基于UWB 技术在井下实时定位系统中的应用

郭勤勤

（山西高河能源有限公司，山西 长治 046000）

近年来，智慧矿山理念不断深入，更加信息化、数字化、智能化的矿山设备和技术得到了快速的发展，其中，井下定位系统作为灾害救援工作的重要依据也得到了广大学者的广泛研究。准确及时地掌握井下工作人员的具体位置不仅关乎紧急救援工作，还对企业生产调度有重要影响。但是目前我国煤矿井下定位系统的精度和效率已经难以满足现代化矿井的管理需求，存在精度不高、定位面积较小、抗干扰性较弱的不足[1-2]。针对这些使用缺陷，高河煤矿听取了有关专家学者的建议，根据井下环境特点，对精准实时定位系统进行了升级优化。该系统基于UWB 技术，以实现矿井人员、车辆的精确定位。

1 UWB 定位技术概况

目前我国井工矿大多采用ZigBee、RFID 和WiFi 等技术进行井下的定位，但受限于井下环境复杂，导致信息传输抗干扰性差、定位精度不高[3]。高河煤矿采用最新研发的精准定位系统，该系统采用了UWB 的定位技术，实现了井下所有巷道的信号“全覆盖”，与省事故风险分析平台联网运行。

1.1 UWB 定位技术及特点

UWB，即超宽带，是Ultra-wide Ban 的简称，是一种利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲实现数据传输的无载波通信技术[4]。正因UWB 技术这一特点，因此具有以下优势：（1）传输效率、带宽大。UWB 技术可使用的信号带宽可达到1 GHz 以上，结合其纳秒级非正弦波窄脉冲传输数据的特性，使得数据传输的最大速率可达到1000 Mbps，远高于其他技术信息传递的效率。（2）低功耗，低辐射。常见的通信系统是通过连续发射载波信号实现无线通信，系统功耗较高，而UWB 通信技术所采用的非正弦波的载波靠瞬间脉冲电波便可传输，脉冲时间不足1.5 ns，功耗极低，并在实际的工业应用中不会对其他仪器设备产生电磁干扰。（3）抗干扰性强，安全性高。UWB 具有超大带宽，所发信号在时间轴的功率谱方面表现出了低的密度，因此抗干扰性更强。另外，普通无限通讯设备无法接受或解析这种极低密度的信号，同时也提高了UWB 技术的安全性，具有良好保密性。（4）精准度高。UWB 技术在井下应用的实测中发现，在人员定位方面，当处于无遮挡条件下时，精度误差可达到厘米级。

1.2 系统组成

高河煤矿目前使用的精准实时定位系统基于UWB 技术，对矿井人员的位置、分布情况、行驶路线实现实时定位。该系统分两部分，即地面系统和井下系统。其中，地面系统包括服务器和监控设备，井下系统则主要由环网交换机、卡片读取/识别系统组成，具体如图1。

图1 煤矿精准定位系统结构图

服务器/监控设备：服务器包括监控主机和显示设备，通过安装人员定位系统的PC 端软件，对井下人员的位置、数量、移动数据进行统计；对重要区域、特殊班组的信息进行实时反馈；并支持人员历史轨迹的回放和考勤管理。

人员管理站：即定位系统核心部分，对读卡器与识别卡之间的距离进行计算和统计，从而实现定位功能；通过对读卡器周边的人员分布进行统计，实现对井下人员情况的了解，从而可以满足监控人员的查询需求。

2计算方法

UWB 定位技术的主要计算方法有信号到达时间定位法（TOF）和信号到达时间差计算法（TDOA）两种[5]。

信号到达时间定位法（TOF）的优势在于对硬件设备要求相对较低，通过计算两个节点之间信号往返的时间实现测距，并且在测距计算的过程中不依赖读卡器与识别卡的时间同步，因此没有时钟同步偏差所产生的误差。具体测距原理如图2：在节点1 处发射测距信号，记录当前时刻为t1；该信号于节点 2 处被接受，记录为t2时刻；处理完成后再返回，记录该时刻为t3；节点1 接收信号后，记录当前时刻为t4。根据此原理可按公式（1）计算出信号传播的距离L，式中C 为电磁波的传播速率，取3.0×108m/s。

图2 TOF 测距计算法原理图

信号到达时间差计算法（TDOA）是在基站时钟完全同步的情况下，通过计算脉冲信号达到各个基站的时间差，再结合观测点位置根据公式（2）计算传播距离，具体计算方法如图3。当有3 个观测点时，可以得到2 个双曲线方程，可通过最小二乘法算出2 个解，再根据坐标范围做排除，得出坐标准确位置。

图3 TDOA 算法双曲线示意图

3 高河煤矿的应用

在充分了解高河煤矿井下工作环境后，成功建立了基于UWB 技术所开发的井下实时定位系统。为了提高定位系统的准确性，需要对两种主流的位置计算方法进行测试研究。在该次试验对比中，选择井下400 m 长的巷道建立救灾模拟系统，试验环境条件保持一致。试验的设备共包括1 台测试电脑、1 台读卡器卡和多张定位卡，分别以100 m 为间隔，共布置4 个点位，用TDOA 和TOF 算法进行两轮计算。为了提高试验精准度，需对每个观测点反复测试5 次，测量距离减去实际距离的差值的绝对值作为系统的定位精度。测试结果见表1、表2。

表1 TOF 算法计算结果分析

表2 TODA 算法计算结果分析

根据表1、表2 可以发现，在UWB 定位技术应用过程中，TDOA 和TOF 算法的平均误差都可以控制在0.3 m 以内，并且识别卡在各个距离所测试的结果均相近。不同之处在于TOF 算法所得的结果误差浮动更为稳定，主要分布在0.2～0.23 之间；而TDOA 算法所得的结果误差浮动则较大，跨度在0.13～0.28 之间。

4 结语

高河煤矿针对井下巷道主要为线型空间的特征，设计了一套基于UWB 定位技术的井下精准实时定位系统，经过试验对比，得出以下结论：

（1）相比传统定位技术，UWB 技术具有抗干扰性强、信息传输快、定位精度高并且功耗小的特点，对于井下人员、车辆的定位管理、事故应急救援等方面有重要意义。

（2）信号到达时间定位法（TOF）和到达时间差定位法（TDOA）是UWB 定位技术的两种主要计算方法，根据井下试验发现，两种方法计算所得的结果与实际位置的误差都在0.3 m 以内，定位成功率较高。同时发现，TOF 算法误差分布：0.2～0.23；TDOA 算法误差分布：0.13～0.28，可以看出TOF 算法的误差更容易掌握，最终该矿选用哪种算法还需要进行进一步的多场景试验。

综上所述，基于UWB 技术的井下实时定位系统可以有效实现矿井人员、车辆厘米级高精度定位，该技术对于矿井数字化建设水平的促进、安全管理水平的提高建设有着重要意义。