基于UWB的礦井人員精準定位技術

劉世森

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037）

及時準確掌握礦工在井下的具體位置在礦井生產方面發揮著重要的作用[1-2]。但是，市場上絕大多數煤礦人員考勤管理系統只能提供區域定位功能，定位精度不高，僅能單向實現井下人員考勤管理，煤礦對利用相應的礦井人員跟蹤定位監控設備，全天候對煤礦入井人員進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）技術的礦井人員精準定位系統設計與實現方法。

1 UWB技術

超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據[4-5]。由于UWB系統發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、系統復雜度低、隱秘性好、截獲率低，保密性好等優點，并且抗多徑衰落能力強，有很強的穿透能力，能提供精準的定位精度。

UWB精確定位方式主要有到達時間法（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

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

式中：C為電磁波在介質中的傳播速度，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、信號發送功率和信號傳輸衰減影響，相比于傳統的TOA測距算法測量精度較高，適用于礦井條件下目標精準定位。

2 系統設計

基于UWB技術的礦井人員精準定位系統網絡架構為物理層、傳輸層和應用層,精準定位網絡架構圖如圖2。物理層由標識卡和定位讀卡器組成，完成無線測距信息的接受和發送，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，上傳至應用層服務器進行存儲，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技術的雙測距射頻模塊設計，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，標識卡在定位讀卡器的右邊，距離為d2；②d1-d2

圖2 精準定位網絡架構圖

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）定位卡周期性地發送廣播包，定位讀卡器左射頻接受到廣播后，回復包含測距時隙的數據包，保證標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，定位卡掃描網絡成功后，在規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起測距，采用SDS-TWR方式在標識卡本地計算與右射頻模塊的距離，然后，標識卡主動發起測距（包含標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行測距，由定位讀卡器根據2次距離測量值進行定位卡方向判別，定位卡與定位讀卡器測距完成后休眠。

4 時分復用防碰撞算法

AQ 6210—2007《煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件》中要求人員定位系統并發識別數量不少于80張標識卡。當多個標識卡同時進入定位讀卡器內，會產生無線信號碰撞，導致定位失敗。系統采用時分復用技術解決無線信號碰撞問題，多標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，其中左射頻模塊負責每個標簽處于正確的時隙，避免定位卡之間發生碰撞。當左射頻模塊接受到來自定位卡的廣播請求幀，它向定位卡回復包含發起定位時間的數據幀。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行測距，當測距完成以后，定位卡進入休眠，并且在下一個時隙到來時再次被喚醒，與定位讀卡器進行測距。

圖4 多標簽時隙分配機制

5 試驗結果分析

為了測試礦井人員精準定位監測系統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，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[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的定位精度。隨機選取其中的5張卡進行分析。定位精度測試數據見表1。

表1 定位精度測試數據

分析試驗結果，每張卡的的距離值都在誤差范圍之內，在距離較遠時，系統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。試驗結果表明，系統定位精度保持在0.3 m以內，視距范圍內有效覆蓋范圍達到300 m以上，滿足礦井人員的精確定位過程。

6 結語

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