張永棠 羅海波

（廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系）

一種適用井下信號(hào)功率路徑損耗的估計(jì)定位

張永棠 羅海波

（廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系）

在研究無(wú)線信號(hào)路徑損耗模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)固定基站感測(cè)移動(dòng)站點(diǎn)的信號(hào)功率，實(shí)現(xiàn)井下復(fù)雜環(huán)境的人員定位，并應(yīng)用線性回歸的方法建立適用于井下功率路徑損耗的模型。仿真結(jié)果表明，在30 m×50 m的矩形仿真區(qū)域中，該方法對(duì)移動(dòng)站的估計(jì)定位可以將誤差控制在3 m以?xún)?nèi)。因此，合理增設(shè)固定基站可實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線信號(hào)建模數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的有效融合，從而達(dá)到精確定位的要求。

信號(hào)強(qiáng)度；路徑損耗；定位；礦井安全

0 引言

井下作業(yè)人員日常管理和發(fā)生礦難時(shí)迅速找到遇難人員的關(guān)鍵是確定他們的位置。目前人員定位的方法很多，如用紅外線、微波、聲納等手段[1]。但這些定位儀器多用于地面上的救災(zāi)，用于井下的不多。由于礦井一旦發(fā)生爆炸等礦難，井下的環(huán)境會(huì)變得更加復(fù)雜，很多無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)可能無(wú)法正常使用[2]。因此，建立一種誤差較小的估算位置方法尤為重要。

本文采用基于信號(hào)強(qiáng)度的解決方案，利用基站（base station，BS）或接入點(diǎn)AP感測(cè)來(lái)自移動(dòng)站（mobile station，MS）的信號(hào)功率（或者能量）來(lái)定位MS。結(jié)合井下工作面的鏈狀環(huán)境，合理擺放BS和MS，用接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（received signal strength indicator，RSSI）[1,3]測(cè)得BS接收的來(lái)自MS的功率，建立適用于井下的功率路徑損耗模型，實(shí)現(xiàn)井下人員的有效估計(jì)定位。

1 井下無(wú)線信號(hào)的路徑損耗模型

由于井下工作面是鏈狀環(huán)境，通道的幾何面非常復(fù)雜，很容易造成無(wú)線信號(hào)的路徑損耗。并且井下人員的位置是動(dòng)態(tài)的，給無(wú)線通信帶來(lái)很大的影響。

假設(shè)信號(hào)強(qiáng)度僅與發(fā)射機(jī)之間的距離有關(guān)，則簡(jiǎn)單信號(hào)傳播模型成立[4]：

其中，P(d )為接收機(jī)接收到的功率；d為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的距離；d0為相對(duì)于接收機(jī)的參考距離；P(d0)為該參考點(diǎn)的信號(hào)功率；a表示路徑損耗，它是隨著距離d增加而增加。

由于傳播環(huán)境的影響，電磁波在井下傳播無(wú)法用自由空間傳播模型來(lái)描述。一種對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型可對(duì)電磁波井下傳播情況進(jìn)行近似：

若把式(1)簡(jiǎn)單信號(hào)傳播模型測(cè)量得到的信號(hào)功率作為觀測(cè)量。在式(2)的井下信號(hào)傳播模型中，通過(guò)補(bǔ)償由于遮蔽引起的發(fā)射機(jī)和信號(hào)接收機(jī)之間的信號(hào)損耗，修正每個(gè)測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度值[6]，這樣可使用線性回歸分析估計(jì)路徑損耗參數(shù)a。通過(guò)補(bǔ)償，式(2)變?yōu)?/p>

定義

其中N為信號(hào)強(qiáng)度值采樣數(shù)。則有估計(jì)

估計(jì)路徑損耗參數(shù)a后，可進(jìn)行初步的距離估計(jì)

2 定位方法設(shè)計(jì)

2.1 井下單個(gè)BS對(duì)MS的定位估計(jì)

選取0 m~50 m區(qū)域范圍，模擬井下工作面的鏈狀環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。用BS和MS在0 m~50m的范圍內(nèi)測(cè)試，測(cè)試包括BS所在位置和路徑損耗模型中參考點(diǎn)所在位置的12個(gè)點(diǎn)的RSSI數(shù)值，硬件測(cè)得的RSSI數(shù)值在-70dBm~-90dBm。

圖1是部分測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)對(duì)路徑損耗a和遮蔽因子z估計(jì)后的建模曲線的比較[7]。可以看出，BS測(cè)量到的信號(hào)強(qiáng)度隨著MS移動(dòng)路徑距離越大衰減越明顯。

測(cè)試時(shí)，MS在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)穩(wěn)定后，接收機(jī)BS會(huì)輸出大量的RSSI數(shù)值，圖2對(duì)每個(gè)點(diǎn)上接收機(jī)收到的RSSI數(shù)值進(jìn)行取平均，做出測(cè)量曲線和建模曲線之間的比較。

圖2 測(cè)量曲線與建模曲線

可以看出，無(wú)論是測(cè)量數(shù)據(jù)還是建模估算數(shù)據(jù)，BS基站接收到的信號(hào)強(qiáng)度都是隨著MS移動(dòng)路徑距離增大而衰減的。為認(rèn)證建模的準(zhǔn)確性和有效性，選取9個(gè)0 m~50m有效區(qū)域內(nèi)的RSSI數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。MS與基站BS的真實(shí)距離和估計(jì)距離如表1所示。

表1 MS的真實(shí)距離和估計(jì)距離（單位：m）

將表1的數(shù)據(jù)代入式（7），可以計(jì)算出估計(jì)距離的標(biāo)準(zhǔn)差為

2.2 井下2個(gè)BS對(duì)MS的定位估計(jì)

為了驗(yàn)證估算建模的有效性，在區(qū)域范圍為0 m ~50m的鏈狀環(huán)境中，在兩端，即0 m和50 m的地方各放置1個(gè)BS，來(lái)測(cè)量MS距離發(fā)生變化時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，并對(duì)2個(gè)BS顯示的RSSI數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，估計(jì)未知參數(shù)進(jìn)行建模，2條建模曲線如圖3所示。圖3中以BS1所在位置為距離的起始點(diǎn)，即橫軸的原點(diǎn)，可見(jiàn)BS1接收信號(hào)強(qiáng)度曲線與圖2接近，而B(niǎo)S2接收信號(hào)強(qiáng)度則隨著MS到BS1距離的增大而增強(qiáng)。

圖3 利用2個(gè)BS的測(cè)量數(shù)據(jù)的建模曲線

真實(shí)距離和用2個(gè)基站分別估計(jì)和聯(lián)合估計(jì)的距離如表2所示。

表2 真實(shí)距離和用2個(gè)基站分別估計(jì)和聯(lián)合估計(jì)的距離

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可計(jì)算2個(gè)基站估計(jì)距離的標(biāo)準(zhǔn)差，見(jiàn)式(10)；用1個(gè)基站估計(jì)距離的標(biāo)準(zhǔn)差，見(jiàn)式(11)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

采用Matlab對(duì)估算建模進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。假設(shè)在30 m×50 m的矩形區(qū)域中，對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生20個(gè)固定的點(diǎn)進(jìn)行定位。對(duì)于傳統(tǒng)方法，選用參數(shù)固定的路徑損耗模型，將矩形中心處的基站和z作為整個(gè)區(qū)域的環(huán)境因子。

改變矩形區(qū)域內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目，分別用傳統(tǒng)的參數(shù)固定方法和本文提出的動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)方法對(duì)這20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定位，比較平均定位誤差，結(jié)果如圖4所示。

圖4 錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)改變時(shí)的定位誤差比較

由圖4的仿真結(jié)果可以看出：錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同時(shí)，與傳統(tǒng)的參數(shù)固定方法相比，動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)的定位算

法能夠有效減小定位誤差。隨著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，2種方法的定位誤差都會(huì)大大減小，并且兩者的差別逐漸減小。由此可見(jiàn)錨節(jié)點(diǎn)的密度將會(huì)影響定位的準(zhǔn)確性。

考慮到天線的非向性，每移動(dòng)至一個(gè)位置進(jìn)行定位時(shí)，緩慢旋轉(zhuǎn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并在每個(gè)位置上多次實(shí)驗(yàn)取平均。2種方法下定位誤差的比較如圖5所示。由于測(cè)量受遮蔽因子的影響，所以在一定程度上加大了定位誤差。從圖5的數(shù)據(jù)看出，可實(shí)現(xiàn)3 m以?xún)?nèi)的定位精度，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合這一特征，總的來(lái)說(shuō)此次仿真實(shí)驗(yàn)是可靠的。

圖5 不同方法定位誤差的比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文從數(shù)學(xué)分析、實(shí)際測(cè)量和仿真試驗(yàn)構(gòu)建了井下定位的可靠方法，將礦井井下信道建模和實(shí)地采集測(cè)量進(jìn)行融合，定位精度得到提升。其中，可配置參數(shù)是筆者在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定的，還有待于進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律，增強(qiáng)算法普適性和穩(wěn)健性，改進(jìn)無(wú)線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)，使其更容易部署和使用。

[1]張波,莊昆,王維維.射頻識(shí)別技術(shù)在礦井人員定位管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技,2011(6):82-84.

[2]李世光,王新華,秦靜,等.爆炸性環(huán)境用無(wú)線設(shè)備的防爆安全性研究現(xiàn)狀[J].自動(dòng)化與信息工程,2014,35(1):40-44.

[3]黃可嘉,林創(chuàng)魯,劉洋,等.一種低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程,2010,31(1):20-22.

[4]周松斌,史孝波,吳熠銘,等.一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)線物聯(lián)技術(shù)研究[J].自動(dòng)化與信息工程,2012,33(3):12-14,29.

[5]Jagoba Arias，Aitzol Zuloaga,Jesús Lázaro,et al.Malguki:an RSSI based ad hoc location algorithm[J].Microprocessors and Microsystems,2004(8):403-409.

[6]石鵬,徐鳳燕,王宗欣.基于傳播損耗模型的最大似然估計(jì)室內(nèi)定位算法[J].信號(hào)處理,2005,21(5):502-504,474.

[7]陳永光,李修和.基于信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)[J].電子學(xué)報(bào),2004,32(9):1456-1458.

羅海波，男，1980年生，碩士，講師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)信息安全。

Estimation and Localization of Power Path Loss for an Underground Mine Signal

Zhang YongtangLou Haibo
(Guangdong Neusoft Institute)

Model approach in the study of radio signal path loss model based on the signal power is fixed by the base station being measured mobile sites that enable people locate underground complex environment,and apply linear regression to establish suitable for underground power path loss.Simulation results show that,in the 30m×50m rectangular area of simulation,the method for locating a mobile station can estimate the error control in less than 3m.Therefore,a reasonable additional fixed base stations to achieve effective integration of modeling data and actual measurement data radio signal underground,so as to achieve precise positioning requirements.

Signal Strength;Path Loss;Positioning;Mine Safety

張永棠，男，1981年生，碩士，副教授，系統(tǒng)分析師，主要研究方向：通信與傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。E-mail:echun2008@163.com