多干擾源下煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)精確定位仿真

張 楠

(山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037003)

1 引言

隨著科技化、信息化、智能化的不斷更新進(jìn)步，使得大量創(chuàng)新型電力電子儀器、電氣器件的啟動(dòng)以及無線射頻裝置等都被廣泛用在煤礦井下中。同時(shí)，煤礦井下環(huán)境惡劣并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)控設(shè)備常常受到多干擾源的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸中會(huì)出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失、錯(cuò)報(bào)警以及斷電等情況的發(fā)生，無法精準(zhǔn)地獲取移動(dòng)目標(biāo)的具體位置[1]。

針對(duì)基于多干擾源的煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的相關(guān)研究諸多，例如李論，張著洪[2]根據(jù)煤礦井下巷道移動(dòng)目標(biāo)，受多干擾源影響，導(dǎo)致目標(biāo)定位不精準(zhǔn)，提出一種高斯濾波方法下移動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)分段定位。首先通過曲線擬合方式與加權(quán)算法，實(shí)時(shí)得出目標(biāo)移動(dòng)過程中的丟失因子與多干擾源參數(shù)，再建立適合多干擾源情況下礦井信號(hào)輸送模型，然后采用均方差迭代進(jìn)行計(jì)算，得出不同階段移動(dòng)目標(biāo)的多干擾源修正參數(shù)，并估算出移動(dòng)目標(biāo)最終位置，最后對(duì)估算得出結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)；馬鳳英，翟波等人[3]根據(jù)煤礦井下安全監(jiān)控器件優(yōu)化處理后，仍然受到多干擾源影響，導(dǎo)致監(jiān)控裝置錯(cuò)報(bào)警或者漏報(bào)警，提出通過改進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的供電方式來抑制多干擾源。首先提取煤礦井下防爆裝置內(nèi)濾波中的電感與電容數(shù)值，并根據(jù)電磁性能設(shè)計(jì)該裝置的優(yōu)化處理方案，再采用浪涌電壓與電瞬變脈沖群濾波的兩種方式對(duì)抗干擾器件進(jìn)行優(yōu)化處理。該方法符合防爆條件，同時(shí)加強(qiáng)煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)抗多干擾源的磁能力，完善監(jiān)控系統(tǒng)。

通過對(duì)上述文獻(xiàn)進(jìn)行分析，可知二者都可以有效抵御多干擾源，但由于抵御過程復(fù)雜，導(dǎo)致移動(dòng)目標(biāo)定位準(zhǔn)確率較低。為此，通過對(duì)多干擾源的煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行研究，提高定位的準(zhǔn)確率，減少煤礦井下不必要損失。

2 多干擾源下礦井移動(dòng)目標(biāo)精確定位

2.1 煤礦井下多干擾源種類

煤礦井下多干擾源[4-5]主要分為自然與非自然干擾源兩種。

圖1 煤礦井下多干擾源原理

自然干擾源主要分為三種，第一種為雷電噪聲；第二種為電阻噪聲；第三種為無線電輻射干擾。雷電噪聲與電阻噪聲對(duì)于井上干擾較大，對(duì)地表下幾百米或者幾千米巷道中的信號(hào)接收裝置干擾較小，基本上是可以忽略不計(jì)的；然而無線電輻射是指煤礦井下電氣器件無法避免發(fā)生的干擾，其干擾程度非常小，由于煤礦井下的電磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜與環(huán)境惡劣，對(duì)電平干擾程度較高，對(duì)于無線電輻射干擾給掩蓋住了，就不用擔(dān)心無線電輻射干擾。總之，礦井自然干擾非常小，可忽略不計(jì)。

非自然干擾源常指人為干擾源，其包括輸供電線路、高電壓大型功率電路機(jī)器以及開關(guān)設(shè)備；牽引網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)車；無線裝置干擾源；靜電放電干擾源；其它設(shè)備等。

2.1.1 供電線路、高電壓大型功率電路機(jī)器以及開關(guān)設(shè)備

礦井供電體系電壓種類非常多，例如電阻體系和電感體系、電容體系等。在一些條件配合下會(huì)對(duì)部分頻率發(fā)生最大電流或者最大電壓，產(chǎn)生過電壓或者過電流的現(xiàn)象。再根據(jù)電磁感應(yīng)原理，諧波頻率太高的電流就會(huì)導(dǎo)致電源電壓波頻改變，并采用電場(chǎng)耦合方式對(duì)井下電源中頻率高的諧波進(jìn)行處理，產(chǎn)生高頻諧波電流與電壓。這種干擾源是由開關(guān)工作產(chǎn)生的電磁場(chǎng)瞬間變化，其對(duì)電子器件的損害極大。當(dāng)開關(guān)設(shè)備開和關(guān)過程中，就會(huì)產(chǎn)生大量電火花，電火花停留時(shí)間為5μs-5ms，產(chǎn)生電壓約是正常電壓兩倍。在這某種情況下，瞬間變化電磁場(chǎng)可能是正常電壓六倍左右。為此，供電線路、高電壓大型功率電路機(jī)器以及開關(guān)設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生許多干擾源，并且會(huì)沿著電路線路繼續(xù)傳播干擾。

2.1.2 牽引網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)車

煤礦井下牽引網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)車干擾分為固定電磁干擾源與流動(dòng)電磁干擾源兩種。固定電磁干擾源是由牽引網(wǎng)絡(luò)所使用全部設(shè)備和輸電線路發(fā)生漏電故障等導(dǎo)致的；流動(dòng)電磁干擾源是因?yàn)殡姍C(jī)車上的器件與單臂弓、雙臂弓接觸，不斷產(chǎn)生火花，該火花產(chǎn)生脈沖干擾源具有一定振幅，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2.1.3 無線裝置干擾源

礦井的無線通信裝置，其發(fā)出的波頻都帶有信號(hào)的，對(duì)于自己來說是有益的信號(hào)，但對(duì)其它設(shè)備則就成無益信號(hào)，并對(duì)其它設(shè)備造成干擾，尤其是對(duì)煤礦井下監(jiān)測(cè)機(jī)器干擾最大。

2.1.4 靜電放電干擾源

煤礦井下能夠產(chǎn)生靜電的機(jī)器非常多，如開采、切割、破碎煤和巖石時(shí)，有時(shí)會(huì)在煤和巖石表面帶上靜電；煤炭輸送機(jī)的動(dòng)力帶將煤和滾筒、托滾迅速摩擦，產(chǎn)生靜電反應(yīng)，就會(huì)出現(xiàn)靜電放電現(xiàn)象，導(dǎo)致靜電干擾。

2.1.5 其它設(shè)備

煤礦井下照明器件，基本上都使用熒光燈，由于水銀放電過程中，會(huì)發(fā)射可見光或者紫外線，通過刺激管里的熒光粉而發(fā)亮的。而放電管里構(gòu)成電漿，則就產(chǎn)生電磁干擾源。

2.2 多干擾源下煤井移動(dòng)目標(biāo)精確定位算法設(shè)計(jì)

針對(duì)上面幾種干擾源，先采用一維空間矢量與矩陣算法對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位，再將得出定位結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，分析移動(dòng)目標(biāo)位置[6]和多干擾源之間聯(lián)系，并且能縮小移動(dòng)目標(biāo)定位范圍，提升移動(dòng)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確度，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位。計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 移動(dòng)目標(biāo)精確定位算法設(shè)計(jì)流程

2.3 多干擾源下煤井移動(dòng)目標(biāo)精確定位實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)目標(biāo)與多干擾源都是位于煤礦井下巷道中，首先采用網(wǎng)格劃分方法對(duì)移動(dòng)目標(biāo)所在區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[7]，再記錄該信號(hào)傳輸過程中，經(jīng)過多種設(shè)備干擾后的數(shù)據(jù)情況，最后把每個(gè)干擾數(shù)據(jù)輸送井上的接收室。由于各設(shè)備干擾源的波頻與位置是已知的，信號(hào)傳輸速度也是已知的，只需計(jì)算出位置移動(dòng)目標(biāo)位置。

想要精準(zhǔn)獲取移動(dòng)目標(biāo)的定位，就必須知道多干擾源[8-9]與移動(dòng)目標(biāo)之間聯(lián)系，而最常使用的是波頻參數(shù)方法，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，設(shè)定多干擾源的諧波均為正弦波。(可以使用倍頻方法獲取信號(hào)傳輸中正弦波)。在m時(shí)間內(nèi)接收到移動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)則為

rm(t)=ams(t)ej2πfmt+wm(t)

(1)

其中，am表示為移動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)輸送衰減參數(shù)，衰減程度如圖3所示；s(t)表示為多干擾源發(fā)出的正弦波；wm(t)表述為平均值為零的高斯白噪聲；fmt表示為在m時(shí)間移動(dòng)目標(biāo)發(fā)出與接收信號(hào)的頻率差。得到fm方程式為式(2)

圖3 信號(hào)輸送衰減變換程度

(2)

(3)

煤礦井下接收設(shè)備中提取移動(dòng)目標(biāo)在不同時(shí)間段的信號(hào)樣本，設(shè)定N為信號(hào)的樣本長(zhǎng)度，得到式(4)與式(5)

(4)

Lm=diage{e-j2πfmt1，…，e-j2πfmtN}

(5)

式中，am：x：y代表m時(shí)間段移動(dòng)目標(biāo)信號(hào)的參數(shù)；wm代表接收裝置提取N個(gè)樣本的多干擾源信號(hào)；s代表多干擾源發(fā)出的正弦波信號(hào)；Lm代表{e-j2πfmt1，…，e-j2πfmtN}的對(duì)角矩陣。

采用網(wǎng)格劃分方法對(duì)被干擾的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)一步做劃分處理，得到各網(wǎng)格所匹配值z(mì)x，y。假設(shè)當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)位于其網(wǎng)格里，則設(shè)定zx，y等于1；反之，則當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)位于其網(wǎng)格外，則設(shè)定zx，y等于0，其zx，y公式表示為

(6)

為了降低計(jì)算復(fù)雜程度，常使用遞進(jìn)細(xì)化方式對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其過程如下：

首先，把被干擾的移動(dòng)目標(biāo)開始位置區(qū)域劃分為比較大的網(wǎng)格，其目的是能夠迅速、準(zhǔn)確地找到移動(dòng)目標(biāo)大概位置網(wǎng)格；

其次，把得到大概位置網(wǎng)格做進(jìn)一步劃分，獲得小的網(wǎng)格；

最后，反反復(fù)復(fù)進(jìn)行上一過程，一直到能得到較高精度定位結(jié)果。

通過上述過程后，在m時(shí)間收到移動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)為

(7)

其中Lm：x：ysx：y代表為被干擾的移動(dòng)目標(biāo)，在網(wǎng)格橫軸與縱軸發(fā)出與接收的信號(hào)頻率差值參數(shù)[10]。為了快速得出結(jié)果，則將二維空間坐標(biāo)變換成一維空間矢量，得到矢量式(8)

(8)

根據(jù)得出一維空間矢量結(jié)果，設(shè)定多干擾源的正弦波sk為已經(jīng)確定未知諧波，并采用最大估計(jì)算法獲得正弦波。根據(jù)式(8)獲得信號(hào)正弦波為

(9)

當(dāng)被干擾的移動(dòng)目標(biāo)在m時(shí)間段內(nèi)輸送信號(hào)為

(10)

(11)

當(dāng)接收到全部的信號(hào)都是來源于相同網(wǎng)格的移動(dòng)目標(biāo)，對(duì)于全部的移動(dòng)目標(biāo)發(fā)出與接收的頻率差值φk為

(12)

再設(shè)定Ψk為k∈{1，2，…，K}空間矢量，得出全部M時(shí)間內(nèi)從在網(wǎng)格k被干擾的移動(dòng)目標(biāo)，所發(fā)出的信號(hào)為

(13)

通過矩陣計(jì)算方法，得出全部網(wǎng)格所含有空間矢量Ψk(k：1，…K)為

Ψ=[Ψ1，Ψ2，…，ΨK]MN×K

(14)

通過檢測(cè)不同時(shí)間段多干擾源與移動(dòng)目標(biāo)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)始終都在煤礦井下巷道中相同位置上。為此，可以根據(jù)檢測(cè)不同時(shí)間段的多干擾源正弦波，來計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)具體位置。再根據(jù)式(11)到(14)得到接收到的信號(hào)為

r=Ψ×z+w

(15)

(16)

公式中r代表M時(shí)間段內(nèi)接收到全部信號(hào)的空間矢量；z代表網(wǎng)格的稀疏矢量；w表示高斯白噪聲。為此，把移動(dòng)目標(biāo)定位不精準(zhǔn)問題變換成一維空間矢量中的稀疏非零元素的定位問題，再采用凸優(yōu)化問題方法進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，得到式(17)。

(17)

其中，ε表示目標(biāo)精確定位因子。根據(jù)式(17)完成最終移動(dòng)目標(biāo)的定位，其定位結(jié)果精準(zhǔn)，并且簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，縮短計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了多干擾源下煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)精確定位。

3 仿真結(jié)果分析

使用平方差算法，得出移動(dòng)目標(biāo)空間位置與被定位點(diǎn)的空間位置，以用來表現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確度，并得到RMSE公式為

(18)

依據(jù)移動(dòng)目標(biāo)定位原理與算法，并采用表1中設(shè)定的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得移動(dòng)目標(biāo)與多干擾源之間聯(lián)系分布。圖4與圖5代表不同比例的移動(dòng)目標(biāo)定位分布圖。圖6代表在不同比例下移動(dòng)目標(biāo)定位誤差變化情況。

表1 移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)參數(shù)設(shè)定

圖4 移動(dòng)目標(biāo)的位置圖(SNR=1dB)

圖5 移動(dòng)目標(biāo)的位置圖(SNR=5dB)

圖6 不同比例下移動(dòng)目標(biāo)定位誤差變化情況

根據(jù)圖4到圖6可以看出，當(dāng)不同比例下移動(dòng)目標(biāo)輸出信號(hào)功率近似120dB時(shí)候，移動(dòng)目標(biāo)定位誤差快速降到0-50m里，可以有效實(shí)現(xiàn)多干擾源下煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)精確定位。

4 結(jié)論

使用網(wǎng)格區(qū)域劃分方法對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位，將不同時(shí)間段內(nèi)的被干擾的信號(hào)，分為移動(dòng)目標(biāo)的初始信號(hào)與終端信號(hào)，并且當(dāng)作整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程來考慮，獲得移動(dòng)目標(biāo)的精準(zhǔn)定位。先通過分析煤礦井下各種設(shè)備產(chǎn)生多種干擾源，再根據(jù)不同時(shí)間段內(nèi)，移動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)頻率變換情況，使用網(wǎng)格區(qū)域化處理，得出稀疏矢量，其矢量中的各要素與礦井巷道被劃分的每個(gè)網(wǎng)格位置相互對(duì)應(yīng)。為此，移動(dòng)目標(biāo)精確定位問題可以變換成該矢量稀疏求解過程，這屬于一個(gè)經(jīng)典的凸優(yōu)化求解問題，可以用函數(shù)計(jì)算求出目標(biāo)精確定位。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能得到煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)高精度定位，并且簡(jiǎn)化以前復(fù)雜計(jì)算過程，節(jié)省了大量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)目標(biāo)快速、精準(zhǔn)地定位。下一步的研究方向?yàn)殪o止目標(biāo)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的統(tǒng)一精確定位。