基于UWB的矿井人员精准定位技术

刘世森

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037）

及时准确掌握矿工在井下的具体位置在矿井生产方面发挥着重要的作用[1-2]。但是，市场上绝大多数煤矿人员考勤管理系统只能提供区域定位功能，定位精度不高，仅能单向实现井下人员考勤管理，煤矿对利用相应的矿井人员跟踪定位监控设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪定位，随时掌握每个员工在井下活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况等需求迫切[3]。因此，提出一种基于UWB（超宽带）技术的矿井人员精准定位系统设计与实现方法。

1 UWB技术

超宽带UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据[4-5]。由于UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，几乎被湮灭在各种电磁干扰和噪声中，使其具有功耗低、系统复杂度低、隐秘性好、截获率低，保密性好等优点，并且抗多径衰落能力强，有很强的穿透能力，能提供精准的定位精度。

UWB精确定位方式主要有到达时间法（TOA）和时间差定位法（TDOA）[6]。研究主要集中在基于TOA方法为基础的SDS-TWR双边双程测距方法，此方法是通过测量电磁波在空中来回传播时间计算距离，SDS-TWR测距法示意图如图1。

图1 SDS-TWR测距法示意图

节点A在T1时刻发起射频信号;节点B在T2时刻接受射频信号，将数据处理后，在T3时刻回复射频信号；节点A在T4时刻接收到射频信号，处理完节点B的回复信号后，在T5时刻再次发送射频信号（包括T1和T4时间值）；节点B在T6时刻接收到射频信号。节点A 1次往返所花时间为T4－T1，节点B 1 次往返所需时间为 T6－T3，其中，T3－T2为节点 B接受射频信号到发送回复信号的反应时间，T5-T4为节点A接收到节点B回复的射频信号到发送回去的反应时间，这2个时间段不是信号的飞行时间，因此节点A到节点B的距离d为：

式中：C为电磁波在介质中的传播速度，一般以真空中的光速来代替。

SDS-TWR测距法解决了2个节点间需要时钟同步的难题，且能有效降低晶体振荡器频率漂移所带来的测距误差[7-9]，测距精度不受接受灵敏度、信号发送功率和信号传输衰减影响，相比于传统的TOA测距算法测量精度较高，适用于矿井条件下目标精准定位。

2 系统设计

基于UWB技术的矿井人员精准定位系统网络架构为物理层、传输层和应用层,精准定位网络架构图如图2。物理层由标识卡和定位读卡器组成，完成无线测距信息的接受和发送，并且在定位读卡器上计算出定位信息。传输层包括人员管理分站和由交换机组成的以太网传输平台，传输分站具备RS485口和光通信接口，它通过RS485巡检定位读卡器，并且通过光纤将定位信息传输至以太网，上传至应用层服务器进行存储，实时显示煤矿井下人员的具体位置。

3 定位原理

定位读卡器采用基于UWB技术的双测距射频模块设计，定位原理模块框图如图3，分为左射频和右射频。2个射频模块通过馈线连接2个相同的天线。2根天线之间的距离为s，规定s的值为1 m。定位卡采用SDS-TWR测距方法分别与左射频和右射频进行测距，其距离值为d1和d2。

定位卡相对于定位读卡器方向的判定机制如下：①d1-d2>s时，标识卡在定位读卡器的右边，距离为d2；②d1-d2

图2 精准定位网络架构图

图3 定位原理模块框图

定位卡与定位读卡器的定位过程如下：

1）定位卡周期性地发送广播包，定位读卡器左射频接受到广播后，回复包含测距时隙的数据包，保证标识卡在单个时隙里与定位读卡器测距。

2）与定位读卡器测距，定位卡扫描网络成功后，在规定的时隙里分别与定位读卡器的左射频模块和右射频模块测距。首先由定位读卡器的右射频模块主动发起测距，采用SDS-TWR方式在标识卡本地计算与右射频模块的距离，然后，标识卡主动发起测距（包含标识卡与右射频模块距离值），采用SDSTWR方式有定位读卡器左射频模块进行测距，由定位读卡器根据2次距离测量值进行定位卡方向判别，定位卡与定位读卡器测距完成后休眠。

4 时分复用防碰撞算法

AQ 6210—2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》中要求人员定位系统并发识别数量不少于80张标识卡。当多个标识卡同时进入定位读卡器内，会产生无线信号碰撞，导致定位失败。系统采用时分复用技术解决无线信号碰撞问题，多标签时隙分配机制如图4。定位读卡器的左射频模块和右射频模块分别采用不同信道，其中左射频模块负责每个标签处于正确的时隙，避免定位卡之间发生碰撞。当左射频模块接受到来自定位卡的广播请求帧，它向定位卡回复包含发起定位时间的数据帧。定位卡在固定的时隙里依次与定位读卡器的左射频模块和右射频模块进行测距，当测距完成以后，定位卡进入休眠，并且在下一个时隙到来时再次被唤醒，与定位读卡器进行测距。

图4 多标签时隙分配机制

5 试验结果分析

为了测试矿井人员精准定位监测系统的定位精度和最大覆盖距离，搭建了测试平台，包括1台测试电脑、1台定位读卡器和20张定位卡。

在国家煤矿安全工程研究中心清水溪瓦斯爆炸实验基地搭建试验系统，分别测试了20张卡在50、100、150、200、300 m的定位精度，为了减小试验误差，每个点测试10次，去除最大值和最小值后，参考文献[10]中定位精度评价方法，取平均值作为测量距离，测量距离减去实际距离的差值的绝对值作为系统的定位精度。随机选取其中的5张卡进行分析。定位精度测试数据见表1。

表1 定位精度测试数据

分析试验结果，每张卡的的距离值都在误差范围之内，在距离较远时，系统的收到的多径干扰影响程度反而减小，同时丢包率控制在3%以内。试验结果表明，系统定位精度保持在0.3 m以内，视距范围内有效覆盖范围达到300 m以上，满足矿井人员的精确定位过程。

6 结语

针对矿井巷道一维线性空间特征，设计了一套基于UWB定位技术和SDS-TWR测距算法的矿井人员精准定位系统，采用单个读卡器实现方向判断，采用时分复用技术解决无线信号冲突问题，保证了定位成功率，试验结果表明，该系统定位精度在0.3 m以内，有效覆盖半径达到300 m，满足矿用实际需求。