基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 楠

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

引 言

我國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó)，已探明的礦產(chǎn)資源總量占世界總量的 12%，因此礦產(chǎn)開采有力地支撐了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是由于礦產(chǎn)開采業(yè)的特殊性，使之成為一個(gè)高危的行業(yè)。礦井災(zāi)難隨時(shí)都會(huì)發(fā)生，威脅著礦產(chǎn)開采人員的生命安全。除了采取安全保障措施外，還需要制定及時(shí)營(yíng)救措施，其中礦井人員位置的精確定位是營(yíng)救被困人員的一個(gè)最重要信息 [1]。

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network，WSN）定位技術(shù)[2,3] 的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外均采用該技術(shù)解決礦井人員定位問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)根據(jù)定位時(shí)是否需要距離和角度信息，可分為測(cè)距和非測(cè)距兩類[4,5]。測(cè)距定位算法主要有到達(dá)時(shí)間（TOA）、到達(dá)角度（AOA）、接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）和到達(dá)時(shí)間差（TDOA）等 [6]。然而在復(fù)雜的礦井環(huán)境下，有的方法不能夠發(fā)揮本身的優(yōu)點(diǎn)而得到理想的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于井下人員定位，開始采用了 IC 卡和紅外線編碼等技術(shù)，但是這些技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人員考勤管理，地面無法獲取井下人員位置信息。無線采集、有線傳輸?shù)木氯藛T定位方式是現(xiàn)階段該應(yīng)用研究的一個(gè)方向。

針對(duì)當(dāng)前WSN 定位算法在環(huán)境復(fù)雜礦井人員定位過程存在的缺陷，為提高礦井人員定位精度，提出一種基于UWB[7] 的礦井人員定位系統(tǒng)。充分利用UWB 的功能與特點(diǎn)，采用TDOA 定位算法得到礦井人員具體位置信息。通過實(shí)驗(yàn)證明該礦井人員定位方法穩(wěn)定性好、定位精度高。

1 定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1信號(hào)調(diào)制

本文的UWB 脈沖信號(hào)是一種高斯脈沖信號(hào)，其時(shí)域波形表達(dá)式如下：

UWB 系統(tǒng)單脈沖的頻譜在低頻段分量很豐富，常與現(xiàn)有系統(tǒng)共享極寬的帶寬，有可能對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在無載波UWB 系統(tǒng)中，可以采用高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)來產(chǎn)生波形， 通過頻譜搬移改變頻譜結(jié)構(gòu)，來滿足FCC 的功率限制和頻譜要求。求導(dǎo)的階數(shù)越高，對(duì)其他系統(tǒng)的干擾就越小。根據(jù)本系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，高階高斯比一階高斯會(huì)有更好的窄脈沖波形。當(dāng)數(shù)據(jù)速率一定時(shí)，為了進(jìn)一步提高 UWB 傳輸距離，增加發(fā)射功率。

為了 產(chǎn) 生 UWB 信 號(hào)， 發(fā) 射 時(shí) 域 上 很 短 的 脈 沖（0.1 ～ 0.5 ns）產(chǎn)生很寬的頻譜。通過對(duì)信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制（PAM）調(diào)制，還要用偽隨機(jī)噪聲（PN） 對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼已形成信號(hào)頻譜。

1.2信號(hào)同步

信號(hào)的同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。UWB 脈沖信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，且信號(hào)功率較低，因此同步捕獲信號(hào)和跟蹤信號(hào)變得較為困難。在捕獲階段，接收機(jī)快速搜索信號(hào)到達(dá)時(shí)間，并根據(jù)搜索結(jié)果調(diào)整接收機(jī)定時(shí)，其目的是使本地參考信號(hào)與接收信號(hào)的相位差小于一定范圍，使接收機(jī)可以在一定程度上解調(diào)信號(hào) ；在跟蹤階段，接收機(jī)對(duì)微小的定時(shí)偏差進(jìn)行補(bǔ)償以保持同步，其目的是使本地參考信號(hào)與接收信號(hào)的相位差進(jìn)一步減小。

1.3定位技術(shù)

UWB 具有定位精度高、可靠性高和低歸功耗的優(yōu)點(diǎn)。在UWB 中，通過獲取TDOA[8] 的測(cè)量值，構(gòu)成關(guān)于電子標(biāo)簽位置的圓周曲線方程組，求解該方程組得到具體位置信息。具體是發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射兩種不同頻率的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到兩種信號(hào)間的時(shí)間差來計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。TDOA技術(shù)采用了AOA 中的OWR（One Way Ranging，OWR）技術(shù)，其具有測(cè)量誤差小、對(duì)硬件和成本要求低的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

UWB 無線定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由定位傳感器，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，服務(wù)器，網(wǎng)線等部分組成。

定位傳感器是用來接收定位標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)而對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位，多個(gè)定位傳感器之間需要有網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間同步連接線。多個(gè)定位傳感器構(gòu)成傳感器定位單元，每個(gè)單元有主從傳感器之分。其中，主傳感器通過時(shí)間同步線向從傳感器發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)。傳感器接收到的定位標(biāo)簽信息通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線傳送給UWB 平臺(tái)，計(jì)算后得到定位標(biāo)簽的精確位置信息。

定位標(biāo)簽、主從傳感器、POE 交換機(jī)、DHCP 服務(wù)器和UWB 定位平臺(tái)構(gòu)成超寬帶無線定位網(wǎng)絡(luò)。定位平臺(tái)可以是任何計(jì)算機(jī)設(shè)備，DHCP 服務(wù)器的作用是給每一個(gè)傳感器分配一個(gè)IP 地址，用于區(qū)分主從傳感器并用于傳感器之間的信號(hào)同步。

2.2TDOA 定位算法

比較多種測(cè)距定位算法后， 本文選擇了定位時(shí)間差（TDOA）定位算法，與到達(dá)時(shí)間（AOA）算法類似，只是測(cè)量的是時(shí)間差，利用如圖 2 所示的雙曲線交叉進(jìn)行定位。

定位標(biāo)簽發(fā)送UWB 信號(hào)給定位單元，多個(gè)定位單元之間以及單個(gè)定位單元內(nèi)部接收到信號(hào)，并開始同步信號(hào)，最后估算出標(biāo)簽的位置數(shù)據(jù)并出送給定位平臺(tái)，定位傳感器之間都是通過同步信號(hào)線來同步信號(hào)。

2.3傳感器定位單元安裝

由于礦井環(huán)境復(fù)雜，單個(gè)定位單元不能夠覆蓋整個(gè)礦井，

故需要多個(gè)定位單元結(jié)合聯(lián)合定位，如圖 3 所示。單個(gè)UWB 定位單元傳感器之間的時(shí)間同步線連接是有一定的規(guī)則的。一個(gè)典型的定位單元是10~30 m 的矩形場(chǎng)所，兩個(gè)傳感器就可以定位標(biāo)簽位置，考慮到魯棒性選擇每個(gè)單元安置四個(gè)傳感器。一個(gè)傳感器需要被設(shè)置為時(shí)間源，即主傳感器。時(shí)間信號(hào)通過同一單元的同步線傳播到每個(gè)傳感器。單個(gè)單元之間的時(shí)間同步線可以采用此圖所示的星形連接，也可以采用環(huán)形連接。多個(gè)定位之間也需要一根時(shí)間同步線來連接，要確保各單元之間只有一根連線?？梢詮膯卧?1 中的任意一個(gè)連接到單元 2 中的任意一個(gè)，但是時(shí)間信號(hào)必須從被連接的傳感器的右上角輸入。我們選擇第一個(gè)單元的主傳感器為整個(gè)定位系統(tǒng)時(shí)間源。

3 結(jié)語(yǔ)

礦井人員定位是礦井工作人員安全的保證，不僅可以合理調(diào)配井下工作人員，而且能夠在發(fā)生礦難事故時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地定位被困人員而對(duì)其進(jìn)行營(yíng)救。

本文重點(diǎn)研究了 UWB 定位技術(shù)中的信號(hào)調(diào)制、信號(hào)同步和測(cè)距定位技術(shù)，定位單元的合理安排布放及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)保證了本系統(tǒng)的高精度性和高穩(wěn)定性。通過礦井實(shí)地驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的基于UWB 的礦井人員定位系統(tǒng)定位精度高、可靠性好，為礦井人員定位問題提出了新的解決方案。

參 考文獻(xiàn)

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