劉世森

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400037）

及時準(zhǔn)確掌握礦工在井下的具體位置在礦井生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。但是，市場上絕大多數(shù)煤礦人員考勤管理系統(tǒng)只能提供區(qū)域定位功能，定位精度不高，僅能單向?qū)崿F(xiàn)井下人員考勤管理，煤礦對利用相應(yīng)的礦井人員跟蹤定位監(jiān)控設(shè)備，全天候?qū)γ旱V入井人員進(jìn)行實時自動跟蹤定位，隨時掌握每個員工在井下活動軌跡、全礦井下人員的位置分布情況等需求迫切[3]。因此，提出一種基于UWB（超寬帶）技術(shù)的礦井人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法。

1 UWB技術(shù)

超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)[4-5]。由于UWB系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度可以非常低，幾乎被湮滅在各種電磁干擾和噪聲中，使其具有功耗低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、隱秘性好、截獲率低，保密性好等優(yōu)點，并且抗多徑衰落能力強，有很強的穿透能力，能提供精準(zhǔn)的定位精度。

UWB精確定位方式主要有到達(dá)時間法（TOA）和時間差定位法（TDOA）[6]。研究主要集中在基于TOA方法為基礎(chǔ)的SDS-TWR雙邊雙程測距方法，此方法是通過測量電磁波在空中來回傳播時間計算距離，SDS-TWR測距法示意圖如圖1。

圖1 SDS-TWR測距法示意圖

節(jié)點A在T1時刻發(fā)起射頻信號;節(jié)點B在T2時刻接受射頻信號，將數(shù)據(jù)處理后，在T3時刻回復(fù)射頻信號；節(jié)點A在T4時刻接收到射頻信號，處理完節(jié)點B的回復(fù)信號后，在T5時刻再次發(fā)送射頻信號（包括T1和T4時間值）；節(jié)點B在T6時刻接收到射頻信號。節(jié)點A 1次往返所花時間為T4－T1，節(jié)點B 1 次往返所需時間為 T6－T3，其中，T3－T2為節(jié)點 B接受射頻信號到發(fā)送回復(fù)信號的反應(yīng)時間，T5-T4為節(jié)點A接收到節(jié)點B回復(fù)的射頻信號到發(fā)送回去的反應(yīng)時間，這2個時間段不是信號的飛行時間，因此節(jié)點A到節(jié)點B的距離d為：

式中：C為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，一般以真空中的光速來代替。

SDS-TWR測距法解決了2個節(jié)點間需要時鐘同步的難題，且能有效降低晶體振蕩器頻率漂移所帶來的測距誤差[7-9]，測距精度不受接受靈敏度、信號發(fā)送功率和信號傳輸衰減影響，相比于傳統(tǒng)的TOA測距算法測量精度較高，適用于礦井條件下目標(biāo)精準(zhǔn)定位。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于UWB技術(shù)的礦井人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為物理層、傳輸層和應(yīng)用層,精準(zhǔn)定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2。物理層由標(biāo)識卡和定位讀卡器組成，完成無線測距信息的接受和發(fā)送，并且在定位讀卡器上計算出定位信息。傳輸層包括人員管理分站和由交換機組成的以太網(wǎng)傳輸平臺，傳輸分站具備RS485口和光通信接口，它通過RS485巡檢定位讀卡器，并且通過光纖將定位信息傳輸至以太網(wǎng)，上傳至應(yīng)用層服務(wù)器進(jìn)行存儲，實時顯示煤礦井下人員的具體位置。

3 定位原理

定位讀卡器采用基于UWB技術(shù)的雙測距射頻模塊設(shè)計，定位原理模塊框圖如圖3，分為左射頻和右射頻。2個射頻模塊通過饋線連接2個相同的天線。2根天線之間的距離為s，規(guī)定s的值為1 m。定位卡采用SDS-TWR測距方法分別與左射頻和右射頻進(jìn)行測距，其距離值為d1和d2。

定位卡相對于定位讀卡器方向的判定機制如下：①d1-d2>s時，標(biāo)識卡在定位讀卡器的右邊，距離為d2；②d1-d2

圖2 精準(zhǔn)定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖3 定位原理模塊框圖

定位卡與定位讀卡器的定位過程如下：

1）定位卡周期性地發(fā)送廣播包，定位讀卡器左射頻接受到廣播后，回復(fù)包含測距時隙的數(shù)據(jù)包，保證標(biāo)識卡在單個時隙里與定位讀卡器測距。

2）與定位讀卡器測距，定位卡掃描網(wǎng)絡(luò)成功后，在規(guī)定的時隙里分別與定位讀卡器的左射頻模塊和右射頻模塊測距。首先由定位讀卡器的右射頻模塊主動發(fā)起測距，采用SDS-TWR方式在標(biāo)識卡本地計算與右射頻模塊的距離，然后，標(biāo)識卡主動發(fā)起測距（包含標(biāo)識卡與右射頻模塊距離值），采用SDSTWR方式有定位讀卡器左射頻模塊進(jìn)行測距，由定位讀卡器根據(jù)2次距離測量值進(jìn)行定位卡方向判別，定位卡與定位讀卡器測距完成后休眠。

4 時分復(fù)用防碰撞算法

AQ 6210—2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》中要求人員定位系統(tǒng)并發(fā)識別數(shù)量不少于80張標(biāo)識卡。當(dāng)多個標(biāo)識卡同時進(jìn)入定位讀卡器內(nèi)，會產(chǎn)生無線信號碰撞，導(dǎo)致定位失敗。系統(tǒng)采用時分復(fù)用技術(shù)解決無線信號碰撞問題，多標(biāo)簽時隙分配機制如圖4。定位讀卡器的左射頻模塊和右射頻模塊分別采用不同信道，其中左射頻模塊負(fù)責(zé)每個標(biāo)簽處于正確的時隙，避免定位卡之間發(fā)生碰撞。當(dāng)左射頻模塊接受到來自定位卡的廣播請求幀，它向定位卡回復(fù)包含發(fā)起定位時間的數(shù)據(jù)幀。定位卡在固定的時隙里依次與定位讀卡器的左射頻模塊和右射頻模塊進(jìn)行測距，當(dāng)測距完成以后，定位卡進(jìn)入休眠，并且在下一個時隙到來時再次被喚醒，與定位讀卡器進(jìn)行測距。

圖4 多標(biāo)簽時隙分配機制

5 試驗結(jié)果分析

為了測試礦井人員精準(zhǔn)定位監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度和最大覆蓋距離，搭建了測試平臺，包括1臺測試電腦、1臺定位讀卡器和20張定位卡。

在國家煤礦安全工程研究中心清水溪瓦斯爆炸實驗基地搭建試驗系統(tǒng)，分別測試了20張卡在50、100、150、200、300 m的定位精度，為了減小試驗誤差，每個點測試10次，去除最大值和最小值后，參考文獻(xiàn)[10]中定位精度評價方法，取平均值作為測量距離，測量距離減去實際距離的差值的絕對值作為系統(tǒng)的定位精度。隨機選取其中的5張卡進(jìn)行分析。定位精度測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 定位精度測試數(shù)據(jù)

分析試驗結(jié)果，每張卡的的距離值都在誤差范圍之內(nèi)，在距離較遠(yuǎn)時，系統(tǒng)的收到的多徑干擾影響程度反而減小，同時丟包率控制在3%以內(nèi)。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)定位精度保持在0.3 m以內(nèi)，視距范圍內(nèi)有效覆蓋范圍達(dá)到300 m以上，滿足礦井人員的精確定位過程。

6 結(jié)語

針對礦井巷道一維線性空間特征，設(shè)計了一套基于UWB定位技術(shù)和SDS-TWR測距算法的礦井人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，采用單個讀卡器實現(xiàn)方向判斷，采用時分復(fù)用技術(shù)解決無線信號沖突問題，保證了定位成功率，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)定位精度在0.3 m以內(nèi)，有效覆蓋半徑達(dá)到300 m，滿足礦用實際需求。