布設(shè)形式：因此需要探討定位基站的幾何分布對定位精度的影響，為井下定位基站的部署提供理論支撐。文獻[9]在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，選取DOP值作為定位精度評價指標(biāo)，從理論上分析了基站幾何分布對DOP值和定位精度的影響，認(rèn)為定位精度取決于定位基站的感知半徑、巷道寬度和定位基站間距等因素。本文同樣選用DOP值作為基站幾何分布評價指標(biāo)，采用實測的UWB測距數(shù)據(jù)分析基站幾何分布對定位精度的影響。DOP值可根據(jù)上述的UWB動態(tài)定位算法中所計算出來的Pk|k和驗后單位權(quán)中誤差進行計算。利用實驗對DOP值與平面定位精度之間的關(guān)系進行分析，實驗結(jié)果見圖1。

圖1　DOP值與平面定位精度關(guān)系圖

由圖1可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)DOP約為17的時候，在測距精度沒有發(fā)生變化的前提下，定位精度迅速變差；因此可以認(rèn)為將DOP值作為評價基站幾何分布的標(biāo)準(zhǔn)是合理的，可以利用DOP值對基站的布設(shè)進行指導(dǎo)。

4　實驗及結(jié)果分析

圖2　UWB定位實驗平臺

為了對上述基于擴展Kalman濾波的UWB動態(tài)定位算法的性能進行分析，采用模擬井下定位實驗進行驗證。實驗地點為遼寧工程技術(shù)大學(xué)博文樓回字形走廊，走廊寬度約為4m，高度約為3m。為了便于實驗開展，搭建了UWB移動定位平臺，平臺包括1臺UWB模塊、筆記本電腦(含程序軟件等)、實驗小推車(方便設(shè)備移動及定位)以及電源，移動定位平臺見圖1，基于UWB的定位軟件界面如圖2～3所示?？紤]到井下巷道的特殊幾何形狀，基準(zhǔn)站應(yīng)對稱地布設(shè)于巷道兩側(cè)；并且在2對基準(zhǔn)站(這些基準(zhǔn)站位于同一平面)所構(gòu)成的幾何圖形中心的頂部再安放一個基準(zhǔn)站時，可以得到較好的DOP值[10]。由于受到實驗條件限制，本文只能使用3臺UWB模塊作為基準(zhǔn)站。將2臺UWB基準(zhǔn)站分別放置與走廊一端的兩側(cè)，另外1臺UWB基準(zhǔn)站放置于走廊另外一端的一側(cè)，走廊長度約為15m。由于采用3臺基準(zhǔn)站只能進行平面定位，因此將上述3臺基準(zhǔn)站安置在同一個高度上，并且使移動定位平臺的天線高度與3臺基準(zhǔn)站相同。在進行定位實驗過程中，UWB移動定位平臺只在由3臺基準(zhǔn)站所形成的三角形區(qū)域內(nèi)進行測量，如果超出該范圍，則采用上述布設(shè)原則對基準(zhǔn)站重新進行布設(shè)。采用1臺高精度全站儀用于確定各基準(zhǔn)站坐標(biāo)以及檢核移動平臺定位結(jié)果。模擬實驗包括靜態(tài)定位和動態(tài)定位2部分，選擇不同視距(NLOS和LOS)條件進行實驗，觀察UWB的定位精度變化情況，并對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

圖3　UWB定位軟件參數(shù)設(shè)置

圖4　UWB定位軟件的靜態(tài)定位

4.1靜態(tài)定位精度測試

實驗流程為：首先利用高精度全站儀設(shè)站，建立一個局部坐標(biāo)系，測出基準(zhǔn)站UWB(設(shè)備編號分別為100、110、111)的天線相位中心坐標(biāo)，將坐標(biāo)輸入軟件中(如圖3所示)；建立計算機與UWB模塊的連接，啟動移動定位平臺。設(shè)置不同的通視條件，使用移動定位平臺進行點位量測，同時利用全站儀測出該點處的準(zhǔn)確坐標(biāo)，將2者進行比較，確定定位精度(如圖4所示)。統(tǒng)計結(jié)果見表1至表3。

表1　通視情況下靜態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計　m

表2　2基站通視情況下靜態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計　m

表3　1基站通視情況下靜態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計　m

根據(jù)表1～3，可以得出：

1)在視距情況下，即通視環(huán)境下，平均定位精度可達4 cm。最大誤差為5.5 cm，最小誤差2.1 cm。

2)在非視距情況下，即有障礙物遮擋環(huán)境下(遮擋物為一面60 cm厚的鋼筋混凝土墻)，對定位精度影響較大，在2基站通視條件下，精度可達亞dm級，但在只有1基站通視條件下定位誤差達10 cm以上。

4.2動態(tài)定位精度測試

實驗流程為：使用UWB移動定位平臺沿著走廊上標(biāo)定的矩形路線進行動態(tài)測量，設(shè)定UWB模塊采樣間隔為0.1 s，平臺移動的速度約為1 m/s，標(biāo)定路線上的各拐點及UWB基準(zhǔn)站坐標(biāo)已預(yù)先采用全站儀測得。動態(tài)定位軌跡與標(biāo)定路線對比圖如圖5所示(折線表示動態(tài)定位軌跡，直線表示設(shè)定路線)。為了測試本文提出的基于擴展Kalman濾波的UWB動態(tài)定位算法，將其定位結(jié)果與單歷元解算結(jié)果進行對比，結(jié)果見表4。

圖5　動態(tài)定位軌跡與標(biāo)定路線對比圖

參數(shù)估計方法定位誤差/m定位成功率/(%)定位誤差/(%)(≤10cm)單歷元解算0.08578.247.2擴展卡爾曼濾波解算0.04092.579.7

通過表4我們可以發(fā)現(xiàn)擴展Kalman濾波算法可充分利用歷史信息，其動態(tài)定位性能要優(yōu)于單歷元解算方法；因此使用擴展Kalman濾波算法可以實現(xiàn)良好的跟蹤定位，具有較好的動態(tài)定位性能。

5　結(jié)束語

為有效提高井下移動目標(biāo)的定位精度與可靠性，將UWB測距技術(shù)應(yīng)用于井下移動目標(biāo)定位系統(tǒng)中。通過對UWB不同定位方法進行比較，認(rèn)為在井下環(huán)境下采用TDOA定位方法較為合理。井下巷道的幾何形狀限制了基站布設(shè)形式，引用DOP作為評價基站幾何分布的指標(biāo)；實驗結(jié)果表明當(dāng)DOP大于一定閾值后，定位精度會快速下降，因此可利用DOP值對基站的布設(shè)進行指導(dǎo)。使用搭建的UWB移動定位平臺進行模擬井下環(huán)境定位測試，實驗結(jié)果表明基于擴展Kalman濾波的UWB動態(tài)定位算法可使井下定位精度達亞dm級，優(yōu)于當(dāng)前其他井下無線定位系統(tǒng)精度。

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Dynamic positioning method based on TDOA in underground mines using UWB ranging

SUI Xin1，2，YANG Guangsong1，HAO Yushi1，WANG Changqiang1，XU Aigong1

(1.School of Geomatics，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000，China;2.Research Center of GNSS，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430079，China)

In order to solve the problems of short transmission distance，poor ability of anti-multipath effect and low precision in the progress of accurate positioning and tracking in mine underground tunnel，a dynamic positioning method for this environment was proposed in the paper.The dilution of precision was used to evaluate the geometric distribution of the base station，and then a set of high precision positioning system for underground moving target was developed.Finally，a test on the positioning accuracy in a simulated underground environment with mobile positioning platform was carried out，and results showed that the positioning accuracy based on this platform could attain sub-decimeter level，which was better than that of other underground wireless positioning systems.

UWB; extended Kalman filter; underground tunnel; TDOA; DOP

2016-01-19

國家863計劃資助項目(2014AA123101)；國家自然科學(xué)基金資助項目(41501504)；遼寧省教育廳創(chuàng)新團隊項目(LT2015013)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2013141)。

隋心(1981—)，男，遼寧沈陽人，講師，研究方向為室內(nèi)外高精度無縫定位。

簡介：徐愛功(1963—)，男，山東日照人，博士，教授，研究方向為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)及智能交通系統(tǒng)的集成與應(yīng)用等。

P228

A

2095-4999(2016)03-0010-06

引文格式：隋心，楊廣松，郝雨時，等.基于UWB TDOA測距的井下動態(tài)定位方法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(3)：10-14,34.(SUI Xin，YANG Guangsong，HAO Yushi，et al.Dynamic positioning method based on TDOA in underground mines using UWB ranging[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：10-14 ,34.)DOI；10.16547/j.cnki.10-1096.20160303.