謝春華

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧省撫順市 113122 2.煤科集團沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

煤礦井下環境復雜，對人員實施精確定位，有助于煤礦生產進行整體性調度，也方便發生礦難事故時進行高效救援。一個典型的井下人員定位系統包含井上和井下兩個部分，其中井下的系統組成主要涵蓋電源、數據傳輸線路、接口、讀卡器、識別卡等等。人員定位的核心技術并不在于設備，設備只是技術的外在表現。目前井下人員定位系統的常用定位技術，有很多種，TOA 技術是其中一種，定位精度較高，成本較低，比較適合井下精確人員定位。但是因為TOA 技術要求時間同步，對時間的控制要求較高，如何在保證時間同步基礎上降低測距誤差，以確保人員定位的精度，是非常值得思考的一個課題，當然如何將TOA 技術用來支撐人員定位系統設計，也非常值得研究。

1 人員定位系統常用定位技術

要實現對人員或物體的準確定位，必然需要用到精確的定位技術，常用的定位技術包含TOA、DOA、TDOA、AOA、RSS 等等。在煤礦井下精確人員定位系統中，分別對其中部分定位技術進行討論，以明確井下人員定位的優勢定位技術。

（1）傳統的RFID，即射頻識別，該技術手段，主要是將讀卡器安裝在監控范圍內，將標識卡安裝在礦工或者井下礦車上。當礦工或礦車經過讀卡器識別區域，標識卡上的信息經過讀卡器上傳到上位機。這種定位技術不需要測距，不需要多高的時間精度，系統組成簡單，定位的精度不高，從井下人員定位的角度講，該技術手段只能大致推算礦車或職工的大致位置，精度要求達不到，相對不是很適合用來設計井下人員定位系統。

（2）RSS 定位，有兩種，一種是基于路徑損耗的，另一種則是基于RSS 作為指紋的，因為信息傳播具有多路徑的特點，基于路徑損耗的方法精度不高，第二種則容易出現不同點為有相同的RSS 情況，而且做指紋時分割區域較大，精度也不高。也不適合用來做井下精確人員定位。

（3）DOA 定位，這種定位技術是按照信號功率強弱來判斷信號方向，讀卡器接收信號最強的方向或最弱的反方向機為信號傳輸方向，在確定兩條信號傳輸方向的前提下，確定礦工位置。不過信號方向檢測難度大，精確度不高，若要保證精確度，則需要大量方向性天線或天線陣列，從經濟性上看，成本過高，也不是很適合井下精確人員定位。

（4）TOA，主要測到達時間，即射頻信號從標識卡到讀卡器的時間，然后乘以信號傳輸速度一般取光速，計算得到標識卡到讀卡器的距離，在信號接收和發送兩端，要求時間精確同步，精確度相對較高。TDOA 則是TOA 和DOA 優勢融合的一種定位技術，其基本原理與TOA 相當，但不需要時間同步。一般來說TOA 在井下精確人員定位中具有較高的可行性，TOA 對天線依賴性比較低，成本也不高，周邊環境不管多復雜對TOA 的影響都比較小，不過如何保證時間同步是一個比較難的點，當然相比較于其他定位技術而言，這個困難實際上也算不上困難，難得的是TOA 所具備的高精度定位優勢。

2 TOA定位技術分析

從煤礦井下人員精確定位的需求來說，TOA 是比較適合的一個定位技術，TOA 的本質是根據測量接收信號在基站和移動臺之間的到達實際位置，然后通過計算得到精確定位，在該技術中至少需要三個基站才能計算目標位置。如圖1所示。

圖1：TOA 定位示意

圖示當中MS 代表待測目標，BS 則代表基站，r1、r2、r3 分別表示三個基站到目標的距離，也代表基站信號覆蓋半徑，三個基站的信號覆蓋面的交點即MS 即為待測目標。假設三個基站都是LOS基站，則可以按照最小二乘算法（LS 算法）來計算MS 的具體位置。進一步假設MS 在二維平面上的坐標為(x,y)，N 個基站的位置坐標為（xi,yi），則可以根據幾何意義來定義它們之間的關系，如下。

對上述公式進行展開得到如下公式

帶入一個Ki，則有帶入一個R，則有R=x2+y2，對該公式進一步展開得到如下矩陣。

由此則可得到Y=AX，

若需要對坐標(x,y)進行求解，只需要求X，利用最小二乘法，得到如下公式。

上述分析揭示了TOA 的基本原理。在煤礦井下精確人員定位中，由于主要定位是在煤礦井下巷道內，一般只考慮二維平面的定位，按照上述算法進行定位即可。按照上述方法，假設MS 和BS均處在可視范圍內，且MS 到三個基站的信號傳播時延已知，信號傳播速度取光速即108m/s，此時即可計算MS 到基站的位置。這是理想狀態下的情況。因為礦井下環境較為復雜，會存在一些典型的干擾問題，在非視距內，當MS 和基站不在可視范圍內，或者是電磁波遭遇了巷道內障礙物的阻擋，則可能會MS 的位置確定產生一定的誤差，簡而言之就是原有三個基站可以全面覆蓋MS 并且確定準確的交點，但是因為產生誤差，基站覆蓋范圍縮小，交點位置會變成一個區域而不是一個點，這個區域越大，精確度越低。

3 基于TOA技術的煤礦井下精確人員定位系統實現

3.1 基于TOA的定位系統實現方案

基于上述分析，對煤礦井下精確人員定位系統進行設計，選用nanoLOC 射頻收發器芯片，功率2.4GHz，該芯片具有較高傳輸速率、高精度以及低功耗特點，在工業檢測和控制等方面有著較為廣泛的應用。nanoLOC 是比較典型的TOA 定位技術的產物。基于該芯片，根據井下的實際情況在交叉路口、主巷道、人員必經之路等重點位置，放置基于該芯片的信號接收基站，然后在定位區域內部署無線路由，該路由要求與定位服務器進行光纖連接，基站與路由之間的連接采取無線方式，或者CAN。合理梳理巷道情況，確定基站之間的間距，確保整個巷道都處在信號覆蓋范圍內。配置相應的識別卡作為移動發送點，由礦工佩戴，或者是改造礦燈，在礦燈內內置識別卡。識別卡實際還可以集成一些傳感器、通信模塊等，在識別卡上錄入礦工的信息，并賦予一個唯一的數字編碼，體溫、心跳等體征數據都可以納入到識別卡中，當發生異常則直接利用通信模塊向地面調度人員發送信息，這實際就是一個物聯網體系。

對于識別卡要求賦予其一個精確定位標簽，該標簽由如下幾個模塊組成，分別是嵌入式CPU 小系統、精確定位模塊、外接LED或LCD 顯示屏、電源模塊。精確定位標簽以精確定位模塊為核心與讀卡基站進行通信，CPU 對信號進行處理并上傳到基站，各基站主要是覆蓋MS 的三個基站對標簽進行測距。基站部分也由CPU小系統組成，外接精確定位模塊、集成存儲器、外接顯示器，以CAN 或無線路由進行通信，加上合適的電源模塊。基站精確定位模塊對MS 進行定位測距，中控對基站接收到的數據進行分析計算，得出所有MS 的精確定位。

該系統下，當攜帶識別卡的礦工進入讀卡基站范圍，基站啟動并接收識別卡信號，按照相應的算法，如上文的最小二乘法、泰勒算法等，對基站和MS 的距離進行測定計算，然后由傳輸接口將相關數據上傳至地面調度中心的服務器，服務器提供對外顯示接口，實現地面對井下作業人員的實時位置監控，一旦出現險情或事故，系統自動報警，并顯示事故或險情位置，調度人員可立即采取措施進行營救。該系統信號覆蓋全面，系統穩定性較好，定位精度理想。為了保證效率以及經濟性，可以加入觸發式定位終端，在識別卡未進入終端覆蓋范圍時，采取休眠措施，進入覆蓋范圍后觸發啟動，以此降低功耗。

3.2 仿真分析

采取仿真方法對上述基于TOA 的人員定位系統進行分析，仿真環境如下，在一個50×50 的二維平面上定義10 個隨機分布點，在點中選擇四個點作為仿真對象，其中一個為目的節點，三個為參考節點，由此驗證參考節點到目標節點的測距精度。定義了誤差量，該值為零均是噪聲中提取的值。

仿真過程為，先假定無誤差，即誤差值為零，仿真結果顯示定位位置與估計位置相一致。然后假定存在誤差影響，假設誤差為5，結果顯示實際定位與估計位置不一致，繼續選定誤差值反復進行仿真，確定測距誤差和定位誤差的方差關系，對每一個誤差值進行100000 次仿真試驗，確定平均定位誤差，由此當測距誤差增大，定位誤差增大。對于這種情況，可以考慮在距離估計的數量中加入冗余，可以通過增加參考節點數量來實現冗余，假設在測距誤差為5 的情況下，分別引入3 個、4 個、乃至9 個節點，并分別進行仿真，結果顯示隨著節點數量增加，定位誤差減少，節點數量為9，此時的平均定位誤差僅2.5m 左右。當節點數量為3，誤差達到11m 左右。

在TOA 中主要是利用了底層硬件發射的射頻信號和超聲波，當信號達到接收點，其時間差就可以用來分析發送點到接收點的距離，從礦井巷道內的實際環境情況看，由于巷道相對狹窄，基站到MS 之間的距離實際上都比較短，以光速來說，這個距離，信號傳輸的速度幾乎是實時的，因此關鍵問題是時間同步，設備定時精度要求非常高。在實際應用TOA 時就會發現根本無法通過時間差來測定距離，為此MS 向基站發送信息，當基站收到信息后，立即啟動計時器計時，并同時啟動一個計數器，數據以字節為單位發送，基站每接收一個來自MS 的字節，計時器計時，計數器加一操作，當MS 發送一定量字節（事先約定），計時器結束計時，計數器停止計數，此時字節量就是事先約定好的值，假定計時為T，其中包含消耗的時間以及傳輸延時，由此對這些參數進行建模，可以得到基站與MS 之間的距離。當MS 與基站的距離比較近時，可能因為延時測量誤差導致距離結果誤差較大，就需要進行修正。當然實際上隨著MS 與基站之間的距離越遠（未出信號覆蓋范圍），實際誤差越小，在延時誤差仿真當中得到的結論是隨著定位距離增加，誤差越小，在實際距離5m 左右，得到系統測距誤差在10ppm 左右，實際距離越小，誤差越大，3m 左右誤差可達到25ppm 以上。當MS 與基站之間的距離在60m 左右則可使誤差無限趨近于零。

3.3 算法分析

礦井下人員定位場景相對較為復雜，按上文所述可能存在視距場景（LOS），也可能存在非視距場景（NLOS）。不同場景在TOA 相關算法上有不同的要求，本文所列的最小二乘法比較適合LOS 場景，還有一個比較適合的是泰勒算法，不過泰勒算法需要給標簽一個初始定位坐標，該算法的定位精度要更高一些。以泰勒算法來論，此處提供2 維定位接口函數。

接口說明：X0——標簽定位初始坐標，（2，1）；Location——基站坐標，（N，2）；data——觀測值，（N，1）；Tag_location——定位結果保存，（2，1）。

如此，設定程序如下（下為程序選段）:

注意上述程序選段中的UWB，UWB 是超寬帶技術，該技術是通過發送以及接收具有納秒或納秒以下的極窄脈沖來實現數據傳輸，從而具有GHz 量級的帶寬。這種技術結合TOA 算法所形成的寬帶系統當中表現更高。

4 結束語

綜上所述，煤礦井下精確人員定位具有非常高的價值意義，不管是人員調度還是應急搶險方面都能夠發揮突出的作用。在實踐中，構建井下精確人員定位系統的技術手段很多，各種技術的優劣勢也比較明顯，相對來說本文所探討分析的TOA 技術要更適合作為井下人員定位的技術手段，文中也對此進行了討論。并提出了一種基于TOA 技術的井下精確人員定位系統。從煤礦角度講，煤礦對安全監控系統的要求非常高，隨著傳感器技術、無線通信技術等的不斷發展，有效地利用TOA 技術來實現更加精確的人員定位系統，顯然價值巨大，因此圍繞TOA 技術對精確人員定位系統進行了設計，提出了可供參考的設計方案，并對相關的算法、仿真分析進行了研究，進一步表明TOA 技術支持下的礦井下精確人員定位系統的高價值。當然本文所設計的基于TOA 技術的人員定位系統，可能并不夠完善，在未來的工作以及學習當中，還將對此進行進一步完善。