礦用精確定位系統中單站判斷方位的方法

張銀

摘 要隨著我國煤礦信息化的程度進一步的提高，礦用精確定位系統在煤礦井下的應用逐步普及。目前的主流精確定位系統均采用讀卡器對標識卡測距的方式來對標識卡進行精確定位。但是如何準確高效而且經濟的判斷標識卡的方位是精確定位系統的中的一個難點之一。為了解決該問題，本文提出了一種利用讀卡器接收的RSSI值和天線的前后比來判斷標識卡方位的方法，并通過實驗驗證了方法的可行性。該方法相對于傳統的雙站法，可以節省一半的讀卡器，從而減小了系統復雜度和系統造價。

【關鍵詞】精確定位 方位判斷

1 前言

煤炭是我國主要的能源之一，我國的煤炭生產主要是井下開采，井下的自然環境復雜，安全生產是我國煤炭開采中的重中之重。因此，煤礦井下人員定位系統得到了廣泛的應用。前些年，我國煤礦主要采用的是區域定位系統，該系統只能夠監測到礦工在某讀卡器覆蓋范圍內。而隨著近年來信息技術的迅速發展，精確定位系統在我國煤礦井下的應用正在逐漸普及。精確定位系統不僅能夠監測到礦工所在的區域，還能夠監測到礦工距離讀卡器的準確距離和方位。精確定位系統的核心技術主要是測距和方位判斷。

在地面時，若需要對標識卡進行平面定位則至少需要三個讀卡器，三個讀卡器分別對標識卡進行測距，再結合讀卡器自身的位置坐標，根據畢達哥拉斯定理及相關算法即可得到標識卡的坐標，從而實現定位。

考慮到井下的實際環境多數情況為巷道，即可以簡化一維直線模型。即只需要兩個讀卡器，間距d0為已知，如圖1所示，兩個讀卡器分別對標識卡進行測距，其結果分別為d1和d2，若d2-d1=d0，即可知標識卡在圖1中S0位置，反之，若d1-d2=d0，即可知標識卡在圖1中S'0位置。該方法可以稱為雙站法。雙站法可以根據讀卡器的測距精度情況適當的選擇兩個讀卡器之間的間距d0。但該方法在實際應用中存在供電和布線這兩方面問題，讀卡器通常采用本安電源供電，負載能力有限，一個布點就有兩臺讀卡器，增加了系統中電源和電纜的數量，因此整個系統的造價相對比較高。因此，研究出一種只用一臺讀卡器就既能測距又能判斷方位的方法就顯得非常有必要，這對降低系統成本，優化系統布局和簡化系統維護具有重要意義。

2 單站判斷方位原理

2.1 RSSI

RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信號的強度指示的簡稱，是近距無線通信技術，如ZigBee，CDMA等基站側的常用技術指標，它通常用來判定鏈接質量。RSSI值越大表示接收信號越強，反之則表示接收信號越弱。

2.2 前后比（front-to-rear ratio）

定向天線的前后比是指主瓣的最大輻射方向（規定為0°）的功率通量密度與相反方向附近（規定為180°±20°范圍內）的最大功率通量密度之比值，如式（1），其中SF和SB分別表示前向和后向功率密度。它用來衡量定向天線后瓣抑制的好壞，前后比越大表示天線后向輻射（接收）越小。在工程中，天線的方向圖通常用對數形式的功率方向圖來表示，因此，前后比可簡化為方向圖前后瓣最大值之差，如式（2）所示，其中PF（dB）和PB（dB）表示前后向最大輻射功率。

（1）

（2）

2.3 基于RSSI和前后比的方位判斷原理

該讀卡器的基本組成如圖2所示，主控制器外接兩個測距模塊，每個測距模塊外各接一個高前后比的定向天線，這兩個天線的指向相反。每次測距時，用這兩個測距模塊分別對標識卡進行測距，由于時間間隔非常短（通常在ms級別，甚至更短），可以認為兩次測距時，標識卡狀態（發射功率，方位等），傳輸鏈路（遮擋，反射折射等）均相同，只有天線的指向不同。顯然，理論上，天線正對標識卡的測距模塊接收到的RSSI值應比天線背對標識卡的測距模塊接收到的RSSI值高一個定值，該定值即為定向天線的前后比。因此，可以通過比較兩個測距模塊接收到的RSSI值即可判斷標識卡的方位。如圖3所示，為單個讀卡器在巷道中的覆蓋范圍示意圖，實線區域為朝右的定向天線覆蓋區域，虛線區域為朝左的定向天線覆蓋區域。當標識卡位于Ⅰ區時，即距離較近，兩個定向天線前后瓣均能覆蓋的重疊區域時，則需比較兩個測距模塊接收到的RSSI值。若朝右的定向天線的RSSI值大于朝左側的定向天線的RSSI值，則可以判斷標識卡在右側，反之則可以判斷標識卡在左側。當標識卡位于Ⅱ區和Ⅲ區時，即距離較遠時只有正對的定向天線還能夠進行測距，背對的定向天線則不能接收到信號或者信號較弱已不能正常測距，此時，則僅僅只有一個定向天線能夠對標識卡進行正常測距，標識卡的方位判斷就變得相對容易，即哪個定向天線能夠對標識卡進行測距則標識卡即在哪一側，如式（3）所示。在實際應用中，仍然會出現偶然的未知因素，導致方位判斷錯誤，此時，可以采用反復多次測距取RSSI的平均值的方法來提高該方法的準確性。

（3）

3 測試結果

從上述原理可知，選用RSSI穩定性越好，天線的前后比越高，則出現判斷錯誤的概率越小。因此，本文選用了JN5168作為讀卡器和標識卡的測距模塊，JN5168是一款超低功耗、高性能的無線SOC模塊。具有高性能的CPU、超低功耗、大容量存儲、優異RF性能等特點。另外，選用了前后比為25dB的八木天線作為讀卡器天線。八木天線具有很好的方向性，具有較高的前后比，是該應用理想的天線形式。

為了驗證上述方法的有效性，特此加工出了樣機進行地面測試。將標識卡分別放置在10m，50m，100m處測試一段時間。測試結果如圖4，圖中縱坐標表示正反向RSSI值之差，此處的RSSI值為測距模塊JN5168寄存器中給出的相對大小，因此均為正值。從結果中可以看出，在距離為10m處，絕大多數數據正反向測距模塊均能接收到標識卡信號，正向RSSI值均大于反向RSSI值；在距離為50m處，部分數據雙向均能接收到標識卡信號，部分數據只有正向測距模塊能接收到標識卡信號；在距離為100m處，可以看到幾乎所有的數據均只有正向模塊能接收到標識卡信號。在以上三個距離的所有數據中，均能正確的判斷出標識卡的方位，達到了驗證該方法的基本目的。

4 結論

本文針對精確定位系統中雙站法在實際應用中的兩方面缺點，提出了一種利用單站即可判斷標識卡方位的方法，并通過實測數據驗證了該方法可行有效。該方法相對傳統的單站法，可以減少系統電纜和本安電源的使用量，從而大大減少系統復雜性和系統造價。對于精確定位系統在我國煤礦中的推廣普及有重要意義。

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作者單位

中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶市 400037