專(zhuān)利名稱(chēng)：煤礦井下超寬帶定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦井下安全監(jiān)控領(lǐng)域，具體的說(shuō)是涉及一種煤礦井下超寬帶精確定位方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭是我國(guó)的主要能源，但煤礦井下的工作環(huán)境惡劣，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，開(kāi)采技術(shù)相對(duì)落后，井下生產(chǎn)人員素質(zhì)較低，導(dǎo)致各種礦井的惡性事故不斷發(fā)生，一旦事故發(fā)生，地面人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)的掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，搶險(xiǎn)救災(zāi)效率低。井下工作人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)诰虏荚O(shè)了多種探測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，以便獲知井下工作人員的位置，方便在發(fā)生礦難時(shí)及時(shí)開(kāi)展救援工作以及日常生產(chǎn)中的管理調(diào)度。因此有必要研究礦井下目標(biāo)精確定位系統(tǒng)與方法，這是礦井生產(chǎn)、調(diào)度和搶險(xiǎn)救災(zāi)等的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 傳統(tǒng)的煤礦井下無(wú)線(xiàn)測(cè)距與定位技術(shù)很多，包括紅外線(xiàn)、超聲波、射頻識(shí)別、藍(lán)牙、ZigBee和WiFi等，但這些方法都存在一定的局限性紅外線(xiàn)穿透性差，只適合短距離傳輸，且容易被燈光干擾；超聲波受多徑環(huán)境的影響嚴(yán)重；射頻識(shí)別方法信號(hào)不穩(wěn)定；藍(lán)牙技術(shù)成本高，復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定性較差；基于ZigBee和WiFi等技術(shù)的計(jì)算電磁波能量的定位系統(tǒng)，在用于位置檢測(cè)時(shí)難以達(dá)到很好的精度。超寬帶(UWB)作為ー門(mén)新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用沖擊無(wú)線(xiàn)電(IR)的形式，通過(guò)發(fā)送皮秒至納秒級(jí)的非正弦窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)具有許多與其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)完全不同的特點(diǎn)具有高速、低成本、低功耗、定位精確、時(shí)間分辨率高、抗多徑干擾、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于超寬帶的定位技術(shù)非常適合在煤礦井下使用。礦井下最主要的問(wèn)題是非視距(NLOS)傳輸嚴(yán)重，一些基于到達(dá)時(shí)間(TOA)的超寬帶定位技木，由于沒(méi)有鑒別和消除NLOS傳播誤差，造成該類(lèi)定位系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到精確定位的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上不足，特別是為了克服礦井定位系統(tǒng)抗干擾能力差、定位精確度低、礦井定位設(shè)備體積受限、超寬帶信號(hào)在礦井下存在NLOS傳播等問(wèn)題，本發(fā)明提供了ー種精確的礦井下超寬帶定位方法及系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)充分利用超快帶技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、定位精確、系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并結(jié)合巷道空間的實(shí)際特點(diǎn)，利用有限的參考節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的目標(biāo)定位，滿(mǎn)足了礦井生產(chǎn)調(diào)度和災(zāi)后及時(shí)救援的需要。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于非參數(shù)NLOS鑒別和加權(quán)最小ニ乘法的UffB定位技術(shù)根據(jù)煤礦井下巷道實(shí)際特點(diǎn)，在巷道的兩側(cè)邊緣沿一定的距離線(xiàn)性部署參考節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)定位時(shí)，首先根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度值確定參與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)精確定位的參考節(jié)點(diǎn)，并估計(jì)出每次來(lái)自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的超寬帶定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(TOA)，在計(jì)算出M個(gè)相應(yīng)的距離值，再利用非參數(shù)NLOS鑒別方法對(duì)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)和參考結(jié)點(diǎn)之間的信道進(jìn)行NLOS鑒別，根據(jù)NLOS鑒別結(jié)果，分配最小二乗法定位算法的加權(quán)因子，構(gòu)造加權(quán)因子最小二乗法定位算法的目標(biāo)函數(shù)，并計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。所述煤礦井下超寬帶定位方法，包括以下步驟A.確定參與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)精確定位的參考節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算出毎次來(lái)自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的超寬帶定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(TOA)，重復(fù)進(jìn)行M次；B.根據(jù)每個(gè)參考結(jié)點(diǎn)估計(jì)出的M個(gè)TOA值，計(jì)算出M個(gè)相應(yīng)的距離值，再利用非參數(shù)NLOS鑒別方法對(duì)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)和參考結(jié)點(diǎn)之間的信道進(jìn)行NLOS鑒別；C.根據(jù)NLOS鑒別結(jié)果，分配最小二乗法定位算法的加權(quán)因子；D.根據(jù)分配的加權(quán)因子，構(gòu)造加權(quán)因子最小二乗法定位算法的目標(biāo)函數(shù)，并估計(jì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。 所述步驟A包括下列步驟Al.在巷道的兩側(cè)邊緣沿一定的距離線(xiàn)性部署參考節(jié)點(diǎn)；A2.在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MS進(jìn)入巷道后，MS向周?chē)鷥?nèi)的參考節(jié)點(diǎn)周期性地廣播定位請(qǐng)求信號(hào)，連續(xù)發(fā)送M次，參考節(jié)點(diǎn)收到定位請(qǐng)求信號(hào)后，從中提出一組接收信號(hào)強(qiáng)度指示值(RSSI)，然后對(duì)這組RSSI值求平均，并記錄該平均值；A3.目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MS發(fā)送完M次定位請(qǐng)求后廣播一次收集RSSI信息，這時(shí)周?chē)鷧⒖脊?jié)點(diǎn)會(huì)向該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)回復(fù)其記錄的RSSI平均值，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收集完RSSI信息后，如果收集到的RSSI值的個(gè)數(shù)小于3個(gè)，則再重新廣播定位請(qǐng)求信號(hào)；否則，對(duì)收集到的RSSI值進(jìn)行排序，并選取最大的3個(gè)作為參考節(jié)點(diǎn)，并向這3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)再發(fā)送M次定位信號(hào)；A4.參考節(jié)點(diǎn)毎次接收到定位信號(hào)后，將接收到的信號(hào)r(t)通過(guò)平方器后再進(jìn)行
積分采樣，獲得信號(hào)的能量采樣序列ろ=f 1)Γ I KO2 I dt (n=l，2，…，N) ,N = Tf/
Tb，其中η表示能量塊的序列號(hào)，Tb表示積分周期，Tf表示幀周期，N表示一幀內(nèi)能量塊數(shù)；Α5.根據(jù)所述的能量采樣序列與設(shè)定的門(mén)限值Θ進(jìn)行比較，將第一個(gè)超出門(mén)限的能量塊作為直接路徑DP所在的采樣±夾，即i = [nDP - 0.5]Tb，nDP = min{n|Yn > θ} (η = 1,2,…，N)，其中Yn為信號(hào)的能量采樣序列， dp表示DP所
在的能量塊，Θ表示判別門(mén)限，7·表示DP到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間。所述步驟B包括下列步驟BI.參考結(jié)點(diǎn)在估計(jì)出了 M個(gè)TOA后，可以計(jì)算出M個(gè)相應(yīng)的距離值，對(duì)于第i(i=I，…，M)次測(cè)量,在視距(LOS)情況下巧=s+nnoise, NLOS情況下a = s+nmise+nNIOS,其中^表示第i次的距離測(cè)量值，S表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離，Hnoise表示測(cè)量噪聲，nNL0S表示NLOS誤差；B2.計(jì)算測(cè)量噪聲nmise的概率密度函數(shù)(PDF)，在LOS情況下，nMise可表示為O均值標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯隨機(jī)變量，它的概率密度函數(shù)表示為(ズ) = ^=β_χ2/(2σ2);Β3.根據(jù)所述測(cè)量噪聲的概率密度函數(shù)Pntjise (x)，計(jì)算LOS情況下距離測(cè)量值A(chǔ) (i=1，…，Μ)的PDF :ァめ=;^=廠(chǎng)(トが/(2"2)，其中s表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離；
B4.根據(jù)所述的M個(gè)距離測(cè)量值ri(i = 1，…，M)，計(jì)算測(cè)量距離的PDF aO):
權(quán)利要求
1.一種煤礦井下超寬帶定位方法，其特征在于，包括以下步驟 A.確定參與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)精確定位的參考節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算出每次來(lái)自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的超寬帶定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA，重復(fù)進(jìn)行M次； B.根據(jù)每個(gè)參考結(jié)點(diǎn)估計(jì)出的M個(gè)TOA值，計(jì)算出M個(gè)相應(yīng)的距離值，再利用非參數(shù)NLOS鑒別方法對(duì)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)和參考結(jié)點(diǎn)之間的信道進(jìn)行NLOS鑒別； C.根據(jù)NLOS鑒別結(jié)果，分配最小二乘法定位算法的加權(quán)因子； D.根據(jù)分配的加權(quán)因子，構(gòu)造加權(quán)因子最小二乘法定位算法的目標(biāo)函數(shù)，并估計(jì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟A包括下列步驟 Al.在巷道的兩側(cè)邊緣沿一定的距離線(xiàn)性部署參考節(jié)點(diǎn)； A2.在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MS進(jìn)入巷道后，MS向周?chē)鷥?nèi)的參考節(jié)點(diǎn)周期性地廣播定位請(qǐng)求信號(hào)，連續(xù)發(fā)送M次，參考節(jié)點(diǎn)收到定位請(qǐng)求信號(hào)后，從中提出一組RSSI值，然后對(duì)這組RSSI值求平均，并記錄該平均值； A3.目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MS發(fā)送完M次定位請(qǐng)求后廣播一次收集RSSI信息，這時(shí)周?chē)鷧⒖脊?jié)點(diǎn)會(huì)向該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)回復(fù)其記錄的RSSI平均值，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收集完RSSI信息后，如果收集到的RSSI值的個(gè)數(shù)小于3個(gè)，則再重新廣播定位請(qǐng)求信號(hào)；否則,對(duì)收集到的RSSI值進(jìn)行排序，并選取最大的3個(gè)作為參考節(jié)點(diǎn)，并向這3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)再發(fā)送M次定位信號(hào)； A4.參考節(jié)點(diǎn)每次接收到定位信號(hào)后，將接收到的信號(hào)r(t)通過(guò)平方器后再進(jìn)行積分采樣，獲得信號(hào)的能量采樣序列= VTb T I r{t) I2 dt (n = 1,2,…，N)，N = Tf/Tb， J( -I)。其中n表示能量塊的序列號(hào)，Tb表示積分周期，Tf表示幀周期，N表示一幀內(nèi)能量塊數(shù)； A5.根據(jù)所述的能量采樣序列與設(shè)定的門(mén)限值9進(jìn)行比較，將第一個(gè)超出門(mén)限的能量塊作為直接路徑DP所在的采樣塊，即f = [nDP - 0.5]' ,nDP = min{n|Yn > 0} (n=1,2,…，N)，其中Yn為信號(hào)的能量采樣序列，表示DP所在的能量塊，0表示判別門(mén)限，〖表示DP到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟B包括下列步驟 BI.參考結(jié)點(diǎn)在估計(jì)出了 M個(gè)TOA后，可以計(jì)算出M個(gè)相應(yīng)的距離值，對(duì)于第i (i =1，…，M)次測(cè)量,在LOS情況下& = s+nnoise,NL0S情況下& = s+nmise+nNU)S,其中!Ti表示第i次的距離測(cè)量值，s表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離，nmise表示測(cè)量噪聲，nnoise表不NLOS誤差； B2.計(jì)算測(cè)量噪聲nMise的概率密度函數(shù)HF，在LOS情況下，nnoise可表示為0均值標(biāo)準(zhǔn)差為O的高斯隨機(jī)變量，它的概率密度函數(shù)表示為Ux) = B3.根據(jù)所述測(cè)量噪聲的概率密度函數(shù)Pn_(x)，計(jì)算LOS情況下距離測(cè)量值ri (i =1，…，M)的PDF Hs) =，其中s表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離； B4.根據(jù)所述的M個(gè)距離測(cè)量值ri(i = 1，…，M)，計(jì)算測(cè)量距離的PDFa(X):
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟C中，根據(jù)第j個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的NLOS鑒別結(jié)果為其分配加權(quán)因子，當(dāng)?shù)趈個(gè)參考節(jié)點(diǎn)被判定為L(zhǎng)OS狀態(tài)時(shí)，為其分配的加權(quán)因子為kj = I ;當(dāng)該參考節(jié)點(diǎn)被判定為NLOS狀態(tài)時(shí)，則為其分配的加權(quán)因子為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟D包括下列步驟 Dl.根據(jù)所述的為參與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)精確定位的參考節(jié)點(diǎn)分配的加權(quán)因子，構(gòu)造加權(quán)因子最小二乘法定位算法的目標(biāo)函數(shù)
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過(guò)一個(gè)直接序列脈沖超寬帶系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生。
7.一種煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)視層和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，其特征在于，所述遠(yuǎn)程監(jiān)視層包括瀏覽器服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器，地面監(jiān)控終端，交換機(jī)；所述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)和基站；數(shù)據(jù)服務(wù)器(I)和地面監(jiān)控終端(2)通過(guò)交換機(jī)(3)與基站(5)構(gòu)成有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)傳送給瀏覽器服務(wù)器(4);目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(8)，參考節(jié)點(diǎn)(7)，網(wǎng)關(guān)(6)和基站(5)構(gòu)成超寬帶無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)；基站(5)通過(guò)光纖或總線(xiàn)掛接在交換機(jī)(3)上；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(8)由井下作業(yè)人員或者機(jī)械裝置攜帶； 所述數(shù)據(jù)服務(wù)器(I)，接收并存儲(chǔ)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)； 所述地面監(jiān)控終端(2)，記錄參考節(jié)點(diǎn)部署位置信息，根據(jù)接收到的距離測(cè)量值，進(jìn)行NLOS鑒別，并根據(jù)NLOS鑒別結(jié)果和參考節(jié)點(diǎn)的部署位置及巷道分布，計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的精確位置，并將位置信息再發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器及瀏覽器服務(wù)器； 所述交換機(jī)(3)和基站(5)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)定位信息； 所述網(wǎng)關(guān)(6)負(fù)責(zé)完成超寬帶無(wú)線(xiàn)定位信息的轉(zhuǎn)發(fā)和配置信息的傳送； 所述參考節(jié)點(diǎn)(7)，放置在網(wǎng)關(guān)設(shè)備無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，提供一個(gè)包含自己位置坐標(biāo)和RSSI值的信息包給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，完成傳輸超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間的計(jì)算。
所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(8),與井下人員的身份對(duì)應(yīng),完成參考節(jié)點(diǎn)的選??； 所述的系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備全部是本質(zhì)安全型設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)關(guān)(6)包括微處理器、存儲(chǔ)器、總線(xiàn)模塊、超寬帶天線(xiàn)、電源、通信接口、液晶顯示器、選擇按鍵。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，其特征在于，所述參考節(jié)點(diǎn)(7)包括處理器、電源、存儲(chǔ)器、超寬帶信號(hào)產(chǎn)生單元、能量檢測(cè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)、超寬帶天線(xiàn)、開(kāi)關(guān)電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，其特征在于，所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(8)包括處理器、電源、存儲(chǔ)器、超寬帶信號(hào)產(chǎn)生單元、能量檢測(cè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)、超寬帶天線(xiàn)、開(kāi)關(guān)電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，其特征在于，所述能量檢測(cè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)包括超寬帶天線(xiàn)、低噪聲放大器LNA、帶通濾波器BPF、平方器、積分器、采樣開(kāi)關(guān)、判決器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種煤礦井下超寬帶定位方法及系統(tǒng)。本方法采用基于非參數(shù)NLOS鑒別和加權(quán)最小二乘法的UWB定位技術(shù)，用一種非參數(shù)NLOS鑒別方法來(lái)進(jìn)行NLOS鑒別，然后根據(jù)NLOS鑒別結(jié)果分配相應(yīng)的加權(quán)因子，構(gòu)造一個(gè)新的加權(quán)最小二乘法定位算法，并用該算法來(lái)估計(jì)出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。本系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)視層的瀏覽器服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器，地面監(jiān)控終端，交換機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)和基站，其中應(yīng)用于井下的設(shè)備均是本質(zhì)安全型的。本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)，定位精度高，成本低，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗小等特點(diǎn)，更加適合巷道工作環(huán)境。
文檔編號(hào)G01S5/00GK102680941SQ20121017915
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者王寶寶, 田子建 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京), 王寶寶