基于UWB的井下人員定位算法研究

賀磊， 魏明生， 仇欣宇， 唐守鋒， 李文帥， 張旭

（1. 江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

0 引言

瓦斯爆炸、塌方等災(zāi)難嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全，因此有必要建立有效的井下人員精確定位方案，當(dāng)發(fā)生礦難時(shí)，施救人員可對(duì)礦工進(jìn)行精準(zhǔn)定位并展開營救[1]。當(dāng)前井下定位技術(shù)種類較多，如RFID、ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等[2]。這幾種定位技術(shù)基本可滿足井下定位要求，但仍存在信號(hào)傳輸距離短、定位精度較低、功耗較高、易受外界干擾等缺陷[3-5]。超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位技術(shù)采用納秒級(jí)別的脈沖信號(hào)進(jìn)行通信，具有較高的時(shí)間分辨率，適用于非視距環(huán)境下的定位，且定位精度較高，與其他幾種定位技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

UWB定位基于測(cè)距原理，常用的測(cè)距算法包括單邊雙向測(cè)距（Single-Sided Two-Way Ranging，SS-TWR）和雙邊雙向測(cè)距（Double-Sided Two-Way Ranging，DS-TWR）。其中SS-TWR因受時(shí)鐘偏移的影響，誤差較大[6-7]。DS-TWR在測(cè)距雙方之間發(fā)送多條信息，獲得多個(gè)時(shí)間戳，通過加長(zhǎng)測(cè)量周期來提高測(cè)量精度[8]。井下人員定位對(duì)精度要求較高，因此適宜采用DS-TWR測(cè)距算法[9]。根據(jù)測(cè)距信息，通過位置解算算法可得到定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。本文通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)加權(quán)最小二乘（Weighted Least Squares，WLS）算法[10]和CHAN[11]兩種位置解算算法進(jìn)行對(duì)比分析，并通過均方根誤差和誤差累計(jì)分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF）綜合評(píng)估定位精度。

1 DS-TWR測(cè)距模型

DS-TWR測(cè)距模型如圖1所示，其中Tprop為UWB信號(hào)在定位基站與定位標(biāo)簽之間的傳播時(shí)間，可利用定位基站和標(biāo)簽的時(shí)鐘系統(tǒng)記錄的時(shí)間戳T1-T3，-來計(jì)算；……