基于UWB技術的礦井人員定位系統設計

關丙火

(神東煤炭集團技術研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著煤礦機械化、信息化、數字化的發展，作為礦井安全生產與管理保障的“六大系統”也得到了一定的發展，尤其是作為災害救援的重要依據的井下人員定位系統受到了相關學者的大量研究，主要包括基于到達時間的測距技術、基于信號接收強度的測距技術、基于到達時間差的測距技術以及基于到達方向角度的測距定位技術[1-3]。但是，現有的大量方法都存在著一些局限性。例如：基于到達時間的測距技術要求發射機與接收機時間同步，基于接收信號強度的測距技術受環境的影響比較大，基于到達時間差的定位技術要求2個接收機之間時間同步，基于到達角度的測距定位技術需要多個天線的支持等[4-7]。

針對當前主流的人員定位系統在礦井中使用的缺陷，提出了一種基于UWB技術的礦井人員定位系統。該系統充分利用了UWB信號的特點，結合到達時間測距的算法，以實現礦井人員的精確定位。

1 設計原理與思路

1.1 UWB信號概述

UWB工作原理：UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)是應用于無線通信領域的一種低功耗的無線電技術，其采用納秒級或亞納秒級的脈沖實現無線通信[8]。UWB通信是利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，不需常規窄帶調制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線，再由天線將數據信息發射出去。根據美國聯邦通信委員會(FCC)的規定，UWB信號的相對帶寬(即信號帶寬與中心頻率之比)不小于0.2或者絕對帶寬不小于500 MHz，并且適用指定的3.1～10.6 GHz頻段的信號，UWB系統發射機的有效各向同性輻射功率(EIRP)不超過-41.25 dBm/MHz[9]。

UWB技術特點：與WiFi、藍牙、RFID和Zigbee等傳統的無線通信技術相比較，UWB技術主要有以下特點[10]。①傳輸速率高、帶寬大。由于UWB信號的寬頻帶，UWB技術可使用的信號帶寬可達到1GHz以上，結合其采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據的特性，最高的數據傳輸速率可達1 000 Mbps以上，即使發送信號的功率頻譜密度被控制得很低，也能實現高達100～500 Mbps的信息速率，高于Bluetooth技術100倍，也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.1lb技術。超寬帶系統容量大，并且能與目前的窄帶通信系統同時工作而互不干擾。②低功耗，輻射小。通常情況下，無線通信系統在通信時需要連續發射載波信號，因而必定消耗一定能量。UWB通信技術采用非正弦波的載波通信方式，僅發出瞬間脈沖電波，也就是直接按 0和1發送出去，并且在需要時才發送脈沖電波，脈沖只持續0.2～1.5 ns的時間，因此UWB系統的發射功率非常低，發射機的發射功率通常小于1 mW就能實現通訊[11]。低發射功率大大延長了系統工作時間，并且由于發射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小，因此，在工業上應用時，其不存在對其他儀器儀表的干擾問題，故可以大量應用于工業環境的特殊實時定位需求。③抗干擾性強，保密性好。UWB技術采用跳時擴頻信號，系統具有較大的處理增益，在發射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設備產生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產生擴頻增益，因此，UWB技術與IEEE802.11a、IEEE802.11b和Bluetooth技術相比，在同等碼速條件下，UWB技術具有更強的抗干擾性。另外，UWB技術保密性極好，一方面，它采用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面，UWB系統的發射功率譜密度極低，用傳統的無線通信接收機無法接收或解析無線信號。UWB具有的這些特點，使它在煤礦井下人員定位領域得到了應用，在人員定位系統的定位測距上可得到較為精確的結果，無遮擋條件下，精度誤差可達到厘米級，精度誤差值不大于30 cm；一般遮擋條件下，精度誤差值亦可達到2 m。④應用成熟。目前UWB定位系統的產品已經比較成熟，例如，由美國Multispectral Solutions公司開發的Sapphire系統；由英國Ubisense公司開發的Ubisense定位系統；由美國Time Domain公司開發的PLUS系統。通過對以上系統和UWB通信技術的研究、轉化，將UWB通信技術開發成適用于我國的煤礦井下人員定位系統。

1.2 基于到達時間的定位方法

TOF的優勢：基于UWB技術的人員定位系統對于煤礦井下的應用定位算法有信號強度分析法(RSSI)、到達角度定位法(AOA)、到達時間定位法(TOF)和到達時間差定位法(TDOA)等。TOF是通過接收信號的傳播時間來估計距離。相對前面2種方法，TOF有著不可比擬的優勢。TOF的定位精度高，對硬件設備要求相對低，TOF測距不依賴讀卡器與識別卡的時間同步，故沒有時鐘同步偏差帶來的誤差，但TOF測距方法的時間取決于時鐘精度，時鐘偏移會帶來誤差[12-13]。為了減少時鐘偏移量造成的測距誤差，通常采用正反2個方向的測量方法，即遠端基站發送測距信息，識別卡接收測距信息并回復，然后再由識別卡發起測距信息，遠端讀卡器回復，通過求取飛行時間平均值，減少兩者之間的時間偏移，從而提高測距精度。因此，充分利用UWB超寬帶寬的優勢，根據信號時間分辨率高的特點，設計基于UWB技術的礦井人員定位系統。

TOF測距原理：基于信號到達時間(TOF)的測距算法通過測量2個節點之間信號往返的到達時間來計算距離，屬于雙向測距技術[14]。基于到達時間的算法信號的往返過程，如圖1所示，節點1發送測距信號，并記錄當前時間t1；節點2接收信號，并記錄當前時間t2；節點2處理接收信號后發送回應信號，并記錄當前時間t3；節點1接收回應時間，并記錄當前時間t4。因此，可得到式(1)，即可計算出該信號的傳播距離。

圖1 到達時間原理圖

(1)

式中，C—電磁波的傳播速率，取3.0×108m/s。

1.3 基于UWB技術的井下定位技術設計

技術原理：根據UWB信號、TOF算法以及煤礦井下巷道的特點，設計了基于UWB技術的井下人員定位技術原理。采用主射頻天線和輔射頻天線進行TOF定位的系統結構，如圖2所示。讀卡器內設置2塊擁有TOF算法的射頻模塊，分別稱為主射頻模塊和輔射頻模塊。2個射頻模塊分別引出2條饋線，饋線終端分別接2個相同頻率的天線。天線分別安裝在讀卡器的兩側，并且拉開一定距離。

a-讀卡器；b-定向天線；c-識別卡；d-無線通信鏈路圖2 井下定位技術系統結構

測距計算流程：具體定位測距計算流程如圖3所示。①讀卡器發射UWB信號，并將添加讀卡器身份ID1與發射時間t1的信息表項調制到UWB信號中。②識別卡接收UWB信號，解調UWB信號中的信息表項，并將接收時間添加至信息表項中的t2字段。③識別卡處理信息表項，將識別卡的身份ID添加至信息表項中的ID2字段。④識別卡將發射時間添加至信息表項t3字段，并將信息表項調制至UWB信號作為應答信號發射出去。⑤讀卡器接收識別卡的UWB應答信號，解調UWB信號中的信息表項，并將接收時間添加至信息表項中的t4字段。⑥讀卡器根據信息表項的數據進行分析處理，提取信息表項中的ID2字段，確定攜帶該識別卡的人員身份信息；提取信息表項中的t1字段，確定UWB信號的發射時間t1；提取信息表項中的t2字段，確定UWB信號的接收時間t2；提取信息表項中的t3字段，確定應答信號的發射時間t3；提取信息表項中的t4字段，確定應答信號的接收時間t4；根據式(1)，計算識別卡距讀卡器的距離L。

圖3 井下定位原理流程示意

2 系統功能與實測

2.1 系統組成

基于UWB的礦井人員定位系統的系統組成圖如圖4所示，系統主要由井上的服務器、監控主機和井下的環網交換機、隔爆兼本安型電源、讀卡器和識別卡等組成。井下人員定位系統主要用來實時監測和查詢井下人員的位置、分布情況、行駛路線等。

圖4 系統組成示意

2.2 系統各部分的主要功能

監控主機：監控主機上主要用來安裝人員定位系統的客戶端軟件，實現井下人員定位及統計；重要區域的井下人員的數量的實時定位及統計；特殊班組的井下人員的數量的實時定位機統計；將某井下人員的歷史軌跡進行回放；當系統異常或者井下人員進入某些重要區域時，將在監控主機上實時報警；利用井下人員的定位信息對工作人員進行考勤管理。

服務器：服務器上主要用來安裝數據庫與應用服務軟件。數據庫主要用來存放人員的相關信息；應用服務軟件用來對客戶端軟件的需求進行解析并提供給數據庫，然后，將數據庫提供的結果返回至客戶端。

讀卡器：通過檢測讀卡器發射與接收信號的到達時間，確定識別卡與讀卡器之間的距離。在該過程中，讀卡器發送測距信號，并記錄當前時間t1；識別卡接收信號，并記錄當前時間t2；識別卡處理接收信號后發送回應信號，并記錄當前時間t3；讀卡器接收回應時間，并記錄當前時間t4；并根據計算公式，計算識別卡與讀卡器之間的距離。

識別卡：通過與讀卡器之間的通信，輔助讀卡器獲得信號的到達時間，即確定讀卡器與識別卡之間的距離。讀卡器作為一種便攜式、移動性的設備，由井下工作人員攜帶。通過計算讀卡器與識別卡之間的距離，確定井下工作人員的具體位置。

定位軟件：通過讀卡器與識別卡之間的距離的實時顯示，從而實現定位功能；分析各個讀卡器周邊的人員分布，統計井下人員的分布情況；滿足監控人員的查詢需求。

供電電源：對系統所需的萬兆環網交換機、交換機、服務器、監控主機、讀卡器與定位卡供電。

2.3 現場實測與分析

實測結果：試驗測試時，選取煤礦井下的運輸巷為試驗場地，采用一個讀卡器，10張識別卡進行定點測試，設置10 m、20 m、30 m和40 m共4處測試點，每個固定點進行10次定位誤差測試。根據不同距離的固定位置所測得的距離結果，隨機取其中一張卡在30 m位置的測試結果為例，其測試結果如圖5所示。

圖5 識別卡誤差測量結果

測試結果：由圖5可以看出，任何一個測量值，除去個別誤差點，所測得的結果都在29.7～30.3 m，即最大值與最小值的差值處于0.3 m以內，并且該識別卡在不同的距離所呈現的都是同樣結果，根據圖示的測試結果，可以判斷定位精度誤差值為0.3 m。根據試驗結果，各個不同卡的距離都在誤差范圍以內。綜上測試結果，從定位精度、定位成功率，基于UWB技術的礦井人員定位系統的定位精度較高，能夠滿足在煤礦井環境下實現人員的精確定位需求。

3 結語

利用到達時間分析法(TOF)，將基于UWB技術應用到礦井人員定位系統中，有效提升了礦井人員的定位精度與實時性。該測距方法具有受環境影響小、定位測距精度高、天線關聯少等優點，且無需時間同步。通過現場試驗，驗證了基于UWB技術的礦井人員定位系統可實現礦井人員厘米級精確定位，可以促進礦井的數字化建設水平，保障礦井的安全建設，進而提高礦井的管理效率。