基于UWB TDOA測距的井下動態定位方法

隋　心，楊廣松，郝雨時，王長強，徐愛功

(1.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新　123000；2.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢　430079)

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基于UWB TDOA測距的井下動態定位方法

隋心1，2，楊廣松1，郝雨時1，王長強1，徐愛功1

(1.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新123000；2.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢430079)

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

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

我國煤礦安全技術與裝備技術總體水平不高，造成礦井事故隱患多、礦井防災抗災能力差等問題，凸顯建立與完善先進的安全監測與監控系統的必要性、緊迫性和現實性。其中井下移動目標的定位監控是煤炭行業多年來亟待解決的技術難題，研究和開發井下移動目標的定位與跟蹤技術對于提高生產效率、保障井下人員的安全、完成災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主要為新型有源井下人員定位系統，它們大都采用射頻識別(radio frequency identification，RFID)、Zigbee以及無線網絡(wireless fidelity，WiFi)等技術實現無線檢測、有線傳輸，實現一種2級集散式的監測系統對井下人員實現實時監測、自動跟蹤定位，顯示人員身份、位置及分布狀況[1-4]；但上述各系統實際上僅僅是一種考勤記錄系統，而非真正意義上的人員定位跟蹤系統，同時這些定位技術大多存在傳輸距離短、抗多徑效應差、定位精度低等問題；因此難以實現復雜地質條件下的人員或設備的精確定位和跟蹤。

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

本文針對UWB技術對井下環境的高精度動態定位方法進行研究，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境的定位方法；在此基礎上采用擴展卡爾曼濾波對位置參數進行動態解算，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高精度定位系統。

1　井下環境下UWB不同定位方法比較

UWB定位具有與其他技術類似的原理，主要通過測距或測向實現。按照其測量距離時利用的特征參數的不同，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]。下面結合井下特殊環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等影響，而UWB信道環境比較復雜，多徑分量分布廣，因此在這過程中不僅要考慮多徑環境下能量收集和信道環境下衰弱模型，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目，在一定程度上增加了系統的體積與成本；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的方法都能夠實現對目標節點的定位；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格同步，只需參考站間保持時間同步，這樣系統相對簡化，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在實際中實現該技術的可能性與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雜變化的信道環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動態定位算法

卡爾曼(Kalman)濾波技術主要廣泛應用在軍事領域中的雷達定位與導航方面，這是由它理想的跟蹤性能決定的；因此將Kalman濾波技術應用到無線定位技術中，能夠有效達到動態跟蹤定位的效果[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。在本文中狀態方程是線性的，但是觀測方程是非線性的，矩陣形式的狀態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，設用于定位的基站數是m，m≥3，可以得到m-1個TDOA數據，觀測方程可進一步表示為

(3)

(4)

(5)

式中Hk的維數是m-1，由TDOA數據的數量決定。

(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

井下移動目標定位精度除了與UWB測距精度密切相關外，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]在總結前人研究成果的基礎上，選取DOP值作為定位精度評價指標，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，采用實測的UWB測距數據分析基站幾何分布對定位精度的影響。DOP值可根據上述的UWB動態定位算法中所計算出來的Pk|k和驗后單位權中誤差進行計算。利用實驗對DOP值與平面定位精度之間的關系進行分析，實驗結果見圖1。

圖1　DOP值與平面定位精度關系圖

由圖1可以發現：當DOP約為17的時候，在測距精度沒有發生變化的前提下，定位精度迅速變差；因此可以認為將DOP值作為評價基站幾何分布的標準是合理的，可以利用DOP值對基站的布設進行指導。

4　實驗及結果分析

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大學博文樓回字形走廊，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。考慮到井下巷道的特殊幾何形狀，基準站應對稱地布設于巷道兩側；并且在2對基準站(這些基準站位于同一平面)所構成的幾何圖形中心的頂部再安放一個基準站時，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模塊作為基準站。將2臺UWB基準站分別放置與走廊一端的兩側，另外1臺UWB基準站放置于走廊另外一端的一側，走廊長度約為15m。由于采用3臺基準站只能進行平面定位，因此將上述3臺基準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臺基準站所形成的三角形區域內進行測量，如果超出該范圍，則采用上述布設原則對基準站重新進行布設。采用1臺高精度全站儀用于確定各基準站坐標以及檢核移動平臺定位結果。模擬實驗包括靜態定位和動態定位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，并對結果進行統計分析。

圖3　UWB定位軟件參數設置

圖4　UWB定位軟件的靜態定位

4.1靜態定位精度測試

實驗流程為：首先利用高精度全站儀設站，建立一個局部坐標系，測出基準站UWB(設備編號分別為100、110、111)的天線相位中心坐標，將坐標輸入軟件中(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確坐標，將2者進行比較，確定定位精度(如圖4所示)。統計結果見表1至表3。

表1　通視情況下靜態定位結果統計　m

表2　2基站通視情況下靜態定位結果統計　m

表3　1基站通視情況下靜態定位結果統計　m

根據表1～3，可以得出：

1)在視距情況下，即通視環境下，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定的矩形路線進行動態測量，設定UWB模塊采樣間隔為0.1 s，平臺移動的速度約為1 m/s，標定路線上的各拐點及UWB基準站坐標已預先采用全站儀測得。動態定位軌跡與標定路線對比圖如圖5所示(折線表示動態定位軌跡，直線表示設定路線)。為了測試本文提出的基于擴展Kalman濾波的UWB動態定位算法，將其定位結果與單歷元解算結果進行對比，結果見表4。

圖5　動態定位軌跡與標定路線對比圖

參數估計方法定位誤差/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我們可以發現擴展Kalman濾波算法可充分利用歷史信息，其動態定位性能要優于單歷元解算方法；因此使用擴展Kalman濾波算法可以實現良好的跟蹤定位，具有較好的動態定位性能。

5　結束語

為有效提高井下移動目標的定位精度與可靠性，將UWB測距技術應用于井下移動目標定位系統中。通過對UWB不同定位方法進行比較，認為在井下環境下采用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形式，引用DOP作為評價基站幾何分布的指標；實驗結果表明當DOP大于一定閾值后，定位精度會快速下降，因此可利用DOP值對基站的布設進行指導。使用搭建的UWB移動定位平臺進行模擬井下環境定位測試，實驗結果表明基于擴展Kalman濾波的UWB動態定位算法可使井下定位精度達亞dm級，優于當前其他井下無線定位系統精度。

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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，Fuxin，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)；國家自然科學基金資助項目(41501504)；遼寧省教育廳創新團隊項目(LT2015013)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(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，研究方向為全球衛星定位系統與地理信息系統及智能交通系統的集成與應用等。

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測距的井下動態定位方法[J].導航定位學報，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.