基于UWB的礦井人員定位系統設計

楊楠

摘 要：礦產資源開采是一個高危的行業，環境復雜的礦下，存在著嚴重的安全隱患。設計一種穩定、精確的礦井人員定位系統，對于提高礦下工作人員管理及應急救援水平是十分必要的。針對礦井環境復雜的特點，合理安排系統結構，設計一種基于UWB的礦井人員定位系統。根據井下人員身上佩戴的電子標簽發送的信號，利用TDOA的定位算法計算人員精確位置信息。經實驗證明，本系統具有穩定和定位精確的特點，滿足礦下人員定位的要求。

關鍵詞：人員定位系統；UWB；電子標簽；TDOA

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

我國是一個礦產資源大國，已探明的礦產資源總量占世界總量的12%，因此礦產開采有力地支撐了國民經濟的發展。但是由于礦產開采業的特殊性，使之成為一個高危的行業。礦井災難隨時都會發生，威脅著礦產開采人員的生命安全。除了采取安全保障措施外，還需要制定及時營救措施，其中礦井人員位置的精確定位是營救被困人員的一個最重要信息[1]。

隨著無線傳感網絡（Wireless sensor network，WSN）定位技術[2，3]的發展，國內外均采用該技術解決礦井人員定位問題。無線傳感器網絡定位技術根據定位時是否需要距離和角度信息，可分為測距和非測距兩類[4，5]。測距定位算法主要有到達時間（TOA）、到達角度（AOA）、接收信號強度（RSSI）和到達時間差（TDOA）等[6]。然而在復雜的礦井環境下，有的方法不能夠發揮本身的優點而得到理想的測量結果。對于井下人員定位，開始采用了IC卡和紅外線編碼等技術，但是這些技術只能實現簡單的人員考勤管理，地面無法獲取井下人員位置信息。無線采集、有線傳輸的井下人員定位方式是現階段該應用研究的一個方向。

針對當前WSN定位算法在環境復雜礦井人員定位過程存在的缺陷，為提高礦井人員定位精度，提出一種基于UWB[7]的礦井人員定位系統。充分利用UWB的功能與特點，采用TDOA定位算法得到礦井人員具體位置信息。通過實驗證明該礦井人員定位方法穩定性好、定位精度高。

1 定位系統關鍵技術

1.1 信號調制

本文的UWB脈沖信號是一種高斯脈沖信號，其時域波形表達式如下：

（1）

UWB系統單脈沖的頻譜在低頻段分量很豐富，常與現有系統共享極寬的帶寬，有可能對現有系統產生干擾。在無載波UWB系統中，可以采用高斯脈沖的各階導數來產生波形，通過頻譜搬移改變頻譜結構，來滿足FCC的功率限制和頻譜要求。求導的階數越高，對其他系統的干擾就越小。根據本系統的應用特點，高階高斯比一階高斯會有更好的窄脈沖波形。當數據速率一定時，為了進一步提高UWB傳輸距離，增加發射功率。

為了產生UWB信號，發射時域上很短的脈沖 （0.1～0.5ns）產生很寬的頻譜。通過對信息數據符號對產生的脈沖進行脈沖幅度調制（PAM）調制，還要用偽隨機噪聲（PN）對數據符號進行編碼已形成信號頻譜。

1.2 信號同步

信號的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。UWB脈沖信號具有持續時間短的特點，且信號功率較低，因此同步捕獲信號和跟蹤信號變得較為困難。在捕獲階段，接收機快速搜索信號到達時間，并根據搜索結果調整接收機定時，其目的是使本地參考信號與接收信號的相位差小于一定范圍，使接收機可以在一定程度上解調信號；在跟蹤階段，接收機對微小的定時偏差進行補償以保持同步，其目的是使本地參考信號與接收信號的相位差進一步減小。

1.3 定位技術

UWB具有定位精度高、可靠性高和低歸功耗的優點。在UWB中，通過獲取TDOA[8]的測量值，構成關于電子標簽位置的圓周曲線方程組，求解該方程組得到具體位置信息。具體是發射節點發射兩種不同頻率的無線信號，接收節點根據接收到兩種信號間的時間差來計算兩個節點之間的距離。TDOA技術采用了AOA中的OWR（One Way Ranging，OWR）技術，其具有測量誤差小、對硬件和成本要求低的特點。

2 系統結構及設計

2.1 系統構成

UWB無線定位系統網絡結構如圖1所示，主要由定位傳感器，網絡交換機，服務器，網線等部分組成。

定位傳感器是用來接收定位標簽發出的信號而對標簽進行定位，多個定位傳感器之間需要有網絡和時間同步連接線。多個定位傳感器構成傳感器定位單元，每個單元有主從傳感器之分。其中，主傳感器通過時間同步線向從傳感器發送時間同步信號。傳感器接收到的定位標簽信息通過網絡數據線傳送給UWB平臺，計算后得到定位標簽的精確位置信息。

圖1 UWB無線定位系統網絡結構如圖

定位標簽、主從傳感器、POE交換機、DHCP服務器和UWB定位平臺構成超寬帶無線定位網絡。定位平臺可以是任何計算機設備，DHCP服務器的作用是給每一個傳感器分配一個IP地址，用于區分主從傳感器并用于傳感器之間的信號同步。

2.2 TDOA定位算法

比較多種測距定位算法后，本文選擇了定位時間差（TDOA）定位算法，與到達時間（AOA）算法類似，只是測量的是時間差，利用如圖2所示的雙曲線交叉進行定位。

圖2 TDOA方式下傳感器和定位目標的幾何關系

定位標簽發送UWB信號給定位單元，多個定位單元之間以及單個定位單元內部接收到信號，并開始同步信號，最后估算出標簽的位置數據并出送給定位平臺，定位傳感器之間都是通過同步信號線來同步信號。

2.3 傳感器定位單元安裝

由于礦井環境復雜，單個定位單元不能夠覆蓋整個礦井，故需要多個定位單元結合聯合定位，如圖3所示。單個UWB定位單元傳感器之間的時間同步線連接是有一定的規則的。一個典型的定位單元是10～30 m的矩形場所，兩個傳感器就可以定位標簽位置，考慮到魯棒性選擇每個單元安置四個傳感器。一個傳感器需要被設置為時間源，即主傳感器。時間信號通過同一單元的同步線傳播到每個傳感器。單個單元之間的時間同步線可以采用此圖所示的星形連接，也可以采用環形連接。多個定位之間也需要一根時間同步線來連接，要確保各單元之間只有一根連線。可以從單元1中的任意一個連接到單元2中的任意一個，但是時間信號必須從被連接的傳感器的右上角輸入。我們選擇第一個單元的主傳感器為整個定位系統時間源。

圖3 多個定位單元聯合定位

3 結 語

礦井人員定位是礦井工作人員安全的保證，不僅可以合理調配井下工作人員，而且能夠在發生礦難事故時，及時準確地定位被困人員而對其進行營救。

本文重點研究了UWB定位技術中的信號調制、信號同步和測距定位技術，定位單元的合理安排布放及網絡系統的合理設計保證了本系統的高精度性和高穩定性。通過礦井實地驗證，本文設計的基于UWB的礦井人員定位系統定位精度高、可靠性好，為礦井人員定位問題提出了新的解決方案。

參考文獻

[1]華鋼，周磊，任凱.地下煤礦人員定位跟蹤系統發展綜述[J].礦山機械，2008，36（6）：36-39.

[2] 趙俊. 基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統[D]. 鎮江：江蘇大學， 2007.

[3] 孫利民， 李建中， 陳渝， 等. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[4]劉曉文，王振華，王書涵，等.基于RSSI算法的礦機無線定位技術研究[J].煤礦機械，2009，30（3）：59-60.

[5] 田豐.基于Zigbee技術的煤礦井下GIS輔助定位算法[J].煤炭學報，2008，3（12）：1442-1446.

[6]于寧，萬江文，吳銀峰.無線傳感器網絡定位算法研究[J].傳感技術學報，2007，20（1）：187-192.

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[8]James J，Caffery J R.Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems[M]. Kluwer Acadamic Publishers，2000.