基于UWB技术的矿井人员定位系统设计

关丙火

(神东煤炭集团技术研究院，陕西 神木 719315)

0 引言

随着煤矿机械化、信息化、数字化的发展，作为矿井安全生产与管理保障的“六大系统”也得到了一定的发展，尤其是作为灾害救援的重要依据的井下人员定位系统受到了相关学者的大量研究，主要包括基于到达时间的测距技术、基于信号接收强度的测距技术、基于到达时间差的测距技术以及基于到达方向角度的测距定位技术[1-3]。但是，现有的大量方法都存在着一些局限性。例如：基于到达时间的测距技术要求发射机与接收机时间同步，基于接收信号强度的测距技术受环境的影响比较大，基于到达时间差的定位技术要求2个接收机之间时间同步，基于到达角度的测距定位技术需要多个天线的支持等[4-7]。

针对当前主流的人员定位系统在矿井中使用的缺陷，提出了一种基于UWB技术的矿井人员定位系统。该系统充分利用了UWB信号的特点，结合到达时间测距的算法，以实现矿井人员的精确定位。

1 设计原理与思路

1.1 UWB信号概述

UWB工作原理：UWB(Ultra Wide Band，超宽带)是应用于无线通信领域的一种低功耗的无线电技术，其采用纳秒级或亚纳秒级的脉冲实现无线通信[8]。UWB通信是利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线，再由天线将数据信息发射出去。根据美国联邦通信委员会(FCC)的规定，UWB信号的相对带宽(即信号带宽与中心频率之比)不小于0.2或者绝对带宽不小于500 MHz，并且适用指定的3.1～10.6 GHz频段的信号，UWB系统发射机的有效各向同性辐射功率(EIRP)不超过-41.25 dBm/MHz[9]。

UWB技术特点：与WiFi、蓝牙、RFID和Zigbee等传统的无线通信技术相比较，UWB技术主要有以下特点[10]。①传输速率高、带宽大。由于UWB信号的宽频带，UWB技术可使用的信号带宽可达到1GHz以上，结合其采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的特性，最高的数据传输速率可达1 000 Mbps以上，即使发送信号的功率频谱密度被控制得很低，也能实现高达100～500 Mbps的信息速率，高于Bluetooth技术100倍，也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.1lb技术。超宽带系统容量大，并且能与目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。②低功耗，辐射小。通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波信号，因而必定消耗一定能量。UWB通信技术采用非正弦波的载波通信方式，仅发出瞬间脉冲电波，也就是直接按 0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，脉冲只持续0.2～1.5 ns的时间，因此UWB系统的发射功率非常低，发射机的发射功率通常小于1 mW就能实现通讯[11]。低发射功率大大延长了系统工作时间，并且由于发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，因此，在工业上应用时，其不存在对其他仪器仪表的干扰问题，故可以大量应用于工业环境的特殊实时定位需求。③抗干扰性强，保密性好。UWB技术采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益，因此，UWB技术与IEEE802.11a、IEEE802.11b和Bluetooth技术相比，在同等码速条件下，UWB技术具有更强的抗干扰性。另外，UWB技术保密性极好，一方面，它采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面，UWB系统的发射功率谱密度极低，用传统的无线通信接收机无法接收或解析无线信号。UWB具有的这些特点，使它在煤矿井下人员定位领域得到了应用，在人员定位系统的定位测距上可得到较为精确的结果，无遮挡条件下，精度误差可达到厘米级，精度误差值不大于30 cm；一般遮挡条件下，精度误差值亦可达到2 m。④应用成熟。目前UWB定位系统的产品已经比较成熟，例如，由美国Multispectral Solutions公司开发的Sapphire系统；由英国Ubisense公司开发的Ubisense定位系统；由美国Time Domain公司开发的PLUS系统。通过对以上系统和UWB通信技术的研究、转化，将UWB通信技术开发成适用于我国的煤矿井下人员定位系统。

1.2 基于到达时间的定位方法

TOF的优势：基于UWB技术的人员定位系统对于煤矿井下的应用定位算法有信号强度分析法(RSSI)、到达角度定位法(AOA)、到达时间定位法(TOF)和到达时间差定位法(TDOA)等。TOF是通过接收信号的传播时间来估计距离。相对前面2种方法，TOF有着不可比拟的优势。TOF的定位精度高，对硬件设备要求相对低，TOF测距不依赖读卡器与识别卡的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时钟偏移会带来误差[12-13]。为了减少时钟偏移量造成的测距误差，通常采用正反2个方向的测量方法，即远端基站发送测距信息，识别卡接收测距信息并回复，然后再由识别卡发起测距信息，远端读卡器回复，通过求取飞行时间平均值，减少两者之间的时间偏移，从而提高测距精度。因此，充分利用UWB超宽带宽的优势，根据信号时间分辨率高的特点，设计基于UWB技术的矿井人员定位系统。

TOF测距原理：基于信号到达时间(TOF)的测距算法通过测量2个节点之间信号往返的到达时间来计算距离，属于双向测距技术[14]。基于到达时间的算法信号的往返过程，如图1所示，节点1发送测距信号，并记录当前时间t1；节点2接收信号，并记录当前时间t2；节点2处理接收信号后发送回应信号，并记录当前时间t3；节点1接收回应时间，并记录当前时间t4。因此，可得到式(1)，即可计算出该信号的传播距离。

图1 到达时间原理图

(1)

式中，C—电磁波的传播速率，取3.0×108m/s。

1.3 基于UWB技术的井下定位技术设计

技术原理：根据UWB信号、TOF算法以及煤矿井下巷道的特点，设计了基于UWB技术的井下人员定位技术原理。采用主射频天线和辅射频天线进行TOF定位的系统结构，如图2所示。读卡器内设置2块拥有TOF算法的射频模块，分别称为主射频模块和辅射频模块。2个射频模块分别引出2条馈线，馈线终端分别接2个相同频率的天线。天线分别安装在读卡器的两侧，并且拉开一定距离。

a-读卡器；b-定向天线；c-识别卡；d-无线通信链路图2 井下定位技术系统结构

测距计算流程：具体定位测距计算流程如图3所示。①读卡器发射UWB信号，并将添加读卡器身份ID1与发射时间t1的信息表项调制到UWB信号中。②识别卡接收UWB信号，解调UWB信号中的信息表项，并将接收时间添加至信息表项中的t2字段。③识别卡处理信息表项，将识别卡的身份ID添加至信息表项中的ID2字段。④识别卡将发射时间添加至信息表项t3字段，并将信息表项调制至UWB信号作为应答信号发射出去。⑤读卡器接收识别卡的UWB应答信号，解调UWB信号中的信息表项，并将接收时间添加至信息表项中的t4字段。⑥读卡器根据信息表项的数据进行分析处理，提取信息表项中的ID2字段，确定携带该识别卡的人员身份信息；提取信息表项中的t1字段，确定UWB信号的发射时间t1；提取信息表项中的t2字段，确定UWB信号的接收时间t2；提取信息表项中的t3字段，确定应答信号的发射时间t3；提取信息表项中的t4字段，确定应答信号的接收时间t4；根据式(1)，计算识别卡距读卡器的距离L。

图3 井下定位原理流程示意

2 系统功能与实测

2.1 系统组成

基于UWB的矿井人员定位系统的系统组成图如图4所示，系统主要由井上的服务器、监控主机和井下的环网交换机、隔爆兼本安型电源、读卡器和识别卡等组成。井下人员定位系统主要用来实时监测和查询井下人员的位置、分布情况、行驶路线等。

图4 系统组成示意

2.2 系统各部分的主要功能

监控主机：监控主机上主要用来安装人员定位系统的客户端软件，实现井下人员定位及统计；重要区域的井下人员的数量的实时定位及统计；特殊班组的井下人员的数量的实时定位机统计；将某井下人员的历史轨迹进行回放；当系统异常或者井下人员进入某些重要区域时，将在监控主机上实时报警；利用井下人员的定位信息对工作人员进行考勤管理。

服务器：服务器上主要用来安装数据库与应用服务软件。数据库主要用来存放人员的相关信息；应用服务软件用来对客户端软件的需求进行解析并提供给数据库，然后，将数据库提供的结果返回至客户端。

读卡器：通过检测读卡器发射与接收信号的到达时间，确定识别卡与读卡器之间的距离。在该过程中，读卡器发送测距信号，并记录当前时间t1；识别卡接收信号，并记录当前时间t2；识别卡处理接收信号后发送回应信号，并记录当前时间t3；读卡器接收回应时间，并记录当前时间t4；并根据计算公式，计算识别卡与读卡器之间的距离。

识别卡：通过与读卡器之间的通信，辅助读卡器获得信号的到达时间，即确定读卡器与识别卡之间的距离。读卡器作为一种便携式、移动性的设备，由井下工作人员携带。通过计算读卡器与识别卡之间的距离，确定井下工作人员的具体位置。

定位软件：通过读卡器与识别卡之间的距离的实时显示，从而实现定位功能；分析各个读卡器周边的人员分布，统计井下人员的分布情况；满足监控人员的查询需求。

供电电源：对系统所需的万兆环网交换机、交换机、服务器、监控主机、读卡器与定位卡供电。

2.3 现场实测与分析

实测结果：试验测试时，选取煤矿井下的运输巷为试验场地，采用一个读卡器，10张识别卡进行定点测试，设置10 m、20 m、30 m和40 m共4处测试点，每个固定点进行10次定位误差测试。根据不同距离的固定位置所测得的距离结果，随机取其中一张卡在30 m位置的测试结果为例，其测试结果如图5所示。

图5 识别卡误差测量结果

测试结果：由图5可以看出，任何一个测量值，除去个别误差点，所测得的结果都在29.7～30.3 m，即最大值与最小值的差值处于0.3 m以内，并且该识别卡在不同的距离所呈现的都是同样结果，根据图示的测试结果，可以判断定位精度误差值为0.3 m。根据试验结果，各个不同卡的距离都在误差范围以内。综上测试结果，从定位精度、定位成功率，基于UWB技术的矿井人员定位系统的定位精度较高，能够满足在煤矿井环境下实现人员的精确定位需求。

3 结语

利用到达时间分析法(TOF)，将基于UWB技术应用到矿井人员定位系统中，有效提升了矿井人员的定位精度与实时性。该测距方法具有受环境影响小、定位测距精度高、天线关联少等优点，且无需时间同步。通过现场试验，验证了基于UWB技术的矿井人员定位系统可实现矿井人员厘米级精确定位，可以促进矿井的数字化建设水平，保障矿井的安全建设，进而提高矿井的管理效率。