基于UWB技術的井下快速移動目標高精度定位系統的設計與實現

張日明，周 歡，龍飛陽

（陜西山利科技發展有限責任公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

安全生產事關人民群眾生命財產安全，事關改革發展穩定大局。黨中央、國務院始終高度重視安全生產工作，把安全生產納入“四個全面”戰略布局，不斷加強和改進安全生產工作，推進經濟社會科學發展、安全發展。樹立安全發展理念，弘揚生命至上、安全第一的思想，健全公共安全體系，完善安全生產責任制，堅決遏制重特大安全事故，提升防災減災救災能力。

目前，安全生產問題是各地煤礦生產工作的重中之重，由于礦井井下環境復雜、巷道縱橫交錯，井下作業人員、車輛流動性大，一旦發生事故，利用原有的區域定位系統難以定位到井下人員及車輛的精確位置，救援工作難度大，不僅耗費大量人力物力，更容易錯失救援的黃金時間。2019年，國家八部委聯合發布了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，2020年、2021年國家能源局、各地發改委等部門相繼發布了《煤礦智能化建設指南》等文件，文件中明確提出利用科技信息手段加快建設礦井精確人員定位系統，為井下人員安全生產提供保障。

基于UWB技術的井下快速移動目標精確定位系統利用UWB技術、AI技術、無線數據傳輸、自動控制技術、通信技術等，有效解決了智能礦井下快速移動的工作人員及車輛分布實時統計、入井唯一性檢測、位置精確定位、智能輔運調度、智能采煤、掘進工作面精確定位等問題，對超定員生產、人員進入采空區或發現超時作業人員進行預警，為事故應急救援提供數據支撐，是煤礦安全生產的“千里眼、順風耳、烽火臺”。

1 系統研究背景

近年來，隨著煤礦智能化建設的推進，對井下定位精度、頻率要求更高，工程可實施性要求也更高。既要求定位技術達到先進水平，又要求能大規模工程應用，同時兼備與其他系統進行融合應用的能力，形成綜合管控一體化平臺，已成為礦山行業智能化建設的發展趨勢。

針對井下人員多、設備多、車輛多，且井下環境復雜，存在淋水、有毒有害氣體、多粉塵、濃霧氣、低照度、強噪音、強電磁干擾等問題，研究具有高精度、低頻率、大容量等優點的精確定位系統迫在眉睫，要求定位系統可與多系統聯動，包括安全監測監控、應急廣播、慣性導航、電液控制；在保障高精度定位的基礎上，開發三維GIS多功能管控系統平臺。可廣泛用于超層越界盜采監測、遇險遇難人員定位、電子圍欄、防碰撞、按需照明等場景。

2 國內外技術比較

礦井人員定位系統作為煤礦安全生產的必備系統，各開發廠家都有自己的通信協議和技術標準，導致市場產品差異極大。根據前期市場調研，人員定位產品流派較多，目前應用的定位技術有：激光、紅外、超聲波、慣性導航、無線電（毫米波、WiFi、RFID、ZigBee、UWB）等，其中又以基于RFID、ZigBee區域定位技術的定位產品應用最為廣泛。

相比而言，基于RFID技術類產品具有低成本、易部署等優勢，但在精度方面性能不足，只能實現區域定位，公用頻段易受干擾；基于ZigBee技術類產品具有成本適中，融合無線通信系統的優勢，但該產品利用場強定位，精度為3～10 m，且頻段為公用易受干擾；本文中的礦井快速移動目標高精度定位系統采用UWB技術設計，選用高集成度板卡加304不銹鋼外殼進行封裝，整體重量為6 kg，便于安裝維護。在性能方面，一維定位精度為20 cm、二維定位精度為30 cm、三維定位精度為50 cm，單基站覆蓋半徑可達600 m，1 s內并發量不少于200個目標，設備續航時間可達400 h，接收靈敏度可達-105 dBm，同時基站內部集成百兆交換模塊，便于擴展，基站覆蓋范圍是其他定位產品的2倍。

礦井井下快速移動目標高精度定位系統是智能礦山的核心基礎設施，隨著2020年10月《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》征求意見稿出臺，老舊系統更新迭代迫在眉睫。未來，面向日益增長的地下空間高精度定位導航應用需求，針對當前定位技術無法實現地下大空間內人員及無人駕駛裝備的精確定位導航問題，突破地下大空間復雜電磁環境下信號傳輸模型、數字孿生地圖、規模可伸縮自主定位導航授時（PNT）系統組網、高精度定位等關鍵技術，研制地下大空間范圍內軌道車輛、設備等的無人駕駛精確定位控制系統，開展地下大空間復雜電磁環境下自主PNT系統及導航控制應用驗證，UWB高精度定位技術不可或缺。

3 系統概述

基于UWB無載波通信、無線通信、互聯網及大數據等技術的礦井井下快速移動目標精確定位系統，可實現井下巷道信號“全覆蓋”，及對井下人員、車輛、物料、采煤機、掘進機等目標的全程、實時、連續、厘米級精確定位跟蹤。在此基礎上，該系統還將高精度定位和井下各種環境傳感器結合，實現了對井下環境參數、工況參數與時空位置的關聯，通過一系列處理，最終在一張GIS地圖上實時展現了井下綜合工況。系統還提供有擴展接口，可與其他外設對接，實現對井下其他設備的遠程控制及井下人員的統一調度。

系統主要由定位讀卡分站、無線通信定位基站、車輛標識卡、人員標識卡、本安電源、精確定位管理系統等組成。人員精確定位圖如圖1所示，車輛精確定位圖如圖2所示。

圖1 人員精確定位圖

圖2 車輛精確定位圖

4 精確定位系統的算法研究

井下采用的UWB定位系統主要由定位基站和定位標識卡等組成。定位基站或天線通常固定在巷道頂部或巷幫之上，通過光纖或網絡線纜接入井下工業環網。在定位系統中會預先設置好絕對坐標系下的定位基站物理坐標。

設計2根定位天線，一根用來進行TOF測量，一根用來測量相位差，得到目標與分站的角度。借助距離和偏向角度可以計算出目標位置。

定位基站外接天線，發射UWB無線信號與佩戴在人員身上或安裝在車輛之上的定位標簽通信，通過信號到達時間（Time of Arrival,TOA）、到達時間差（Time Difference of Arrival,TDOA）、到達角度（Angle of Arrival,AOA）等，確定移動節點的位置信息。

時間算法測距，由定位基站計算TOF并折算為距離。到達時間差算法結合平面、立體幾何方程進行定位，由定位基站記錄各自收到定位報文的TOA（到達時間），由定位引擎計算關聯定位基站的TDOA，再根據一維定位、二維定位、三維定位的不同算法定位目標。

AOA用于獲得固定節點與移動節點之間的方位信息。

（1）飛行時間定位

TOF測距方法利用信號在2個異步收發機之間往返的時間來測量節點間的距離。UWB可使用雙向飛行時間法（Two Way-Time of Flight,TW-TOF）測距。每個節點從啟動開始即生成一條獨立時間戳信息。TW-TOF定位原理如圖3所示，發射端在T時刻發射信號，接收端在T時刻接收信號，并在T時刻返回信號，T時刻信號又到達發射端。

圖3 TW-TOF定位原理

發射端與接收端的距離為：

式中，c為光速。

三維定位需要移動標識卡至少與3個定位基站進行測距，測距完成后進行位置計算，如圖4所示。

圖4 TOF定位示意圖

（2）到達時間差

基于到達時間差定位法需要定位系統具備精確時間同步功能。定位基站時間同步后，移動標識卡發送一個廣播報文，基站收到后，標記接收到此報文的時間戳，將移動標識卡ID和時間戳發送到定位引擎，定位引擎整合其他基站的定位報文時間戳，計算出被定位目標的位置，結合軟件濾波算法判斷標識卡的行動軌跡和方向，如圖5所示。

圖5 TDOA定位示意圖

實現TDOA定位的難度在于標識卡與基站之間為單向通信，若要獲得準確的距離差信息，基站間必須保持優于納秒級的高精度時間同步。

（3）到達角度

UWB-AOA定位方案已有許多研究成果和硬件解決方案。AOA定位最少借助2個定位基站和1個標識卡完成，也可以通過基于TOF、基于TDOA、基于PDOA（Phase Difference of Arrival,PDOA）方案以及TDOA/PDOA混合方案。其中，基于PDOA的方案提供了最高的角度測量精度。

基于PDOA的AOA估計原理如圖6所示。信號路徑長度的差別（p）與天線A和B之間的距離（d）和到達角度（θ）有關：

圖6 基于PDOA的AOA估計原理

p=d sin(θ)

空間相位差PDOA（α）與p之間的關系如下：

PDOA 與到達角度（θ）的關系如下：

公式推導過程中假設天線A和B具有相同的輻射方向圖，且到達2個天線的波束平行，但這只有在天線陣列互耦效應可忽略不計、標識卡與天線足夠遠的情況下才能實現。當 d＜λ/2時，到達角度（θ）與PDOA有[-π/2,π/2]之間的一一對應關系。

根據TOF、TDOA、AOA等各定位算法（不少于5 000次）的重復定位誤差，分析誤差分布以及誤差與定位距離、時鐘誤差、遮擋效應等因素的相關性，找出適合煤礦井下精確定位的算法，根據煤礦井下應用場景特別是狹長空間內精確定位的需求改進算法，并分析計算每一種定位算法的單次定位時間及每一種定位算法的最大并發量。

5 系統性能與技術指標

定位精度高：精確定位精度，一/二/三維為20/30/50 cm；容量大：單基站每秒處理卡85以上（TOF），基站范圍內識別并發量超300張；通信距離遠：地面空曠區域卡站通信距離1 200 m，井下半徑最遠800 m（考慮可靠性，井下大巷實際距離800 m）；高可靠性：服務器主備部署，主機故障時，備機自動接管，具有雙機熱備等功能，可以做到異卡異頻。考慮系統功耗情況，針對人卡可以做到1 s或2 s傳輸一次，車卡可以0.1 s傳輸一次。

系統技術指標：實現對井下人、車的姿態判斷，例如人的運動、靜止判斷，判斷車輛停止、前進、后退、怠速、上坡、下坡等狀態；多技術融合的定位技術、定位網絡拓撲、定位算法；智能電源遠程供電：智能電源遠程供電2 km，具備遠程管理功能，可從地面實時查看井下電源情況、遠程充放電等；芯片自帶紐扣電源，斷電后可以續航3 h，標識卡電池一次充電工作時間超60天，可與礦燈同步，傳輸誤碼率小于10，傳輸速率大于6.8 Mb/s；管理系統支持桌面版和移動版，可隨時隨地監控對象，真正實現全方位、全時空關注運營安全；以物聯網、大數據和云計算為技術支撐，架設故障分析預警平臺，實現智能化監控和預警。

6 結 語

本文從礦井安全生產、應急救援和保障人員生命財產的角度出發，系統分析了當前礦井井下快速移動目標的定位問題，解決了區域定位系統存在的弊端，提出了基于UWB技術的礦井下快速移動目標精確定位系統的設計與實現。系統可以實現對礦井軌道無人駕駛車輛、井下作業人員、井下運輸車輛、掘進工作面、綜采工作面的高精度定位，真正為井下作業人員、車輛安全生產活動保駕護航。