UWB定位技術在礦井下的應用

張宗強

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

20世紀80年代開始我國開始展開了對于UWB技術的相關研究，但在當時，我國的UWB技術發(fā)展較慢，因此該技術沒有得到大規(guī)模的應用。隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，國家對于UWB技術的研究也逐漸重視起來，近年來，我國UWB技術的發(fā)展已經逐漸與發(fā)達國家接軌。

1 超寬帶定位技術的特點

1.1 發(fā)射的功率較低

UWB定位技術所發(fā)射的信號具有功率較低的特點，這是由于該技術的數據傳輸使用無線電脈沖，無線電脈沖所用的時間較短，能夠給發(fā)射信號留下較大的空間，舍得信號功率較小。UWB定位技術所發(fā)射的信號功率甚至可以達到幾十毫瓦，這種信號在傳輸過程中對其他系統(tǒng)的干擾十分低。

1.2 傳輸的速率較高

UWB定位技術之所以叫做超寬帶定位技術，就是因為該技術所使用的頻帶較寬，因此，UWB定位技術的信號傳輸速率比其他無線定位技術的傳輸速率要高，即使UWB定位技術發(fā)射的信號的功率較小也能夠實現信號的高速傳輸，基本可以達到100-500mbps。這種高速傳輸信號的特點使得UWB定位技術可以實現快速定位，也減小了信號傳輸的時間差。

1.3 空間的容量較大

空間容量具體指的是，在每平方米的空間內每秒鐘信號所傳輸的比特，空間容量也是無線定位技術中重要衡量條件。超寬帶定位技術的空間容量高達1000kbps/m2，與其他定位技術相比，超寬帶定位技術有著很大的空間容量優(yōu)勢。

1.4 多徑分辨率較高

多徑衰落是定位技術較為常見的問題，在巷道較多的礦井下定位更容易出現多徑衰落的現象，多徑衰落是指發(fā)射信號受到環(huán)境的影響而出現的信號衰弱現象。在使用其他定位技術進行定位工作時，多徑衰落的問題很難徹底解決，因為常規(guī)的定位技術信號傳播的時間較長，超過了多徑傳播的時間，就會使信號衰弱。而UWB定位技術所發(fā)射的信號不僅脈沖的時間較短，而且多徑分辨率較高，使得發(fā)射信號的看抗衰弱能力較強。

1.5 保密性較好

UWB定位技術所發(fā)射的信號功率密譜度與常規(guī)定位技術相比較低，再加上UWB定位技術所使用的頻帶較寬，其信息在傳輸過程可以淹沒在白噪音當中，一般的信號接收機根本無法接收到UWB定位技術所發(fā)射的信號，因此保密性極好，很難被其他系統(tǒng)監(jiān)測到。

1.6 定位精準、信號易于數字化

UWB定位技術發(fā)射的信號具有較強的穿透力，即使在地下作業(yè)其發(fā)射信號的穿透力也很強，因此定位的精準度很高，其誤差只停留在厘米級別。UWB定位技術的信號傳輸較為簡單，不需要過濾器、混頻器等零件，具有低能耗的特點，信息還便于數字化，使得應用起來十分方便。

2 超寬帶定位技術的原理

超寬帶定位技術主要依照定位算法來判斷具體位置，通過測量時間差、信號到達角度以及時差定位等進行計算，超寬帶定位系統(tǒng)主要由定位平臺、傳感器以及有源定位標簽三部分構成。在具體測量定位的過程中，有源定位標簽將位置信息發(fā)射給傳感器，然后傳感器將接收到的位置信號信息利用定位算法進行分析計算，最后發(fā)送到定位平臺，定位平臺的功能是可以進行空間的無限外擴，最終在空間上實現精準定位。

3 超寬帶定位技術在礦井下的應用

超寬帶（UWB）定位技術因為其方法簡單、精度較強且成本較低的優(yōu)勢被廣泛應用到礦井下作業(yè)的定位工作中。該技術與其他無線定位技術具有著相似之處，那就是它們都是通過測距以及測向的方式來進行定位的，這也是大部分定位技術的特征。超寬帶定位技術從定位的模型來看一共有三種技術方法，分別為AOA技術、RSS技術以及TOA/TDOA技術，其具體的定位應用也是依據這三種技術進行的。

3.1 基于AOA技術的測距定位

基于AOA技術的測距定位的原理是，將天線陣列作為參考節(jié)點，將所測定的目標節(jié)點與參考節(jié)點的夾角作為測量目標，根據對夾角信息的測定來進一步判定目標節(jié)點的位置。例如，將天線陣列的兩個參考節(jié)點設為點A和點B,將想要定位的目標節(jié)點設為點C，測量在垂直結構上點C到兩個參考節(jié)點的傾斜角a和b，然后運用非線性方程的計算方法求出目標節(jié)點C的具體位置（x0，y0），在AOA技術模型中，假設某一時刻為t，發(fā)射的信號為S，在t時刻，信號S沿著目標節(jié)點的傾斜角方向射入到陣列中，將到達各陣列的方向都看成是平行位置，則可根據陣元數以及各陣元之間的距離求出陣列向量，接收方向的陣列均值全部為0，則可以通過分析判定陣元數的增加以及陣元間距的增加可以減少AOA定位的估計誤差，但過于增加信號S的入射角度會導致AOA定位的誤差增大[1]。

綜上所述，基于AOA技術的測距定位在操作過程中的方式較為簡單靈活，但在巷道復雜錯亂的煤礦井內，其精確度要大幅度下降，影響著定位的準確性。同時，天線矩陣的應用成本較高，不適合小成本的礦井作業(yè)，這種技術也不能夠體現出超寬帶技術定信號發(fā)射寬的特點，因此應當根據礦井的實際情況再決定采取該方法。

3.2 基于RSS技術的測距定位

RSS技術的測距定位對于礦井的環(huán)境有著較高的敏感度，該技術主要是通過路徑損耗來進行定位的。因此，在不同礦井環(huán)境下使用RSS測距定位技術，還要具體研究UWB信號的傳輸特性，該技術定位的過程中，至少需要3個參考節(jié)點，才能準確計算出目標節(jié)點的位置。在礦井下進行信號發(fā)射，將目標節(jié)點的信號發(fā)射到3個參考節(jié)點的位置，在這一過程中，UWB信號會因為井下巷道多且發(fā)展而出現信號衰弱的現象，信號的具體衰弱原因是多徑導致衰弱、陰影導致衰弱以及路徑導致衰弱。假設在理想的環(huán)境下，多徑導致的信號衰弱以及陰影產生的信號衰弱可以使用計算長時間信號強度的平均值來降低影響，就可以提高信號的準確度。實際定位的過程中，信號衰弱的問題是不能夠忽視的，直接影響著定位的準確率。接收信號的傳輸受到中心頻率的影響，根據傳播距離導致的信號損耗功率和色散導致的信號損耗功率來計算UWB信號的功率，然后根據接收信號來構建RSS技術的測距定位函數并計算出目標節(jié)點的位置[2]。

綜上所述，RSS技術的測距定位成本較低但受到礦井內部環(huán)境的影響較大，UWB技術的優(yōu)點并不能夠徹底消除環(huán)境對定位精確度的影響，當礦井內路徑損耗系數較大時，RSS測距定位技術就不能夠使用，因此，還是要根據礦井的環(huán)境特點來使用該方法。

3.3 基于TOA/TDOA技術的測距定位

基于TOA/TDOA技術的測距定位原理是，在不同時間從目標節(jié)點發(fā)射信號到參考節(jié)點分別設為t1和t2，然后計算兩個參考節(jié)點的時間差△t=t1-t2，將參考節(jié)點與目標節(jié)點的距離設為S，光速為c，則有S=△t*c，在二維空間內以3個參考節(jié)點為圓心，以求出的對應S為半徑畫三個圓，這三個圓的交點則目標節(jié)點的位置，然后再計算目標節(jié)點的具體空間位置。也可通過列方程的方式計算目標節(jié)點的位置，將目標節(jié)點的位置在二維空間內設為（x0，y0），參考節(jié)點的位置設為（xn，yn），然后分別計算目標節(jié)點的與參考節(jié)點橫坐標與縱坐標差值的平方，即（x0-xn）2和（y0-yn）2，計算兩者相加的平方根，列出三個參考節(jié)點的公式，最后求出目標節(jié)點的具體二維坐標[3]。

TOA/TDOA技術的測距定位與AOA技術和RSS測距定位相比，可以利用超寬帶技術的優(yōu)勢來進行測量，即UWB技術時間分辨率極強的優(yōu)勢，因此這種方法的測距定位精確度較高，有效減少了井下定位過程中環(huán)境對定位精確度的影響，在巷道復雜的礦井內該方法最適合應用。

TDOA技術測距定位的原理是設置n個參考點，然后測量n個參考點到達目標節(jié)點的時間差來確定目標節(jié)點的二維空間位置，因為在礦井中進行定位工作一般只定位直線上的位置，所以一般選取2個參考節(jié)點進行定位。在二維空間內，假設目標節(jié)點的為（x0，y0），參考節(jié)點的位置設為（xn，yn），然后分別計算目標節(jié)點的與參考節(jié)點橫坐標與縱坐標差值的平方，即（x0-xn）2和（y0-yn）2，計算兩者相加的平方根，然后列出兩個方程組成方程組并計算目標節(jié)點的位置（x0，y0）。這種技術的定位方式不要求參考節(jié)點與目標節(jié)點的時鐘一致，只需要保證兩個參考節(jié)點的時鐘一致就能夠進行定位，因此TDOA技術的測距定位方法在礦井中的應用較為廣泛[4-5]。

4 結語

綜上所述，UWB定位技術在礦井下應用與其他定位技術相比，其精準度更高，能夠進一步保障礦井作業(yè)的安全性。由本文分析可知，UWB定位技術在礦井下的應用主要有三種方法，即基于AOA技術的測距定位、基于RSS技術的測距定位以及基于TOA/TDOA技術的測距定位。