CN102213755B - 煤矿井下超宽带定位方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下超宽带定位方法及***。本方法是一种带状小区两步定位法，沿巷道划分多个连续重叠的带状定位服务小区，计算各参考点标称区间，目标根据其对各RSS数据进行滤波，测算目标所在区域范围，再利用基于累积平均加权处理的混合定位方法，得到目标精确位置。本***包括上层终端，定位数据服务器，地面监控终端，交换机，本质安全型网关，本质安全型无线中继，本质安全型参考点终端，以及本质安全型定位终端。本发明的超宽带定位方法及***具有抗干扰能力强、定位精确、***设备结构简单、功耗低，更加适合巷道工作环境，并满足煤矿井下特定的使用环境与安全要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位方法及***，具体地说，是涉及一种煤矿井下超宽带精确定位方法及***。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，但由于我国的煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，开采技术水平相对落后，生产人员素质较低，导致我国煤矿生产的事故频发，煤矿安全问题严重制约了我国煤炭工业的健康发展。一旦发生事故，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。因此有必要研究煤矿井下目标精确定位方法与***，这是矿井安全生产的重要保障和应急救援必要手段，同时对提高生产效率、保障井下人员的安全、灾后及时施救与自救都具有十分重要的意义。
我国煤矿井下是一个特殊的受限环境，它是由各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道组成，其长度可达几十到上百公里，且在工作面处巷道的长度是变化的，因此矿井巷道目标定位同一般建筑物内、公路、铁路隧道等限定空间的目标定位相比，其服务半径较大。煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，因此，定位设备必须是防爆型电气设备，并宜采取安全性能好的本质安全型防爆措施。无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。矿井巷道空间狭小，定位设备的体积、特别是天线体积不能很大。本质安全型防爆电气设备的最大输出功率为25W左右，为将矿井定位设备制成本质安全型防爆电气设备，设备的发射功率一般较小。由于巷道相对密闭，不能借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下定位。由此可见，地面成熟的定位方法无法直接应用于井下。
目前定位方法主要分为三类：接近式定位、推算定位和无线电定位。前两种方法是基于非测距的定位方法，而无线定位算法是基于测距的定位方法，它通过测量节点间距离或角度信息计算节点位置，更具可靠性。无线电定位又可以分为卫星无线电定位和地面无线电定位。卫星定位则利用GPS、GLNOASS、伽利略、我国的北斗双星等卫星***的多个卫星实现移动目标的三维位置定位；地面无线定位是通过测量无线电波从发射机到接收机的参数来实施移动目标的定位。传统的无线电定位方法，按照所检测的特征测量值的不同，分为以下几种：到达角度定位(AOA)，接收信号强度定位法(RSS)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。RSS是测量接收信号的强度值，然后根据已知的信道衰落模型及发射信号场强值来测算参考点与目标点之间的距离，进而实现定位。TOA就是测量出两个(或多个)已知参考点与目标点之间的信号传播时间，分别得出目标点与参考点之间的距离，然后以各参考点位置为圆心，以测得的距离为半径画圆，可以得到两个(或多个)圆，这些圆的交点从理论上讲就应该是目标节点在二维平面的位置。TDOA采用了测量目标点发射信号到达两不同已知参考点接收机的时间差来实现定位。通过测量出两个参考点和目标点之间的到达时间的差值，从而得出目标点与参考点之间的距离。AOA是利用参考点接收机上的阵列天线来测量目标点发射机到达信号的角度来实现定位的。
上述方法可以利用不同媒介来实现。目前，我国的井下人员无线定位***主要以射频识别RFID或PHS技术来实现，它是一种二级集散式的监测***实现对井下人员位置监测，显示人员身份等信息。国内外针对煤矿井下的定位方法及***还有：WiFi、ZigBee，以及红外、超声波、蓝牙等。但上述方法和***都存在这以下问题：RFID方法信号不稳定，漏读本身决定了定位精度取决于基站的密度，这就限制了定位精度的提高；红外线穿透性差，只适合短距离传输，且容易被荧光灯或直射光干扰；超声波在多径环境下效果差；无线局域网技术要求被定位的物体必须支持无线局域网，且定位精度低；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；基于Zigbee、WiFi等技术的计算电磁波能量的定位***，目前国内已有相关产品出现，如KJ361等，由于这些技术自身的特点决定，在用于位置检测时这类***难以达到很好的精度，基于Zigbee、WiFi等技术的定位***在地面室内环境的应用情况也不理想。
超宽带技术采用极宽的频谱或极窄脉冲传送信息，具有很强的时间分辨能力，特别在使用基于到达时间的定位方法时能达到很高的精度，因此超宽带技术用作定位是有“天然”的优势，而考虑到宽频谱会对周围近距离其他无线信号造成干扰，在地面超宽带的主要应用领域就是目标定位。目前地面主要的超宽带定位***有：LocahzerS***是由美国AETHERWIRE&LOCATION开发的室内定位***，测量范围为30-60m，测距精度为1cm；Sapphire***是由MultisPeetralsolutions公司开发的超宽带室内定位***，测量分辨率为1ns，定位精度是0.3m，经过数据平滑后可到达0.1m；Unbise室内定位***是由美国的Unbise公司开发的室内定位***，定位精度是15cm。唐恩科技开发出国内第一套民用UWB定位***iLocateTM无缝定位***，定位精度是15cm。
超宽带相对红外、超声波、蓝牙等方法，不需要产生正弦载波，结构简单、实现成本低；超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，抗干扰能力强；超宽带***使用脉冲的持续时间一般在0.20ns～2ns之间，有很低的占空比，在高速通信时***的耗电量仅为几百uW至几十mW，功耗低。而且井下封闭环境不受频率使用的限制。因此，基于超宽带的定位技术也应该非常适合在煤矿井下使用。
现有的超宽带定位方法和***大都采用单一的基于时间定位方法，或者结合基于时间和基于角度的定位方法。但巷道内存在大量的水汽、粉尘等，发射天线发出的每一个脉冲都会发生反射、散射、绕射等现象，沿着不同的路径到达接收端，这就给定位时间参数的测算带来很大的困难。不仅如此，由于巷道的几何形状的约束和定位成本的限制，定位参考节点不能在一个平面空间内随机的、密集的部署，只能沿巷道方向部署，而单一的基于时间的定位方法的精确度要求至少三个以上的参考点才能保证。此外，AOA定位法需要是由阵列天线，***设备比较昂贵、复杂，设备体积比较庞大，不适合矿井巷道使用。所以，地面现有的超宽带定位***不能直接应用于矿井巷道。
发明内容
为克服以上不足，特别是为了克服矿井定位***覆盖范围小、抗干扰能力差、定位精确度低、巷道中定位参考点的布置数量及布置密度受限、矿井定位设备体积受限，超宽带信号在矿井巷道中传输时多径效应严重等问题，本发明提供了一种精确实时的煤矿井下超宽带定位方法及***。该方法及***充分利用超宽带技术抗干扰能力强、定位精确、***设备结构简单、功耗低等特点，并结合矿井巷道实际工作环境，利用有限的参考点，实现实时精确地目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于带状小区的超宽带两步定位方法：根据煤矿井下巷道环境，用一个个连续的带状小区重叠着串起来覆盖整个巷道，并根据各小区计算参考点的标称区间；目标定位时，首先根据标称区间对接收信号强度数据进行滤波，并根据滤波结果确定参与目标精确定位参考点，认为目标在所选参考点的定位服务小区的交叠区域；在测算的目标所在区域范围内，以累积平均的方式获得所选各参考点的接收信号强度数据和到达时间数据，并计算得到两组距离值，通过加权计算确定目标的精确位置。
所述煤矿井下超宽带定位方法，包括以下步骤：
A.根据巷道分布及工作环境，布设定位参考点，沿巷道走向划分各参考点的定位服务区域，计算各参考点的标称区间；
B.收集各参考点发射的定位信号的接收信号强度数据，根据所述标称区间对接收信号强度数据进行滤波；
C.根据滤波结果，确定参与目标精确定位的参考点，并根据所选参考点定位服务区域测算目标所在区域范围；
D.收集所选参考点发射的定位信号的到达时间数据和接收信号强度数据，利用混合定位方法测算所述目标的精确位置。
所述步骤A包括下列步骤：
A1.在巷道的同一侧同一高度上沿一定的距离，布设定位参考点，且在巷道拐弯处布置一个弯道参考点；
A2.以各参考点为中心，沿巷道划分连续重叠的带状小区，认为所述小区为各中心参考点的定位服务区域；
A3.根据所述定位服务区域范围，计算各小区内目标到中心参考点的最大距离和最小距离，即目标到中心参考点的距离取值区间；
A4.根据各参考点发射信号的强度以及所述各距离取值区间，计算各小区内目标接收到中心参考点发射的定位信号的接收信号强度数据取值区间，认为所述接收信号强度数据取值区间为中心参考点的标称区间。
所述到达时间数据和接收信号强度数据是从所述参考点发射的超宽带信号中得到。
所述步骤B中，根据所述各参考点的标称区间对各接收信号强度数据进行过滤，滤除所述接收信号强度数据中的异常值。
所述异常值是信号反射所引起的将导致定位误差的接收信号强度数据，以及由于参考点距离目标较远导致接收信号包含多径信号的接收信号强度数据。
所述步骤C包括下列步骤：
C1.根据滤波结果，确定参与目标精确定位的参考点；
C2.根据所选参考点的定位服务区域，测算目标所在区域范围，认为目标在所选参考点定位服务小区的交叠区域。
所述步骤D中混合定位方法包括下列步骤：
D1.目标向所选各参考点发送定位令牌信息，并记录发送时间t0；
D2.所选参考点接收到所述信息后，延迟时间τ1，将延迟时间以及所述信息发送回目标；
D3.目标接收到所选参考点发射的回复信息后，提取接收信号强度数据，并再次向所选参考点发送定位令牌信息，重复步骤D2和D3，并如此往复N次，对应所选各参考点得到一个接收信号强度数据序列Pij(i＝0，1，...，N)，以及记录目标最后一次接收到参考点发射的回复信息的时间t1j，其中j表示所选第j个参考点，i表示累积次数；
D4.当多个接收信号来自同一个参考点，认为接收信号强度数据较大的信号为定位信号；
D5.根据所述记录时间t0，t1j，计算所选各参考点的到达时间数据：其中j表示所选第j个参考点；
D6.根据所述各接收信号强度数据序列Pij(i＝0，1，...，N)，计算所选各参考点的接收信号强度数据：其中j表示所选第j个参考点，i表示累积次数；
D7.根据所选各参考点的到达时间数据和接收信号强度数据，计算得到两组目标与所选各参考点的距离值dTOAj＝c*τj和
其中c为超宽带信号在巷道中传输速度，k为信道参数，j表示所选第j个参考点；
D8.根据实测巷道内超宽带传输数据，确定接收信号强度定位方法和到达时间定位方法的误差概率分布fRSS和fTOA，利用确定目标与所选各参考点的距离值dj，其中j表示所选第j个参考点；
D9.根据所选各参考点的位置得到方程组确定目标所在位置，其中j表示所选第j个参考点，(x，y)为目标位置，(xj，yj)为所选第j个参考点的位置。
所述的方法通过一个直接序列脉冲超宽带***来实现。
一种煤矿井下超宽带定位***，包括井上设备和井下设备，所述井上设备包括上层终端，定位数据服务器，地面监控终端，交换机；所述井下设备包括本质安全型网关，本质安全型无线中继，本质安全型参考点终端，以及本质安全型定位终端；定位数据服务器和地面监控终端通过交换机与本质安全型网关构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给上层终端；巷道内本质安全型网关通过总线挂接在交换机上；本质安全型定位终端由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型定位终端，本质安全型参考点终端，本质安全型无线中继以及本质安全型网关构成脉冲超宽带无线定位网络；
所述定位数据服务器，接收并存储定位终端位置数据；
所述地面监控终端，记录本质安全型参考点终端的位置信息；划分定位服务小区；计算各本质安全型参考点终端标称区间，并发送给本质安全型参考点终端；计算接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布；接收本质安全型定位终端发送的与所选各本质安全型参考点终端的两组距离信息，根据接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布对其加权计算，并根据所选各本质安全型参考点终端位置信息计算本质安全型定位终端位置，并发送给定位数据服务器以及上层终端；
所述交换机和所述本质安全型无线中继转发标称区间信息以及实时距离信息；
所述本质安全型网关接收本质安全型无线中继发送的超宽带无线数据，并将其转换成有线数据发送给交换机；接收交换机发送的有线数据，并将其转换成超宽带无线数据发送给本质安全型无线中继；
所述本质安全型参考点终端分配唯一的标识码；从地面监控终端获取其标称区间信息；接收本质安全型定位终端发送的定位令牌信息，并延迟一定时间，将其标识码、标称区间、延迟时间以及所述信息发送回本质安全型定位终端；
所述本质安全型定位终端分配唯一的标识码；每隔一段时间广播定位令牌信息，并接收本质安全型参考点终端回复的定位信息，提取接收信号强度数据，解析信息中本质安全型参考点终端的标识码和标称区间，过滤各接收信号强度数据，确定参与目标精确定位的本质安全型参考点终端；对所选本质安全型参考点终端连续N次发送定位令牌信息，记录发送时间、各接收信号强度，以及接收到所选各本质安全型参考点终端回复的最后一条定位令牌信息的时间；根据混合定位方法计算两组距离值，将其发送给地面监控终端。
所述地面监控终端包括：处理器单元、参考点标识存储单元、电源接口、误差概率分布存储单元、参考点位置存储单元和有线接口。
所述本质安全型网关包括：CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、接口转换单元、电源接口、无线接口单元、超宽带天线和开关电路。
所述本质安全性参考点终端包括：处理器、标识码存储单元、电池、标称区间存储单元、延迟器、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、超宽带天线和开关电路。
所述本质安全型定位终端包括：处理器、标识码存储单元、电池、用户接口单元、信号强度滤波电路、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、信号特征存储单元、信号特征采集器、超宽带天线和开关电路。
所述井下设备均采用本质安全型防爆设备。
本发明的有益效果在于：
1.通过采用强时间分辨能力的超宽带信号，由于信号占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，大大提高了定位方法和***的抗干扰能力。同时超宽带技术的使用，使终端设备的功耗大幅降低。且因为不需要采用复杂的调制解调技术，使得***设备结构简单，体积小，适合井下特殊环境的使用。
2.通过两步定位方法实现目标的精确定位，第一步测算目标所在区域范围时，通过采用连续重叠的带状结构划分各参考点的定位服务区域，使得定位方法更加符合巷道狭长的特点。同时利用接收信号强度方法将目标锁定在距离较近的参考点的定位服务区域内，大大降低了因信号长距离传输产生的多径效应对定位精度的影响，从而弱化了对参考点位置精度的依赖，对参考点的布置密度要求不高。
3.第二步目标精确定位时，通过N次累积后平均的处理方法得到所选各参考点的到达时间数据和接收信号强度数据，减少了非理想的信道环境造成测量值的偏差，使得计算得到的两组距离值更加精确，其中N的数值根据定位精度要求来灵活选取。
4.通过分析到达时间定位方法的误差来源，以及超宽带信号在巷道中的路径损耗模型，确定接收信号强度定位方法和到达时间定位方法的误差概率分布，并对两组距离值加权处理，降低了单一测距方法在计算过程中的误差，使得最终定位结果更加精确。
5.通过采用以树形为主结合总线型的网络结构，在***某一末端设备发生故障时，不会影响***其他部分的正常运行，提高了***的抗灾变能力。同时，针对不同矿井巷道布局和分支数不同，该***结构提供了更为方便的扩充手段。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明的第一步测算目标所在区域范围方法原理图；
图2是本发明的定位***组成框图；
图3是本发明的定位方法流程图；
图4是本发明的地面监控终端电路框图；
图5是本发明的本质安全型网关电路框图；
图6是本发明的本质安全型参考点终端电路框图；
图7是本发明的本质安全型定位终端电路框图；
图中，1、定位数据服务器；2、地面监控终端；3、交换机；4、上层终端；5、本质安全型网关；6、本质安全型无线中继；7、本质安全型参考点终端；8、本质安全型定位终端。
具体实施方式
下面结合上述附图中所列的实施例对本发明进行进一步说明。首先对本发明提供的方法中第一步测算目标所在区域范围方法进行描述。参照图1，首先根据矿井工作环境，沿巷道走向，在巷道同一侧同一高度上布设定位参考点，以各参考点为中心，将巷道划分成多个连续重叠的带状小区。小区的划分必须保证巷道无缝覆盖，且参与第二步目标精确定位的参考点数量至少为两个，每个小区即为中心参考点的定位服务区域。如图1所示，每个圆即为一个小区，根据每个小区的范围，可以计算目标进入该小区时，中心参考点与目标之间距离的范围[djmin，djmax](djmin，djmax分别为第j个小区内中心参考点与目标间距离的最小值和最大值)。在已知参考点发射信号功率的前提下，基于接收信号强度定位方法，可以计算目标进入该小区时，接收到来自中心参考点的定位信号的接收信号强度测量值区间[Pjmin，Pjmax](Pjmin，Pjmax分别为目标接收到第j个参考点定位信号强度的最小值和最大值)，则此接收信号强度测量值区间即为中心参考点的标称区间。当目标定位时，首先测量来自多个参考点的定位信号的接收信号强度值Pj，并分别与相应参考点的标称区间[Pjmin，Pjmax]比较，若Pj∈[Pjmin，Pjmax]，则表示目标在第j个参考点的定位服务区域之内，并选择该参考点参与下一步目标精确定位，这样根据所选取的参考点以及相应的定位服务小区可以测算目标所在的位置范围。如图1所示，通过第一步测算目标所在位置范围的方法，确定参与下一步目标精确定位的参考点为参考点1和参考点2，则目标在参考点1和参考点2定位服务小区的重叠区域；若目标进入斜线阴影区域，则根据第一步测算目标所在区域范围的方法，可以确定参与目标精确定位的参考点为参考点1、参考点2和参考点3。
图2是本发明定位***组成框图。如图2所示，本发明煤矿井下超宽带***包括井上设备和井下设备两部分。井上设备包括上层终端4，定位数据服务器1，地面监控终端2，交换机3；井下设备包括本质安全型网关5，本质安全型无线中继6，本质安全型参考点终端7，以及本质安全型定位终端8。定位数据服务器和地面监控终端通过交换机与本质安全型网关构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给上层终端；巷道内本质安全型网关通过总线挂接在交换机上；本质安全型定位终端由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型定位终端，本质安全型参考点终端，本质安全型无线中继以及本质安全型网关构成脉冲超宽带无线定位网络。
定位数据服务器1与地面监控终端2连接，接收并存储来自地面监控终端2的目标位置数据。地面监控终端2，根据每个本质安全型参考点终端的安装位置以及巷道分布，确定每个本质安全型参考点终端的位置数据，再根据图1所示划分各本质安全型参考点终端7的定位服务小区，并根据本质安全型参考点终端7发射功率计算各标称区间，通过交换机3，本质安全型网关5以及本质安全型无线中继6向各本质安全型参考点终端7发送标称区间信息；根据实测巷道内超宽带信号传输数据，确定接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布；接收本质安全型定位终端8发送的与所选各本质安全型参考点终端的两组距离信息，根据接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布对其加权计算，并根据本质安全型参考点终端7位置信息计算本质安全型定位终端8位置，并发送给定位数据服务器1；通过Internet网络将本质安全型定位终端位置数据发送给上层终端4。交换机3和本质安全型无线中继5连接，在地面监控终端2与本质安全型参考点终端7、本质安全型定位终端8之间交换标称区间信息以及实时距离信息。本质安全型网关5负责数据在不同网络之间转换，接收本质安全型无线中继5发送的超宽带无线数据，并将其转换成有线数据发送给交换机3；接收交换机3发送的有线数据，将其转换成超宽带无线信号发送给本质安全型无线中继5。本质安全型参考点终端7分配唯一的标识码，向地面监控终端2发送其标识码，并从地面监控终端2获取其标称区间信息；与本质安全型定位终端8建立无线连接，接收其发送的定位令牌信息，并延迟一定时间，将其标识码、其标称区间、延迟时间以及所述信息发送回本质安全型定位终端8。本质安全型定位终端8分配唯一的标识码；每隔一段时间向周围广播定位令牌信息，并接收各本质安全型参考点终端7发送的定位信息，提取接收信号强度数据，解析定位信息中本质安全型参考点终端的标识码和标称区间，根据各标称区间对各接收数据滤波，确定参与目标精确定位的本质安全型参考点终端；对所选本质安全型参考点终端7连续N次发送定位令牌信息，记录发送时间、各接收信号强度，以及接收到所选各本质安全型参考点终端7最后一条定位令牌信息的时间；根据混合定位方法计算两组距离值，将其发送给地面监控终端。
图3是本发明的定位方法流程图。如图3所示，本发明煤矿井下超宽带定位方法包括以下步骤：
A.根据巷道分布及工作环境，布设本质安全型参考点终端，地面监控终端确定各本质安全型参考点终端位置，如图1所示划分各本质安全型参考点终端的定位服务小区，并计算各参考点标称区间，并将其发送至各本质安全型参考点终端；根据实测巷道中超宽带传播数据计算接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布；
B.本质安全型定位终端收集各本质安全型参考点终端发射的定位信号的接收信号强度数据，根据所述各标称区间对接收信号强度数据进行滤波；
C.根据滤波结果，确定参与目标精确定位的本质安全型参考点终端，并根据所选参考点终端定位服务区域测算目标所在区域范围；
D.本质安全型定位终端收集所选本质安全型参考点终端发射的定位信号的到达时间数据和接收信号强度数据，利用混合定位方法计算所述目标的精确位置。
步骤A包括下列步骤：
A1.在巷道的同一侧同一高度上，沿一定的距离，布置本质安全型参考点终端，且在巷道拐弯处要布置一个弯道参考点，地面监控终端标定各参考点终端位置；
A2.以各本质安全型参考点终端为中心，地面监控终端沿巷道划分连续重叠的带状小区，认为所述小区为各中心参考点终端的定位服务区域；
A3.地面监控终端根据所述定位服务区域范围，计算每个小区内本质安全型定位终端到中心本质安全型参考点终端的最大距离和最小距离，即目标到中心参考点的距离取值区间；
A4.地面监控终端根据各参考点终端发射信号的强度以及各距离取值区间，计算各小区内定位终端接收参考点终端发射的定位信号的接收信号强度数据取值区间，并将各接收信号强度数据取值区间作为各参考点终端的标称区间。同时，根据实测巷道中超宽带传播数据计算接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布。
步骤B中，本质安全型参考点终端首先从地面监控终端获取其标称区间，当本质安全型定位终端进入巷道后，每间隔一定时间向周围广播定位令牌信号，本质安全型参考点终端接收到所述信号后，将其标识码、标称区间以及接收到的定位令牌信号打包发送给定位终端，定位终端接收到回复信息后，根据提取的各参考点终端的标称区间对各接收信号强度数据进行过滤，滤除所述接收信号强度数据中的异常值。所述的异常值是信号反射所引起的将导致定位误差的接收信号强度数据，以及由于参考点终端距离定位终端较远可能会导致接收信号包含多径信号的接收信号强度数据。
步骤C包括下列步骤：
C1.根据滤波结果，本质安全型定位终端提取剩下的接收信号中各本质安全型参考点终端的标识码，则认为这些本质安全型参考点终端即为参与目标精确定位的参考点终端；
C2.根据所选本质安全型参考点终端的定位服务区域，测算目标所在区域范围，认为目标在所选参考点终端的定位服务小区的交叠区域。
步骤D中混合定位方法包括下列步骤：
D1.本质安全型定位终端向所选各本质安全型参考点终端发送定位令牌信息，并记录发送时间t0；
D2.所选各本质安全型参考点终端接收到定位令牌信息后，延迟时间τ1，将所述定位令牌信息连同其标识码、标称区间以及延迟时间发送给本质安全型定位终端；
D3.本质安全型定位终端收到回复信息后，提取各接收信息的本质安全型参考点终端标识码以及接收信号强度数据，重复步骤D2和D3，并如此往复N次，对应所选各本质安全型参考点终端得到一个接收信号强度数据序列Pij(i＝0，1，...，N)，以及记录本质安全型定位终端最后一次接收到所选各本质安全型参考点终端发射的回复信息的时间t1j，其中j表示所选第j个参考点，i表示累积次数，N的数值根据定位精度要求来灵活选取；
D4.当多条接收信号对应同一个本质安全型参考点终端，则认为接收信号强度数据较大的信号作为定位信号；
D5.根据记录时间t0，t1j，计算所选各本质安全型参考点终端的到达时间数据：其中j表示所选第j个参考点；
D6.根据各接收信号强度数据序列Pij(i＝0，1，...，N)，计算所选各本质安全型参考点终端的接收信号强度数据：
其中j表示所选第j个参考点，i表示累积次数；
D7.根据所选各本质安全型参考点终端的到达时间数据和接收信号强度数据，分别得到两组本质安全型定位终端与所选各本质安全型参考点终端的距离值dTOAj＝c*τj和
并发送给地面监控终端，其中c为超宽带信号在巷道中传输速度，k为信道参数，其中j表示所选第j个参考点；
D8.地面监控终端根据接收信号强度定位方法和到达时间定位方法的误差概率分布fRSS，fTOA，利用
得到本质安全型定位终端与所选各本质安全型参考点终端的距离值，并根据所选各本质安全型参考点终端位置列出方程组
计算本质安全型定位终端的精确位置，其中j表示所选第j个参考点，(x，y)为目标位置，(xj，yj)为所选第j个参考点的位置。
图4是本发明地面监控终端电路框图。如图4所示，地面监控终端2包括处理器单元20、误差概率分布存储单元21、电源接口22、参考点标识存储单元23、参考点位置存储单元24和有线接口25。误差概率分布存储单元21、电源接口22、参考点标识存储单元23、参考点位置存储单元24和有线接口25均与处理器单元20相连。地面监控终端误差概率分布存储单元21、参考点标识存储单元23和参考点位置存储单元24包括SDRAM和FLASH。地面监控终端有线接口与定位数据服务器以及交换机相连，并通过Internet与上层终端相连，构成有线网络。地面监控终端根据每个本质安全型参考点终端的安装位置以及巷道分布，确定每个本质安全型参考点终端的位置数据，并将其存入参考点位置存储单元，并将对应各参考点标识码存入参考点标识存储单元。再根据图1所示沿巷道划分各本质安全型参考点终端的定位服务小区，并通过处理器单元计算各标称区间，并将之存入参考点标识存储单元。根据到达时间定位方法原理可知，其误差包括测量误差和非视距情况产生的误差，测量误差一般服从零均值高斯随机分布。根据接收信号强度定位方法原理，其误差由超宽带信号的路径损耗模型决定，即接收信号功率由发射功率、大尺度衰落、阴影衰落和小尺度衰落决定，可表示为：
其中，PR为接收信号功率；PT为发射信号功率；
为大尺度衰落值，且
k为信道参数；
为阴影衰落值；
为小尺度衰落值。因此，当定位工作开始之前，实测巷道中本质安全型定位终端接收本质安全型参考点终端发射的超宽带信号的到达时间数据以及接收信号功率值，并根据实测数据以及本质安全型参考点终端发射功率确定非视距误差分布、阴影衰落和小尺度衰落误差分布，最终计算得到到达时间定位方法和接收信号强度定位方法的误差概率分布，并存入误差概率分布存储单元。地面监控终端通过有线接口接收本质安全型参考点终端发送的信息，处理器单元提取信息中标识码，并与参考点标识存储单元中参考点终端标识码比对，查询到参考点标识存储单元中相应的标称区间，通过有线接口将其发送回参考点终端；定位时，从有线接口获取井下各本质安全型定位终端发送的与所选各本质安全型参考点终端的两组距离信息，处理器单元根据误差概率分布存储单元存储的两种定位方法误差概率分布信息，对两组距离信息加权，并最终得到各本质安全型定位终端与所选各本质安全型参考点终端的距离值；同时根据所述信息中参考点终端的标识码，查询参考点位置存储单元，计算定位终端位置，并将其发送给定位数据服务器，并通过Internet网络将目标位置数据发送给上层终端。
图5是本发明本质安全型网关电路框图。井下本质安全型网关通过总线挂接在交换机上。本质安全型网关完成有线网络和无线网络之间数据转换，它接收本质安全型无线中继发送的超宽带无线数据，并将数据发送给交换机；接收交换机发送的有线数据，将其转换成超宽带无线信号发送给本质安全型无线中继。如图5所示，本质安全型网关5包括接口转换单元50、有线接口单元51、电源接口52、无线接口单元53、超宽带天线54A和开关电路54B。其中，有线接口单元51包括FF总线接口51A、LONWORKS总线接口51B、PROFIBUS总线接口51C、CAN总线接口51D，其分别与接口转换单元50相连；无线接口单元53包括超宽带信号产生单元53A、超宽带接收单元53B，其分别与接口转换单元50相连。开关电路即为天线模式开关，用于超宽带信号发射和接收之间的转换。超宽带信号产生单元53A包括DS-UWB编码电路和窄脉冲产生电路，用于将待发射数据转换成直接序列脉冲超宽带信号；超宽带接收单元53B包括相关器和DS-UWB解码电路，用于从接收到的直接序列脉冲超宽带信号中提取数据。超宽带天线54A和开关电路54B与无线接口单元53相连，完成数据的无线发射和接收。接口转换单元主要完成协议转换，实现有线网络和无线网络之间的数据交换。
图6是本发明本质安全型参考点终端电路框图。如图6所示，本质安全型参考点终端7包括处理器70、标识码存储单元71、电池72、标称区间存储单元73、延迟器74、超宽带信号产生单元75、超宽带接收单元76、超宽带天线77A和开关电路77B。标识码存储单元71、电池72、标称区间存储单元73、延迟器74、超宽带信号产生单元75、超宽带接收单元76均与处理器单元70相连。本质安全型参考点终端标识码存储单元71和标称区间存储单元73和包括SDRAM和FLASH。开关电路即为天线模式开关，用于超宽带信号发射和接收之间的转换。超宽带信号产生单元75包括DS-UWB编码电路和窄脉冲产生电路，用于将待发射数据转换成直接序列脉冲超宽带信号；超宽带接收单元76包括相关器和DS-UWB解码电路，用于从接收到的直接序列脉冲超宽带信号中提取数据。超宽带天线77A和开关电路77B与处理器70相连，完成数据的无线发射和接收。延迟器74用于产生本质安全型参考点终端的发射延迟。本质安全型参考点终端通过标识码存储单元获得唯一的标识码，并通过超宽带信号产生单元、开关电路和超宽带天线向地面监控终端发送其标识码，并通过超宽带天线、开关电路以及超宽带接收单元从地面监控终端获取其标称区间信息，将其存入标称区间存储器。本质安全型参考点终端通过超宽带天线和开关电路与本质安全型定位终端建立超宽带无线连接，通过超宽带天线以及超宽带接收单元接收其发送的定位令牌信息，并通过延迟器延迟一定时间，将所述信息、延迟时间以及其标识码和标称区间通过超宽带信号产生单元和超宽带天线发送给本质安全型定位终端。同时，本质安全型参考点终端还配备有防爆外壳，以及电池。
图7是本发明本质安全型定位终端电路框图。如图7所示，本质安全型定位终端8包括处理器80、标识码存储单元81、电池82、用户接口单元83、信号强度滤波电路84、超宽带信号产生单元85、超宽带接收单元86、信号特征存储单元87、信号特征采集器88、超宽带天线89A和开关电路89B。标识码存储单元81、电池82、用户接口单元83、信号强度滤波电路84、超宽带信号产生单元85、超宽带接收单元86均与处理器80相连。信号强度滤波电路84与信号特征存储单元87相连，并通过处理器80获取标称区间，用于对采集的接收信号强度数据进行滤波。信号特征采集器88与开关电路89B相连，用于提取接收的参考点发射的定位信号的接收信号强度数据和到达时间数据；与信号特征存储单元87相连，将采集的信号特征数据存入信号特征存储单元。本质安全型定位终端标识码存储单元81和信号特征存储单元87包括SDRAM和FLASH。本质安全型定位终端标识码存储单元用于存储目标的标识码以及参与第二步目标精确定位的本质安全型参考点终端的标识码。超宽带信号产生单元85包括DS-UWB编码电路和窄脉冲产生电路，用于将待发射数据转换成直接序列脉冲超宽带信号；超宽带接收单元86包括相关器和DS-UWB解码电路，用于从接收到的直接序列脉冲超宽带信号中提取数据。超宽带天线89A和开关电路89B与处理器80相连，完成数据的无线发射和接收。开关电路89B即为天线模式开关，用于超宽带信号发射和接收之间的转换。本质安全型定位终端用户接口单元83包括移动台LCD显示屏和键盘。本质安全型定位终端通过标识码存储器获得唯一的标识码；通过超宽带信号产生单元、开关电路和超宽带天线每隔一段时间向周围广播定位令牌信息；通过超宽带天线、开关电路和超宽带接收单元接收本质安全型参考点终端发送的定位数据；通过信号特征采集器获得各接收信号的接收信号强度数据，存入信号特征存储单元；利用处理器提取各接收信号中标称区间以及相应参考点终端标识码；通过信号强度数据滤波电路以及各标称区间对各接收信号强度数据进行滤波，确定参与目标精确定位的参考点，并将相应参考点终端标识码存入标识码存储单元；超宽带信号产生单元和超宽带天线连续N次发送定位令牌信息，记录发送时间；通过超宽带天线、开关电路和超宽带接收单元接收本质安全型参考点终端发送的定位数据，并提取各数据中参考点终端标识码，与标识码存储单元中参考点终端标识码比较，选取所选参考点终端发射的定位数据；通过信号特征采集器获得所选各定位数据的接收信号强度数据，以及接收到所选各本质安全型参考点终端最后一条定位令牌信息的到达时间数据；通过处理器计算两组本质安全型定位终端与所选各本质安全型参考点终端的距离值，将其通过超宽带信号产生单元和超宽带天线发送给地面监控终端。同时，本质安全型定位终端还配备有防爆外壳，以及电池。
通过以上结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明提供的一种煤矿井下超宽带定位方法和***，以超宽带信号为媒介，根据矿井巷道实际工作环境，通过两步定位法实现对目标的精确实时定位。本发明首先利用结构简单，功耗低，抗多径能力强以及分辨力高的超宽带定位技术，根据巷道走向，在巷道一侧每隔一定距离布设参考点，通过对参考点定位服务小区的预先标定，预估各参考点的标称区间，对各接收信号强度数据过滤，测算目标所在位置区域；再根据累积后平均的处理方法得到各参考点的接收信号强度数据以及到达时间数据，从而减小测量误差，最后通过接收信号强度定位方法和到达时间定位方法的误差概率分布对两组距离值进行加权，减小计算过程的误差，最终利用较少的参考点实现目标的精确定位。
Claims (14)
1.一种煤矿井下超宽带定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.根据巷道分布及工作环境，布设定位参考点，沿巷道走向划分各参考点的定位服务区域，计算各参考点的标称区间；
B.收集各参考点发射的定位信号的接收信号强度数据，根据所述标称区间对接收信号强度数据进行滤波；
C.根据滤波结果，确定参与目标精确定位的参考点，并根据所选参考点定位服务区域测算目标所在区域范围；
D.收集所选参考点发射的定位信号的到达时间数据和接收信号强度数据，利用混合定位方法测算所述目标的精确位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括下列步骤：
A1.在巷道的同一侧同一高度上沿一定的距离，布设定位参考点，且在巷道拐弯处布置一个弯道参考点；
A2.以各参考点为中心，沿巷道划分连续重叠的带状小区，认为所述小区为各参考点的定位服务区域；
A3.根据所述定位服务区域范围，计算各小区内目标到参考点的最大距离和最小距离，即目标到参考点的距离取值区间；
A4.根据各参考点发射信号的强度以及所述各距离取值区间，计算各小区内目标接收到参考点发射的定位信号的接收信号强度数据取值区间，认为所述接收信号强度数据取值区间为参考点的标称区间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述到达时间数据和接收信号强度数据是从所述参考点发射的超宽带信号中得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，根据所述各参考点的标称区间对各接收信号强度数据进行过滤，滤除所述接收信号强度数据中的异常值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述异常值是信号反射所引起的将导致定位误差的接收信号强度数据，以及由于参考点距离目标较远导致接收信号包含多径信号的接收信号强度数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括下列步骤：
C1.根据滤波结果，确定参与目标精确定位的参考点；
C2.根据所选参考点的定位服务区域，测算目标所在区域范围，认为目标在所选参考点定位服务小区的交叠区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中混合定位方法包括下列步骤：
D1.目标向所选各参考点发送定位令牌信息，并记录发送时间t0；
D2.所选参考点接收到所述信息后，延迟时间τ1，将延迟时间以及所述信息发送回目标；
D3.目标接收到所选参考点发射的回复信息后，提取接收信号强度数据，并再次向所选参考点发送定位令牌信息，重复步骤D2和D3，并如此往复N次，对应所选各参考点得到一个接收信号强度数据序列Pij，其中i＝0，1，...，N，以及记录目标最后一次接收到参考点发射的回复信息的时间t1j，其中j表示所选第j个参考点，i表示累积次数；
D4.当多个接收信号来自同一个参考点，认为接收信号强度数据较大的信号为定位信号；
D5.根据所述记录时间t0，t1j，计算所选各参考点的到达时间数据：
其中j表示所选第j个参考点；
D6.根据所述各接收信号强度数据序列Pij，其中i＝0，1，...，N，计算所选各参考点的接收信号强度数据：其中j表示所选第j个参考点，i表示累积次数；
D7.根据所选各参考点的到达时间数据和接收信号强度数据，计算得到两组目标与所选各参考点的距离值
其中c为超宽带信号在巷道中传输速度，k为信道参数，j表示所选第j个参考点；
D8.根据实测巷道内超宽带传输数据，确定接收信号强度定位方法和到达时间定位方法的误差概率分布fRSS和fTOA，利用
确定目标与所选各参考点的距离值dj，其中j表示所选第j个参考点；
D9.根据所选各参考点的位置得到方程组确定目标所在位置，其中j表示所选第j个参考点，(x，y)为目标位置，(xj，yj)为所选第j个参考点的位置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过一个直接序列脉冲超宽带***来实现。
9.一种煤矿井下超宽带定位***，包括井上设备和井下设备，其特征在于，所述井上设备包括上层终端，定位数据服务器，地面监控终端，交换机；所述井下设备包括本质安全型网关，本质安全型无线中继，本质安全型参考点终端，以及本质安全型定位终端；定位数据服务器(1)和地面监控终端(2)通过交换机(3)与本质安全型网关(5)构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给上层终端(4)；巷道内本质安全型网关(5)通过总线挂接在交换机(3)上；本质安全型定位终端(8)由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型定位终端(8)，本质安全型参考点终端(7)，本质安全型无线中继(6)以及本质安全型网关(5)构成脉冲超宽带无线定位网络；
所述定位数据服务器(1)，接收并存储定位终端位置数据；
所述地面监控终端(2)，记录本质安全型参考点终端的位置信息；划分定位服务小区；计算各本质安全型参考点终端标称区间，并发送给本质安全型参考点终端；计算接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布；接收本质安全型定位终端发送的与所选各本质安全型参考点终端的两组距离信息，根据接收信号强度定位方法和到达时间定位方法误差概率分布对其加权计算，并根据所选各本质安全型参考点终端位置信息计算本质安全型定位终端位置，并发送给定位数据服务器以及上层终端；
所述交换机(3)和所述本质安全型无线中继(6)转发标称区间信息以及实时距离信息；
所述本质安全型网关(5)接收本质安全型无线中继发送的超宽带无线数据，并将其转换成有线数据发送给交换机；接收交换机发送的有线数据，并将其转换成超宽带无线数据发送给本质安全型无线中继；
所述本质安全型参考点终端(7)分配唯一的标识码；从地面监控终端获取其标称区间信息；接收本质安全型定位终端发送的定位令牌信息，并延迟一定时间，将其标识码、标称区间、延迟时间以及所述信息发送回本质安全型定位终端；
所述本质安全型定位终端(8)分配唯一的标识码；每隔一段时间广播定位令牌信息，并接收本质安全型参考点终端回复的定位信息，提取接收信号强度数据，解析信息中本质安全型参考点终端的标识码和标称区间，过滤各接收信号强度数据，确定参与目标精确定位的本质安全型参考点终端；对所选本质安全型参考点终端连续N次发送定位令牌信息，记录发送时间、各接收信号强度，以及接收到所选各本质安全型参考点终端回复的最后一条定位令牌信息的时间；根据混合定位方法计算两组距离值，将其发送给地面监控终端。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述地面监控终端(2)包括：处理器单元、参考点标识存储单元、电源接口、误差概率分布存储单元、参考点位置存储单元和有线接口；其中参考点标识存储单元、电源接口、误差概率分布存储单元、参考点位置存储单元和有线接口均与处理器单元相连接。
11.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述本质安全型网关(5)包括：CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、接口转换单元、电源接口、无线接口单元、超宽带天线和开关电路；其中FF总线接口、LONWORKS总线接口、PROFIBUS总线接口、CAN总线接口分别与接口转换单元相连，无线接口单元、电源接口均与接口转换单元相连，开关电路与无线接口单元相连，超宽带天线与开关电路相连。
12.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述本质安全性参考点终端(7)包括：处理器、标识码存储单元、电池、标称区间存储单元、延迟器、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、超宽带天线和开关电路；其中标识码存储单元、电池、标称区间存储单元、延迟器、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元均与处理器单元相连，开关电路通过超宽带信号产生单元和超宽带接收单元与处理器单元相连，超宽带天线与开关电路相连。
13.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述本质安全型定位终端(8)包括：处理器、标识码存储单元、电池、用户接口单元、信号强度滤波电路、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、信号特征存储单元、信号特征采集器、超宽带天线和开关电路；其中标识码存储单元、电池、用户接口单元、信号强度滤波电路、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元均与处理器相连，信号强度滤波电路与信号特征存储单元相连，信号特征采集器分别与开关电路、信号特征存储单元及超宽带接收单元相连，超宽带信号产生单元与开关电路相连，超宽带天线与开关电路相连。
14.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述井下设备均采用本质安全型防爆设备。
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