UWB定位技术在煤矿井下的应用
2020-09-13 19:30阅读：
为了能够实时了解矿井下工作的人员以及设备的位置状态,为安全生产以及救援工作做好基础工作,提出基于UWB高精度定位技术原理(包括TOF以及TDOA)及在矿井中的应用,该技术与以往的定位技术相比,实现了在矿井恶劣环境下的定位精度大幅度提高,误差控制在30cm的范围
煤炭生产系统复杂,工作环境恶劣,人员作业突发事件较多,如果信息的传递不够及时充分,很有可能导致重大灾害事件,带来严重的经济损失以及人员伤亡UWB出现于1960年代,此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用并且UWB系统发射的功率谱密度也可以非常低,几乎被湮灭在各种电磁干扰和噪声中,使其具有功耗低系统复杂度低隐秘性好截获率低保密性好等优点,能很好地满足现代通信系统对安全性的要求,并且抗多径衰减能力强,具有很强的穿透能力,能提供精确的定位精度
我国在2001年9月初发布的“十五”国家“863”计划通信技术主题研究项目中,首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容
,鼓励国内学者加强这方面的研究工作
同先进国家相比较,我国的UWB技术还在初阶阶段,UWB技术的开发利用对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品,建立新的经济增长点,具有重大意义
（一）定位系统方案设计
本设计主要应用于物联网智能矿井安全生产的预警过程和危险救援过程高精度定位装备将人员设备的实时位置以及运动状态等信息,实时通过定位基站传输到地面管理层系统中,如此可获知每个人员及设备在各个时刻的状态,并提供预警和求救功能,达到现代化智能矿井的安全高效生产
（1）TOF到达时间定位法
UWB精确定位对于矿山自动化的应用定位方式:信号强度分析法(RSSI),到达角度定位法(AOA),到达时间定位法(TOF),到达时间差定位法(TDOA)基于接收信号时间法是由接收信号的传播时间来估计距离相对前面2种方法,TOF有着不可比拟的优势:TOF的定位精度最高,可以充分利用UWB超宽带宽的优势,而且最能体现出UWB信号时间分辨率高的特点利用主辅射频进行TOF定位的系统结构如下图所示：
定位基站包含2个拥有TOF的射频模块,分别称为主射频和辅射频2个射频模块引出等长的2条馈线,终端接2个相同的天线天线分列定位基站两端,离开一定距离图中,定位卡与主射频定位距离为d1
S其中S为馈线的等效长度与辅射频定位距离为d2
S通过比较d1d2即可确定方向对于定位卡位于2个天线之间的情况,一律视为靠近基站,不专门做处理如此单基站就可以确定定位卡在矿井巷道中的实际位置和方向。TOF定位原理如下图所示：
主射频与定位卡实现一次测距TOF定位的空中协议,该TOF测距是由主射频发起,主射频一次信号往返所花费时间为Trr-Tsp,定位卡一次信号往返所花费时间为Trf-Tsr其中,Tsr-Trp为定位卡收到主射频信号到发射回去给主射频的反应时间;Tsf-Trr为主射频收到定位卡信号到发射回去给定位卡的反应时间这2个时间段是不属于信号的飞行时间,所以主射频到定位的距离为：
D=[(Trr-Tsp)-(Tsr-Trp)
(Trf-Tsr)-(Tsf-Trr)]/4
相比一次过程的TOF过程,可以大辐度降低单张卡以及基站由于晶振(同晶振不同时刻,同时刻不同晶振)差异对单次定位所带来的距离偏差在矿井巷道内,根据主辅站的距离差异及距离大小可确定目标所在的方位
（2）TDOA二维定位应用
在空旷平台上,利用TDOA实现在空旷位置的二维平面定位,由此解决了绝大多数井下定位装备只能获取巷道内的一维定位过程,不能做到一张定位卡同时兼容巷道里一维二维及多维方向的定位过程
与TOF相比,它的主要好处是不需要求得参考节点(R1R2R3)和目标节点的响应和处理时延,只需要所有的参考节点与测量的参考节点时钟是同步的
定位原理如上图所示,待测点到参考节点的飞行时间不同形成距离差,根据距离差可以得出两两之间的双曲线,双曲线相交点即待测点位置,距离差是指信号从移动台到2个基站的TOF差和信号传播速度的乘积假设移动信号与在第i个参考节点和第j个参考节点的TOF分别为ti和tj,则其距离差为：
Rij=Ri-Rj=ctij=c(ti-tj)
其中:c为信号传播速度;tij为信号到达第i个参考节点和第j个参考节点的TDOA,因此由上式可得:
i、j=1、2、3…N
式中:(xi,yi)和(xj,yj)分别为第i个参考节点和第j个参考节点的坐标;(x,y)为目标节点坐标
（3）多项安全保障功能
每个定位模块含有运动传感器,可以识别模块的佩戴者是否运动,或站或卧着,通过定位基站向地面管理层传送实时状态,根据这些状态可以初步判断佩戴者的生理状态
在危机情况下,每张定位卡都能通过定位基站向地面后台管理人员发送独立的求救,同时,地面后台管理人员可以根据现场一些检测向某一个或者某一区域内的人员或设备发出危险撤离的警告如此能够使得井下工作人员以最快速度获得相关救援,同时能够以最快速度撤离危险现场,为安全生产做了双层保障
（二）现场试验结果分析
（1）测试环境为在实际矿井环境现场,采取一个基站,20张卡进行定点测试根据不同距离的固定位置所测得的距离结果,随机取其中一张卡测试结果为例,该卡在各位置一段连续时间的结果如下图所示：
由上图可以看出,在任何一个距离位置,除去个别点,所测得的结果都在±10cm,即最大值与最小值的差值处于20cm以内,并且在不同的距离所呈现的都是同样结果,根据图示可以判断定位误差为10cm根据试验结果,各个不同卡的距离都在误差范围以内,同时在距离较远时,受到多径效应的影响反而较小,最远可以达到800m距离正常定位,同时丢包率控制在5%以内综上测试结果,从定位精度定位成功率定位最大距离等,都足够满足在矿井各种环境下实现人员与设备的精确定位过程
（2）二维测试地点为一个空旷场地,取其中一点结果,二维定位过程精度相对于一维有所下降,但是总体的定位精度能够在最大值与最小值的差距为35cm以内,同样远高于其他类型定位装置相对于TOF基站,TDOA每个基站支持的定位卡数量更多(大于200个),且定位成功率更高(98%以上)
（三）与同类产品的比较分析
通过比较该套定位系统与市场同类型系统,结果见下表：
主要技术指标对比
|
项目
|
本系统
|
国内同类系统
|
定位精度/cm
|
30
|
＞500
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运动状态检测
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有
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无
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TOF基站同时支持定位卡数量/张
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34(1s卡）或170（5S卡）
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＜30
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无线干扰
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抗干扰性能强
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抗干扰性能弱
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使用时长/d
|
30
|
7
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定位卡兼容多维定位功能
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兼容
|
不兼容
|
距离(半径)/m
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800
|
＜400
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由上表可知,本套定位产品在精度基站同时支持的卡数量使用时长抗干扰能力,都明显优于市场上同类型的矿井定位产品,也同样高于其他类型的室内定位产品
本定位系统最大的优点如下:
在定位距离覆盖范围广,单个基站可以覆盖半径达到800m
定位精度高,不管是WiFi定位红外定位zigbee定位技术都难以达到厘米级的定位精度
本套设备能够支持一维和多维定位的兼容性,可以适应井下以及井上各种复杂环境中的应用
（四）结论
UWB定位技术不仅可以适用于矿山安全生产中,随着通信技术的不断发展,很多的民用和军用场合都需要精确的定位信息比如人员跟踪物品搜寻危险救援等
UWB定位技术在下列应用领域已显现出或估计会有较大的发展潜力
在室内的大型仓储养老院医院和一些实验室环境下,对物品病人和相关设备进行精确的定位跟踪,可以使得仓储货物人员医护和试验等效率大幅提高
在一些自然或人为的灾难现场进行搜救行动中,如在火灾水灾地震等一些紧急事故现场时,借助于高精度的定位也可以是搜救工作起到事半功倍的效果
在目前热点机器人研发中,有效利用UWB的室内定位功能,可以大幅提高机器人执行任务的有效性
UWB的相关产品已经越来越趋于成熟,市场的应用前景同样非常广阔,同时也受到越来越多的关注,UWB产品的开发与应用将会有很好的社会效益和经济效益
