基于UWB技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)丙火

(神東煤炭集團技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著煤礦機械化、信息化、數(shù)字化的發(fā)展，作為礦井安全生產(chǎn)與管理保障的“六大系統(tǒng)”也得到了一定的發(fā)展，尤其是作為災(zāi)害救援的重要依據(jù)的井下人員定位系統(tǒng)受到了相關(guān)學(xué)者的大量研究，主要包括基于到達時間的測距技術(shù)、基于信號接收強度的測距技術(shù)、基于到達時間差的測距技術(shù)以及基于到達方向角度的測距定位技術(shù)[1-3]。但是，現(xiàn)有的大量方法都存在著一些局限性。例如：基于到達時間的測距技術(shù)要求發(fā)射機與接收機時間同步，基于接收信號強度的測距技術(shù)受環(huán)境的影響比較大，基于到達時間差的定位技術(shù)要求2個接收機之間時間同步，基于到達角度的測距定位技術(shù)需要多個天線的支持等[4-7]。

針對當(dāng)前主流的人員定位系統(tǒng)在礦井中使用的缺陷，提出了一種基于UWB技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了UWB信號的特點，結(jié)合到達時間測距的算法，以實現(xiàn)礦井人員的精確定位。

1 設(shè)計原理與思路

1.1 UWB信號概述

UWB工作原理：UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)是應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的一種低功耗的無線電技術(shù)，其采用納秒級或亞納秒級的脈沖實現(xiàn)無線通信[8]。UWB通信是利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線，再由天線將數(shù)據(jù)信息發(fā)射出去。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的規(guī)定，UWB信號的相對帶寬(即信號帶寬與中心頻率之比)不小于0.2或者絕對帶寬不小于500 MHz，并且適用指定的3.1～10.6 GHz頻段的信號，UWB系統(tǒng)發(fā)射機的有效各向同性輻射功率(EIRP)不超過-41.25 dBm/MHz[9]。

UWB技術(shù)特點：與WiFi、藍牙、RFID和Zigbee等傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相比較，UWB技術(shù)主要有以下特點[10]。①傳輸速率高、帶寬大。由于UWB信號的寬頻帶，UWB技術(shù)可使用的信號帶寬可達到1GHz以上，結(jié)合其采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的特性，最高的數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 000 Mbps以上，即使發(fā)送信號的功率頻譜密度被控制得很低，也能實現(xiàn)高達100～500 Mbps的信息速率，高于Bluetooth技術(shù)100倍，也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.1lb技術(shù)。超寬帶系統(tǒng)容量大，并且能與目前的窄帶通信系統(tǒng)同時工作而互不干擾。②低功耗，輻射小。通常情況下，無線通信系統(tǒng)在通信時需要連續(xù)發(fā)射載波信號，因而必定消耗一定能量。UWB通信技術(shù)采用非正弦波的載波通信方式，僅發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按 0和1發(fā)送出去，并且在需要時才發(fā)送脈沖電波，脈沖只持續(xù)0.2～1.5 ns的時間，因此UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率非常低，發(fā)射機的發(fā)射功率通常小于1 mW就能實現(xiàn)通訊[11]。低發(fā)射功率大大延長了系統(tǒng)工作時間，并且由于發(fā)射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小，因此，在工業(yè)上應(yīng)用時，其不存在對其他儀器儀表的干擾問題，故可以大量應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的特殊實時定位需求。③抗干擾性強，保密性好。UWB技術(shù)采用跳時擴頻信號，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產(chǎn)生擴頻增益，因此，UWB技術(shù)與IEEE802.11a、IEEE802.11b和Bluetooth技術(shù)相比，在同等碼速條件下，UWB技術(shù)具有更強的抗干擾性。另外，UWB技術(shù)保密性極好，一方面，它采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面，UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的無線通信接收機無法接收或解析無線信號。UWB具有的這些特點，使它在煤礦井下人員定位領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在人員定位系統(tǒng)的定位測距上可得到較為精確的結(jié)果，無遮擋條件下，精度誤差可達到厘米級，精度誤差值不大于30 cm；一般遮擋條件下，精度誤差值亦可達到2 m。④應(yīng)用成熟。目前UWB定位系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，例如，由美國Multispectral Solutions公司開發(fā)的Sapphire系統(tǒng)；由英國Ubisense公司開發(fā)的Ubisense定位系統(tǒng)；由美國Time Domain公司開發(fā)的PLUS系統(tǒng)。通過對以上系統(tǒng)和UWB通信技術(shù)的研究、轉(zhuǎn)化，將UWB通信技術(shù)開發(fā)成適用于我國的煤礦井下人員定位系統(tǒng)。

1.2 基于到達時間的定位方法

TOF的優(yōu)勢：基于UWB技術(shù)的人員定位系統(tǒng)對于煤礦井下的應(yīng)用定位算法有信號強度分析法(RSSI)、到達角度定位法(AOA)、到達時間定位法(TOF)和到達時間差定位法(TDOA)等。TOF是通過接收信號的傳播時間來估計距離。相對前面2種方法，TOF有著不可比擬的優(yōu)勢。TOF的定位精度高，對硬件設(shè)備要求相對低，TOF測距不依賴讀卡器與識別卡的時間同步，故沒有時鐘同步偏差帶來的誤差，但TOF測距方法的時間取決于時鐘精度，時鐘偏移會帶來誤差[12-13]。為了減少時鐘偏移量造成的測距誤差，通常采用正反2個方向的測量方法，即遠端基站發(fā)送測距信息，識別卡接收測距信息并回復(fù)，然后再由識別卡發(fā)起測距信息，遠端讀卡器回復(fù)，通過求取飛行時間平均值，減少兩者之間的時間偏移，從而提高測距精度。因此，充分利用UWB超寬帶寬的優(yōu)勢，根據(jù)信號時間分辨率高的特點，設(shè)計基于UWB技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)。

TOF測距原理：基于信號到達時間(TOF)的測距算法通過測量2個節(jié)點之間信號往返的到達時間來計算距離，屬于雙向測距技術(shù)[14]。基于到達時間的算法信號的往返過程，如圖1所示，節(jié)點1發(fā)送測距信號，并記錄當(dāng)前時間t1；節(jié)點2接收信號，并記錄當(dāng)前時間t2；節(jié)點2處理接收信號后發(fā)送回應(yīng)信號，并記錄當(dāng)前時間t3；節(jié)點1接收回應(yīng)時間，并記錄當(dāng)前時間t4。因此，可得到式(1)，即可計算出該信號的傳播距離。

圖1 到達時間原理圖

(1)

式中，C—電磁波的傳播速率，取3.0×108m/s。

1.3 基于UWB技術(shù)的井下定位技術(shù)設(shè)計

技術(shù)原理：根據(jù)UWB信號、TOF算法以及煤礦井下巷道的特點，設(shè)計了基于UWB技術(shù)的井下人員定位技術(shù)原理。采用主射頻天線和輔射頻天線進行TOF定位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。讀卡器內(nèi)設(shè)置2塊擁有TOF算法的射頻模塊，分別稱為主射頻模塊和輔射頻模塊。2個射頻模塊分別引出2條饋線，饋線終端分別接2個相同頻率的天線。天線分別安裝在讀卡器的兩側(cè)，并且拉開一定距離。

a-讀卡器；b-定向天線；c-識別卡；d-無線通信鏈路圖2 井下定位技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測距計算流程：具體定位測距計算流程如圖3所示。①讀卡器發(fā)射UWB信號，并將添加讀卡器身份ID1與發(fā)射時間t1的信息表項調(diào)制到UWB信號中。②識別卡接收UWB信號，解調(diào)UWB信號中的信息表項，并將接收時間添加至信息表項中的t2字段。③識別卡處理信息表項，將識別卡的身份ID添加至信息表項中的ID2字段。④識別卡將發(fā)射時間添加至信息表項t3字段，并將信息表項調(diào)制至UWB信號作為應(yīng)答信號發(fā)射出去。⑤讀卡器接收識別卡的UWB應(yīng)答信號，解調(diào)UWB信號中的信息表項，并將接收時間添加至信息表項中的t4字段。⑥讀卡器根據(jù)信息表項的數(shù)據(jù)進行分析處理，提取信息表項中的ID2字段，確定攜帶該識別卡的人員身份信息；提取信息表項中的t1字段，確定UWB信號的發(fā)射時間t1；提取信息表項中的t2字段，確定UWB信號的接收時間t2；提取信息表項中的t3字段，確定應(yīng)答信號的發(fā)射時間t3；提取信息表項中的t4字段，確定應(yīng)答信號的接收時間t4；根據(jù)式(1)，計算識別卡距讀卡器的距離L。

圖3 井下定位原理流程示意

2 系統(tǒng)功能與實測

2.1 系統(tǒng)組成

基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成圖如圖4所示，系統(tǒng)主要由井上的服務(wù)器、監(jiān)控主機和井下的環(huán)網(wǎng)交換機、隔爆兼本安型電源、讀卡器和識別卡等組成。井下人員定位系統(tǒng)主要用來實時監(jiān)測和查詢井下人員的位置、分布情況、行駛路線等。

圖4 系統(tǒng)組成示意

2.2 系統(tǒng)各部分的主要功能

監(jiān)控主機：監(jiān)控主機上主要用來安裝人員定位系統(tǒng)的客戶端軟件，實現(xiàn)井下人員定位及統(tǒng)計；重要區(qū)域的井下人員的數(shù)量的實時定位及統(tǒng)計；特殊班組的井下人員的數(shù)量的實時定位機統(tǒng)計；將某井下人員的歷史軌跡進行回放；當(dāng)系統(tǒng)異常或者井下人員進入某些重要區(qū)域時，將在監(jiān)控主機上實時報警；利用井下人員的定位信息對工作人員進行考勤管理。

服務(wù)器：服務(wù)器上主要用來安裝數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用服務(wù)軟件。數(shù)據(jù)庫主要用來存放人員的相關(guān)信息；應(yīng)用服務(wù)軟件用來對客戶端軟件的需求進行解析并提供給數(shù)據(jù)庫，然后，將數(shù)據(jù)庫提供的結(jié)果返回至客戶端。

讀卡器：通過檢測讀卡器發(fā)射與接收信號的到達時間，確定識別卡與讀卡器之間的距離。在該過程中，讀卡器發(fā)送測距信號，并記錄當(dāng)前時間t1；識別卡接收信號，并記錄當(dāng)前時間t2；識別卡處理接收信號后發(fā)送回應(yīng)信號，并記錄當(dāng)前時間t3；讀卡器接收回應(yīng)時間，并記錄當(dāng)前時間t4；并根據(jù)計算公式，計算識別卡與讀卡器之間的距離。

識別卡：通過與讀卡器之間的通信，輔助讀卡器獲得信號的到達時間，即確定讀卡器與識別卡之間的距離。讀卡器作為一種便攜式、移動性的設(shè)備，由井下工作人員攜帶。通過計算讀卡器與識別卡之間的距離，確定井下工作人員的具體位置。

定位軟件：通過讀卡器與識別卡之間的距離的實時顯示，從而實現(xiàn)定位功能；分析各個讀卡器周邊的人員分布，統(tǒng)計井下人員的分布情況；滿足監(jiān)控人員的查詢需求。

供電電源：對系統(tǒng)所需的萬兆環(huán)網(wǎng)交換機、交換機、服務(wù)器、監(jiān)控主機、讀卡器與定位卡供電。

2.3 現(xiàn)場實測與分析

實測結(jié)果：試驗測試時，選取煤礦井下的運輸巷為試驗場地，采用一個讀卡器，10張識別卡進行定點測試，設(shè)置10 m、20 m、30 m和40 m共4處測試點，每個固定點進行10次定位誤差測試。根據(jù)不同距離的固定位置所測得的距離結(jié)果，隨機取其中一張卡在30 m位置的測試結(jié)果為例，其測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 識別卡誤差測量結(jié)果

測試結(jié)果：由圖5可以看出，任何一個測量值，除去個別誤差點，所測得的結(jié)果都在29.7～30.3 m，即最大值與最小值的差值處于0.3 m以內(nèi)，并且該識別卡在不同的距離所呈現(xiàn)的都是同樣結(jié)果，根據(jù)圖示的測試結(jié)果，可以判斷定位精度誤差值為0.3 m。根據(jù)試驗結(jié)果，各個不同卡的距離都在誤差范圍以內(nèi)。綜上測試結(jié)果，從定位精度、定位成功率，基于UWB技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)的定位精度較高，能夠滿足在煤礦井環(huán)境下實現(xiàn)人員的精確定位需求。

3 結(jié)語

利用到達時間分析法(TOF)，將基于UWB技術(shù)應(yīng)用到礦井人員定位系統(tǒng)中，有效提升了礦井人員的定位精度與實時性。該測距方法具有受環(huán)境影響小、定位測距精度高、天線關(guān)聯(lián)少等優(yōu)點，且無需時間同步。通過現(xiàn)場試驗，驗證了基于UWB技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)礦井人員厘米級精確定位，可以促進礦井的數(shù)字化建設(shè)水平，保障礦井的安全建設(shè)，進而提高礦井的管理效率。