基于TOA技术的煤矿井下精确人员定位系统研究

吴 畏 刘世森

（中煤科工集团重庆研究院，重庆市九龙坡区，400039）

基于TOA技术的煤矿井下精确人员定位系统研究

吴 畏 刘世森

（中煤科工集团重庆研究院，重庆市九龙坡区，400039）

针对基于RFID技术的人员定位系统定位精度偏低的状况，介绍了一种基于TOA技术的精确人员定位系统。该系统采用TOA技术实现对煤矿井下人员的精确定位，定位精度误差不超过5m，定位距离大于150m，并能实时跟踪井下人员的移动轨迹。

到达时间 精确人员定位 定位精度 定位距离

近年来，随着我国对煤矿安全的日益重视，基于有源RFID技术的人员定位系统在煤矿得到了相应的推广应用，但是这些产品的定位精度较低，不能完全满足煤矿对井下定位的需求。因此，研制一种具有较高定位精度的井下人员定位系统十分迫切。本文采用信号传输到达时间（TOA）的测距模式，设计了一套定位误差最大不超过5m，定位距离大于150m的煤矿井下精确定位系统。

1 到达时间（TOA）定位技术研究

基于TOA技术的煤矿井下精确人员定位系统定位技术包括两次对称测距和一次距离修正，TOA定位测距原理示意图如图1所示。

1.1 第一次测距

第一次测距的具体步骤为：

（1）节点1向节点2发送数据包；

（2）节点1接收节点2的硬件自动应答；

（3）节点1计算出从发出数据包到接收应答的传播延迟T1；

（4）节点2从接收到节点1发送的数据包时开始计时，并在向节点1发出硬件应答后停止计时，得到节点2的处理延迟T2。

图1 TOA定位测距原理示意图

1.2 第二次测距

第二次测距的具体步骤为：

（1）节点2向节点1发送包含T2有效信息的数据包；

（2）节点2接收节点1的硬件自动应答；

（3）节点2计算出传播延迟T3；

（4）节点1计算出自己的处理延迟T4；

（5）节点2向节点1发送包含T3有效信息的数据包。

1.3 距离计算

假设信号的单次传输距离为d，而实际在整个测距过程中得到的信号传输距离为4d，所以单次测量距离d计算由下式得出：

式中：T1——传输延时，ns；

T2——处理延时，ns；

T3——传输延时，ns；

T4——处理延时，ns；

C——光速，m/s。

1.4 结果修正

由于无线通信可能被外界干扰而出现通信中断或误码状况，因此在公式（1）中的参数T2和T3可能出现值为0的情况，导致测距结果出现异常偏差，此时节点1需要根据前面数次的测距结果对本次测距结果进行修正，排除异常值。

2 系统组成

基于TOA技术的煤矿井下人员精确定位系统主要由人员定位分站、读写器和精确定位标签组成，系统在井下布网时将读卡器放置在需要定位的巷道中，所有读卡器均连接到分站。分站对读卡器采用巡检的方式，来获取各个读卡器采集的精确定位标签信息。精确定位标签与读卡器通过TOA测量技术测量出两者之间的距离，并将定位距离通过读卡器上传到分站。精确定位标签若处在信号盲区则处于睡眠状态，一旦进入信号区后将自动启动工作状态。读卡器将根据自身存储情况及分站的信息对附近的精确定位标签进行采集处理，而后传输至分站。

2.1 精确定位标签

精确定位标签由精确定位模块、显示模块、CPU小系统和电源模块构成，精确定位标签结构框图如图2所示。

精确定位标签通过精确定位模块与读卡器进行测距，并将测距结果上传给分站，各个分站将采集到的信息上传到地面监控及调度中心，进而实时显示相应测距信息。

图2 精确定位标签结构框图

2.2 精确定位读卡器

精确定位读卡器主要由精确定位模块、CPU小系统、电源模块、存储模块和外部显示模块组成，精确定位读卡器结构框图如图3所示。

图3 精确定位读卡器结构框图

精确定位读卡器中的精确定位模块与精确定位标签完成测距后，接收精确定位标签上传的数据并记录到存储模块，分站通过RS485接口获取读卡器中所有精确定位标签的测距信息。

3 测试与结果

基于TOA技术的煤矿井下人员精确定位系统具有测距精度高、测量距离远等优点。为验证该精确定位系统在井下环境中的实际效果，在国家煤矿安全工程研究中心清水溪实验巷道中搭建试验系统，并在150m范围内测试读卡器对标签的定位精度数据，精确定位标签静态定位误差和精确定位标签移动定位误差如图4、图5所示。

图4展示了读卡器与精确定位标签在不同距离处的静态定位误差，从该图可以看出在距离读卡器150m内的静态定位误差均在5m之内。

图4 精确定位标签静态定位误差

图5展示了精确定位标签以1.5m/s的速度在距离读卡器0～150m之间的移动定位误差。从该图可以看出，本系统能准确实时的定位出精确定位标签的移动轨迹，同时定位误差均在10m之内。

图5 精确定位标签移动定位误差

4 结语

基于TOA技术的煤矿井下人员精确定位系统能够实时掌握井下人员的准确位置及活动轨迹，地面监控及调度中心能够根据系统提供的数据及时采取相应的救援措施，提高了应急救援的工作效率和井下矿工的安全系数。

［1］ 苟怡，郭海军.精确定位技术在煤矿井下的应用研究［J］.中国煤炭，2010（8）

［2］ 史大伟，何继兰.煤矿井下人员定位系统关键技术探讨［J］.煤矿机械，2010（9）

［3］ 徐春妹.基于TOA的无线定位技术及应用［J］.矿山机械，2007（7）

［4］ 何燕，胡捍英，周山.一种新的TOA无线定位算法［J］.无线电通信技术，2004（1）

［5］ 郭海军，郭江涛.2.4GHz射频技术在煤矿人员定位系统中的应用［J］.矿业安全与环保，2007（6）

［6］ 黄绪勇，李国义，杜鹏等.基于射频技术的井矿智能标识卡的设计［J］.煤矿机械，2010（3）

Accurate person positioning system for coal mine based on TOA technique

Wu Wei，Liu Shisen
（Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Jiulongpo，Chongqing 400039，China）

Aimed at low accuracy of personnel positioning system based on RFID technique，aprecise personnel positioning system based on time of arrival（TOA）technique was described.The accuracy error of positioning is less than 5m，and the positioning distance is greater than 150 m，achieving real－time path tracing of underground workers.

time of arrival，accurate personnel positioning，positioning accuracy，positioning distance

TD76

A

吴畏（1979－），男，汉族，重庆人，工程师，硕士，现就职于中煤科工集团重庆研究院无线通信所，主要研究方向为井下无线通信技术。

（责任编辑 路 强）