基于TOA技術的煤礦井下精確人員定位系統研究

吳 畏 劉世森

（中煤科工集團重慶研究院，重慶市九龍坡區，400039）

基于TOA技術的煤礦井下精確人員定位系統研究

吳 畏 劉世森

（中煤科工集團重慶研究院，重慶市九龍坡區，400039）

針對基于RFID技術的人員定位系統定位精度偏低的狀況，介紹了一種基于TOA技術的精確人員定位系統。該系統采用TOA技術實現對煤礦井下人員的精確定位，定位精度誤差不超過5m，定位距離大于150m，并能實時跟蹤井下人員的移動軌跡。

到達時間 精確人員定位 定位精度 定位距離

近年來，隨著我國對煤礦安全的日益重視，基于有源RFID技術的人員定位系統在煤礦得到了相應的推廣應用，但是這些產品的定位精度較低，不能完全滿足煤礦對井下定位的需求。因此，研制一種具有較高定位精度的井下人員定位系統十分迫切。本文采用信號傳輸到達時間（TOA）的測距模式，設計了一套定位誤差最大不超過5m，定位距離大于150m的煤礦井下精確定位系統。

1 到達時間（TOA）定位技術研究

基于TOA技術的煤礦井下精確人員定位系統定位技術包括兩次對稱測距和一次距離修正，TOA定位測距原理示意圖如圖1所示。

1.1 第一次測距

第一次測距的具體步驟為：

（1）節點1向節點2發送數據包；

（2）節點1接收節點2的硬件自動應答；

（3）節點1計算出從發出數據包到接收應答的傳播延遲T1；

（4）節點2從接收到節點1發送的數據包時開始計時，并在向節點1發出硬件應答后停止計時，得到節點2的處理延遲T2。

圖1 TOA定位測距原理示意圖

1.2 第二次測距

第二次測距的具體步驟為：

（1）節點2向節點1發送包含T2有效信息的數據包；

（2）節點2接收節點1的硬件自動應答；

（3）節點2計算出傳播延遲T3；

（4）節點1計算出自己的處理延遲T4；

（5）節點2向節點1發送包含T3有效信息的數據包。

1.3 距離計算

假設信號的單次傳輸距離為d，而實際在整個測距過程中得到的信號傳輸距離為4d，所以單次測量距離d計算由下式得出：

式中：T1——傳輸延時，ns；

T2——處理延時，ns；

T3——傳輸延時，ns；

T4——處理延時，ns；

C——光速，m/s。

1.4 結果修正

由于無線通信可能被外界干擾而出現通信中斷或誤碼狀況，因此在公式（1）中的參數T2和T3可能出現值為0的情況，導致測距結果出現異常偏差，此時節點1需要根據前面數次的測距結果對本次測距結果進行修正，排除異常值。

2 系統組成

基于TOA技術的煤礦井下人員精確定位系統主要由人員定位分站、讀寫器和精確定位標簽組成，系統在井下布網時將讀卡器放置在需要定位的巷道中，所有讀卡器均連接到分站。分站對讀卡器采用巡檢的方式，來獲取各個讀卡器采集的精確定位標簽信息。精確定位標簽與讀卡器通過TOA測量技術測量出兩者之間的距離，并將定位距離通過讀卡器上傳到分站。精確定位標簽若處在信號盲區則處于睡眠狀態，一旦進入信號區后將自動啟動工作狀態。讀卡器將根據自身存儲情況及分站的信息對附近的精確定位標簽進行采集處理，而后傳輸至分站。

2.1 精確定位標簽

精確定位標簽由精確定位模塊、顯示模塊、CPU小系統和電源模塊構成，精確定位標簽結構框圖如圖2所示。

精確定位標簽通過精確定位模塊與讀卡器進行測距，并將測距結果上傳給分站，各個分站將采集到的信息上傳到地面監控及調度中心，進而實時顯示相應測距信息。

圖2 精確定位標簽結構框圖

2.2 精確定位讀卡器

精確定位讀卡器主要由精確定位模塊、CPU小系統、電源模塊、存儲模塊和外部顯示模塊組成，精確定位讀卡器結構框圖如圖3所示。

圖3 精確定位讀卡器結構框圖

精確定位讀卡器中的精確定位模塊與精確定位標簽完成測距后，接收精確定位標簽上傳的數據并記錄到存儲模塊，分站通過RS485接口獲取讀卡器中所有精確定位標簽的測距信息。

3 測試與結果

基于TOA技術的煤礦井下人員精確定位系統具有測距精度高、測量距離遠等優點。為驗證該精確定位系統在井下環境中的實際效果，在國家煤礦安全工程研究中心清水溪實驗巷道中搭建試驗系統，并在150m范圍內測試讀卡器對標簽的定位精度數據，精確定位標簽靜態定位誤差和精確定位標簽移動定位誤差如圖4、圖5所示。

圖4展示了讀卡器與精確定位標簽在不同距離處的靜態定位誤差，從該圖可以看出在距離讀卡器150m內的靜態定位誤差均在5m之內。

圖4 精確定位標簽靜態定位誤差

圖5展示了精確定位標簽以1.5m/s的速度在距離讀卡器0～150m之間的移動定位誤差。從該圖可以看出，本系統能準確實時的定位出精確定位標簽的移動軌跡，同時定位誤差均在10m之內。

圖5 精確定位標簽移動定位誤差

4 結語

基于TOA技術的煤礦井下人員精確定位系統能夠實時掌握井下人員的準確位置及活動軌跡，地面監控及調度中心能夠根據系統提供的數據及時采取相應的救援措施，提高了應急救援的工作效率和井下礦工的安全系數。

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［3］ 徐春妹.基于TOA的無線定位技術及應用［J］.礦山機械，2007（7）

［4］ 何燕，胡捍英，周山.一種新的TOA無線定位算法［J］.無線電通信技術，2004（1）

［5］ 郭海軍，郭江濤.2.4GHz射頻技術在煤礦人員定位系統中的應用［J］.礦業安全與環保，2007（6）

［6］ 黃緒勇，李國義，杜鵬等.基于射頻技術的井礦智能標識卡的設計［J］.煤礦機械，2010（3）

Accurate person positioning system for coal mine based on TOA technique

Wu Wei，Liu Shisen
（Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Jiulongpo，Chongqing 400039，China）

Aimed at low accuracy of personnel positioning system based on RFID technique，aprecise personnel positioning system based on time of arrival（TOA）technique was described.The accuracy error of positioning is less than 5m，and the positioning distance is greater than 150 m，achieving real－time path tracing of underground workers.

time of arrival，accurate personnel positioning，positioning accuracy，positioning distance

TD76

A

吳畏（1979－），男，漢族，重慶人，工程師，碩士，現就職于中煤科工集團重慶研究院無線通信所，主要研究方向為井下無線通信技術。

（責任編輯 路 強）