基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計

楊 楠

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

引 言

我國是一個礦產(chǎn)資源大國，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，使之成為一個高危的行業(yè)。礦井災(zāi)難隨時都會發(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，還需要制定及時營救措施，其中礦井人員位置的精確定位是營救被困人員的一個最重要信息 [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)定位時是否需要距離和角度信息，可分為測距和非測距兩類[4,5]。測距定位算法主要有到達(dá)時間（TOA）、到達(dá)角度（AOA）、接收信號強(qiáng)度（RSSI）和到達(dá)時間差（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)點而得到理想的測量結(jié)果。對于井下人員定位，開始采用了 IC 卡和紅外線編碼等技術(shù)，但是這些技術(shù)只能實現(xiàn)簡單的人員考勤管理，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)用研究的一個方向。

針對當(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，采用TDOA 定位算法得到礦井人員具體位置信息。通過實驗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信號調(diào)制

本文的UWB 脈沖信號是一種高斯脈沖信號，其時域波形表達(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，對其他系統(tǒng)的干擾就越小。根據(jù)本系統(tǒng)的應(yīng)用特點，高階高斯比一階高斯會有更好的窄脈沖波形。當(dāng)數(shù)據(jù)速率一定時，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， 發(fā) 射 時 域 上 很 短 的 脈 沖（0.1 ～ 0.5 ns）產(chǎn)生很寬的頻譜。通過對信息數(shù)據(jù)符號對產(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） 對數(shù)據(jù)符號進(jìn)行編碼已形成信號頻譜。

1.2信號同步

信號的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。UWB 脈沖信號具有持續(xù)時間短的特點，且信號功率較低，因此同步捕獲信號和跟蹤信號變得較為困難。在捕獲階段，接收機(jī)快速搜索信號到達(dá)時間，并根據(jù)搜索結(jié)果調(diào)整接收機(jī)定時，其目的是使本地參考信號與接收信號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 ；在跟蹤階段，接收機(jī)對微小的定時偏差進(jìn)行補(bǔ)償以保持同步，其目的是使本地參考信號與接收信號的相位差進(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。在UWB 中，通過獲取TDOA[8] 的測量值，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)點發(fā)射兩種不同頻率的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)接收到兩種信號間的時間差來計算兩個節(jié)點之間的距離。TDOA技術(shù)采用了AOA 中的OWR（One Way Ranging，OWR）技術(shù)，其具有測量誤差小、對硬件和成本要求低的特點。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計

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)出的信號而對標(biāo)簽進(jìn)行定位，多個定位傳感器之間需要有網(wǎng)絡(luò)和時間同步連接線。多個定位傳感器構(gòu)成傳感器定位單元，每個單元有主從傳感器之分。其中，主傳感器通過時間同步線向從傳感器發(fā)送時間同步信號。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，計算后得到定位標(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 定位平臺構(gòu)成超寬帶無線定位網(wǎng)絡(luò)。定位平臺可以是任何計算機(jī)設(shè)備，DHCP 服務(wù)器的作用是給每一個傳感器分配一個IP 地址，用于區(qū)分主從傳感器并用于傳感器之間的信號同步。

2.2TDOA 定位算法

比較多種測距定位算法后， 本文選擇了定位時間差（TDOA）定位算法，與到達(dá)時間（AOA）算法類似，只是測量的是時間差，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 信號給定位單元，多個定位單元之間以及單個定位單元內(nèi)部接收到信號，并開始同步信號，最后估算出標(biāo)簽的位置數(shù)據(jù)并出送給定位平臺，定位傳感器之間都是通過同步信號線來同步信號。

2.3傳感器定位單元安裝

由于礦井環(huán)境復(fù)雜，單個定位單元不能夠覆蓋整個礦井，

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

3 結(jié)語

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，及時準(zhǔn)確地定位被困人員而對其進(jìn)行營救。

本文重點研究了 UWB 定位技術(shù)中的信號調(diào)制、信號同步和測距定位技術(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)計保證了本系統(tǒng)的高精度性和高穩(wěn)定性。通過礦井實地驗證，本文設(shè)計的基于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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[2]趙俊. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng) [D]. 鎮(zhèn)江 ：江蘇大學(xué)，2007.

[3]孫利民，李建中，陳渝，等 . 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京 ：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]劉曉文，王振華，王書涵，等. 基于RSSI 算法的礦機(jī)無線定位技術(shù)研究[J]. 煤礦機(jī)械，2009，30（3）：59-60.

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[7]王秀貞. 超寬帶無線通信及其定位技術(shù)研究 [D]. 上海 ：華東師范大學(xué)，2009.

[8]James J，Caffery J R.Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems[M]. Kluwer Acadamic Publishers，2000.