CN101802645A - 用于监测地下运动的地下定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种监测地下环境中的运动的系统，可以用来确定流体(如矿体)内的流动动力学特性或者跟踪地下人体或移动的器材。地下环境中的多个地下定位系统(UPS)组件把特征信号发射到多个天线，多个天线把信号发射到数据处理设备。该系统由此确定UPS组件的位置的变化以得到对流体运动或地下人体或器材的位置和移动的指示。

Description

用于监测地下运动的地下定位系统和方法

技术领域

本发明涉及监测和定位系统。本发明尤其涉及特别适于监测地下运动的监测和定位系统。

背景技术

分段崩裂采矿法是正变得流行的一种采矿方法，尽管事实在于它已经被使用多年。然而，阻碍分段崩裂采矿技术进步的因素之一在于，难以确定在采矿过程中岩体(rock mass)内部发生了什么。尽管有些理论声称在岩体内可能发生粉碎(comminution)，但是对于具有任意确信度的岩石动力学仍然了解甚少。

在采矿工艺过程中对于矿体的实际流动的精确理解将是有利的，以确保有关分段崩裂采矿法的当前实践和认知尽可能的有效而完整，并且确保可以开发对操作技术的有益改变。确定岩石破碎特征对于定位拖铃(drawbell)和准确控制对矿石的牵引(pull)是非常重要的。更具体地说，对于采矿期间所需拖引点数量的确定，基于每日的岩洞前方(cave front)的精确定位的确定，改变倾卸习惯来使用矿体中所含能量用于改进粉碎的可能性，以及基于岩洞前方定位和工作情况的认知的采矿者的安全性来说，矿体动力学是重要的。由于一旦岩石流动开始，岩洞完全与岩体内部的情况无关，所以采集岩石流动信息是困难的。只有大体控制(如拖铃牵引)可以用来尝试改变牵引特征，但是通常事情发生之后结果非常明显，并且与改变之间的关联性很难测量。

曾经进行过一些尝试来确定在采矿过程中岩体内发生了什么。通常，这些尝试采取标识器(marker)或计算机模拟的形式。

标识器已被注入岩体中来试图确定物质流动特征。标识器通常由钢铁制成并且被注入矿体上的岩体中。当岩体开始断裂时，这些标识器开始行进到岩体中到达下面的拖铃。这些标识器被采集并与入口位置和出口位置进行匹配。然后假定在表示轨道和由此的岩体流动的两点之间的行进路线是直线。尽管使用该技术已经取得了一些成功，但是该技术所做出的假设的数量和有效性、以及由于标识器损耗引起的数据缺失造成了有限的效率。

还使用计算机软件来模拟岩石的流动，并且存在一些不同的模拟软件系统。有些软件把岩石表示为球体，而其他软件使用更多的像岩石的形状。计算机模拟的结果显示，球体岩石可能不如更真实形状更能展示真实情况。然而，这两种方法都受到缺乏经验数据的影响并且使用受限。

没有来自岩体内部或其他任何流体的全面的测量数据来采集有关岩体运动的动力学的实时信息。在很多情况下，例如在采矿中，通常这是由于使用有源感测系统进入矿体的物理限制所致。例如，传感器必须被建造成在矿体内继续工作，而不管高压和流动限制。感测系统必须足够鲁棒从而允许以足够精度在矿体内定位，从而进行最少的假设。这些传感器必须具有能够在处于岩体中时持续很长时间的电力系统。必须使用能够穿透密度变化的具有一定厚度的岩石的传输系统，从而与传感器进行收发。而且，接口必须可用于地表下的技术人员和操作人员顺次进行实时数据分析以确定有关岩洞前方的信息。

对矿体流动的更好理解会有利于采矿过程的多个方面。例如，该信息对于研发有源采矿控制工具来控制采矿设备很有益。借助能在岩体内工作的定位系统，还有可能通过使用地下定位系统(或称“UPS”)来研发基于数据的被困采矿者救援系统。UPS将能跟踪每个采矿者的运动，从而在灾难事件中，可以准确确定每个采矿者的位置，使得救援工作更有效。另外，可以研发全矿(mine wide)资产管理系统以提高采矿工作的效率。

发明内容

本发明提供了一种地下定位系统，图1所示的一个优选实施例，以及适于实际上的任何地下环境或任何流体并且尤其适用于分段崩裂采矿的方法。将在分段崩裂采矿情况下描述本发明的系统和方法，但是本发明还具有其他环境下的应用并且本说明书并非意在限制于这个方面。例如，本发明的系统和方法具有在大多数类型的流体物质中的应用，如流塑(fluid plastic)或粘流态的岩体运动，包括岩体蠕变、岩体下落、岩体滑动、岩体倾覆或岩体流动。以非限制示例为例，这可以包括由于重力作用的土壤、表土和岩石的运动；源自斜坡故障、挖掘或侵蚀的岩体运动；陆地滑动；岩屑滑动；岩屑流动；沙地滑动；沙地流动；岩石滑动；岩石流动；泥土滑动；泥土流动；泥浆流或火山泥流；土壤、沉淀物或崩积层漂移、滑动或流动；河床运动；雪、冰、岩石或土壤的崩落；冰流；冰河流动；垃圾填埋、废物、可回收物品或废品偏移或移动；人造材料流动；废水流动；或水流动。本发明的系统和方法还具有用于地下环境中作为人与器材的定位系统的应用，该地下环境可以包括地下、水下、或冰川下环境(陆地和地球外)。

本发明提供了一种用于监测地下环境中的运动的系统，包括：至少第一天线、第二天线和第三天线，用于发射电磁辐射(emr)信号，可以从该信号中得到飞行时间数据，每个天线均连接到至少一个信号发射器，第一天线用于发射与第一天线有关的第一天线信号，第二天线用于发射与第二天线有关的第二天线信号，第三天线用于发射与第三天线有关的第三天线信号；多个地下定位系统(UPS)组件，以一定间隔关系置于地下环境内，每个UPS组件包括至少一个UPS发射器，用于发射电磁辐射UPS信号，该电磁辐射UPS信号至少包括把UPS信号与发射UPS组件进行关联的标识符、和与从至少第一天线、第二天线和第三天线接收的信号有关的数据；以及至少一个UPS接收器，用于接收来自第一天线的第一天线信号、来自第二天线的第二天线信号以及来自第三天线的第三天线信号；以及基站天线，耦合到基站接收器并且被定位用于接收UPS信号，并且把UPS信号、或与UPS信号对应的信号发射到数据处理装置；从而在UPS组件的至少一个移动时，数据处理装置从UPS信号得到至少一个移动UPS组件的运动方向或至少一个移动UPS组件的运动速度，或者运动方向和运动速度两者。

本发明还提供了一种位置监测系统，用于监测在地下环境中的运动，包括：多个地下定位系统(UPS)组件，用于悬置在地下环境中，每个UPS组件都包括至少一个信号发射器，用于发射具有标识符的电磁辐射特征信号，该标识符用于将该信号与发射UPS组件相关联；第一天线，耦合到第一信号接收器并且被定位用于从UPS组件接收特征信号并且把特征信号、或者与该特征信号对应的信号发射到数据处理设备；以及至少一个第二天线，耦合到第一信号接收器或者另一信号接收器并且被定位用于从UPS组件接收特征信号并且把特征信号、或者与该特征信号对应的信号发射到数据处理设备；从而在至少一个移动UPS组件移动时，根据发射时间和接收时间所定义的飞行时间，从与来自UPS组件的特征信号对应的第一天线和至少第二天线接收信号的数据处理设备确定与每个特征信号相关联的每个发射UPS组件的位置，每个特征信号在该发射时间被发射，每个特征信号在该接收时间由天线接收，由此提供对至少一个移动UPS组件运动的方向或速度中的至少一个、或者方向和速度两者的指示。

本发明还提供一种位置监测系统，用于监测在地下环境中的运动，包括：至少一个第一天线，耦合到第一信号接收器并且被定位用于从UPS组件接收特征信号并且把该特征信号发射到数据处理设备，地下定位系统(UPS)组件至少包括：外壳和包含在外壳内的信号发射器，用于发射具有标识符的电磁辐射特征信号，该标识符用于把该信号与UPS组件相关联，从而在至少一个移动UPS组件移动时，根据与至少第一天线接收的每个特征信号、UPS组件发射的特征信号相关的数据，从与来自UPS组件的特征信号对应的至少一个天线接收信号的数据处理设备确定与每个特征信号相关的每个UPS组件的位置，从该数据可以得到飞行时间数据，由此提供对至少一个移动UPS组件的运动的方向或速度中的至少一个、或者方向和速度两者的指示。

本发明还提供一种监测地下环境中的运动的方法，包括以下步骤：a把多个地下定位系统(UPS)组件定位在地下环境中，每个UPS组件都包括至少一个信号发射器，用于发射具有标识符的电磁辐射特征信号，该标识符把该特征信号与发射UPS组件相关联；b在与UPS组件通信的第一位置处从多个UPS组件接收电磁辐射信号，并且把与在第一位置处接收每个电磁辐射信号的时间对应的数据发射到数据处理设备；c在与UPS组件通信的至少一个第二位置处从多个UPS组件接收电磁辐射信号，并且把与在第二位置处接收每个电磁辐射信号的时间对应的数据发射到数据处理设备；以及d处理数据以确定至少一个移动UPS组件的运动的方向或速度中的至少一个、或方向和速度两者。

附图说明

在附图中，仅以示例方式示出了本发明的优选实施例。

图1是根据本发明的基本地下定位系统的示意图，利用了作为介质穿透无线传输的射频。

图2是适于图1的系统的地下定位系统(UPS)的示意图。

图3A到图3C是图1的地下定位系统的示意图，示出了从各个位置的射频天线到UPS组件的发射。

图4是图1的地下定位系统的示意图，示出了从UPS组件到基站射频天线传输的转发。

图5是根据本发明的基本地下定位系统的示意图，利用了作为介质穿透无线传输的射频和声学传输组合。

图6是使用用于确定飞行时间的概率函数的三角测量系统的示意图。

图7是适于图5的系统的地下定位系统(UPS)组件的示意图。

图8是示出了UPS组件的初始运动的图5的地下定位系统的示意图。

图9A到图9E是图5的地下定位系统的示意图，示出了从各个位置的射频天线到UPS组件的发射。

图10A到图10C是图5的地下定位系统的示意图，示出了从各个位置的声学发射器到UPS组件的发射。

图11是图5的地下定位系统的示意图，示出了从UPS组件到射频和声学天线的发射。

图12是没有原子钟的UPS组件的其他实施例的示意图。

图13是地下定位系统的其他实施例的示意图，示出了具有作为介质穿透的射频天线的实施例。

图14A到图14E是图13的地下定位系统的示意图，示出了从各个位置的声学发射器到UPS组件的发射。

图15是图13的地下定位系统的示意图，示出了从UPS组件到具有作为介质穿透的射频天线的发射。

图16是没有麦克风的UPS组件的其他实施例的示意图。

具体实施方式

在本发明的系统和方法的一些实施例中，原子钟从提供给天线的数据中至少部分得到飞行时间数据。在一些实施例中，至少一个UPS发射器能转发从多个UPS组件中的其他UPS组件接收的至少一个UPS信号，UPS接收器能从用于转发的多个UPS组件中的其他UPS组件接收UPS信号，基站天线从至少一个UPS组件接收UPS信号。在一些实施例中，第一天线、第二天线和第三天线的每一个顺次地发射一系列信号串，至少部分地从确定连续发射之间的相移的数据中得到飞行时间数据。在一些实施例中，至少一些UPS组件包括声学接收器，该系统还包括多个声学发射器，用于把声学信号发射到多个UPS组件。

每个UPS组件10都是自供电的，例如由锂电池供电，并且优选地能够持续多年地发射和/或接收基于进行的单独位置数据，例如可以借助IP协议。在优选实施例中，使用能穿透例如在甚低频(VLF)无线发射系统中所示的实施例的介质的射频发射来进行位置信息的发射。该系统可以实现通过高达2000米距离的岩石的数据传输。然而，根据环境其他电磁辐射(emr)发射系统可能是适合的。McGraw-Hill于1941年出版的Stratton，J.A.所著的ElectromagneticTheory提供如下的公式来计算介质中电磁波的电分量和磁分量：

E＝E₀.exp(-αz).exp(i(ωt-βz))

H＝H₀.exp(-αz).exp(i(ωt-βz))

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω\μ\σ}}}$

其中：

α＝衰减常数(奈培)

z＝传播距离(米)

ω＝频率(弧度/秒)

β＝相位常数(弧度/米)

μ＝导磁率

σ＝电导率(西门子/米)

δ＝透入深度(米)＝波形衰减到其数值的1/e或(0.386)的长度

穿透深度受到电导率(矿石含量)和含水量(百分比湿度)的影响。如果岩体导电率很高，则传输能量将扩散到几米范围内。然而，在分段崩裂操作中，矿石等级相对较低，从0.4％到1％。较低频率允许较高的穿透，但是信号的精确定时的难度也加大。

图1示出了在本发明的方法中使用的基本定位系统，其依照三角测量原理来定位接收器以使用X、Y、Z坐标确定位置。每个UPS组件10都传播经过编码的emr信号，例如VLF无线电信号，包括标识符信息，该标识符信息可以由基站计算机52识别，从而发送该信号的特定UPS组件10是可识别的。UPS组件10的位置被定位在参考栅格4上的一点，表示包含一组UPS组件10的被监测区域2。

根据本发明，UPS组件10的一个组被插入到岩体中。图2示意性示出的每个UPS组件10具有至少一个电源11和优选的定位仪器。优选实施例的UPS组件10装备了具有发射和接收能力的装置(例如VLF收发器(未示出))，尽管UPS组件10可以替代地装备具有发射能力的装置(例如，VLF发射器19)和具有接收能力的单独装置(例如，VLF接收器21)。尽管利用球形壳体12示意性地示出，但是壳体还可以替代地被不规则地配置来模拟岩体内岩石的形状。外壳12把嵌入式计算机14优选地与三轴陀螺仪13、至少一个三轴加速度计15和内应变干涉仪17和可能的三轴倾斜仪23一起容纳。应变干涉仪17尽管不是定位系统的一部分，但是也可以用来确定施加在UPS组件10上的压力。

为了把UPS组件10插入图1所示被监测区域2内的岩体内，通常从表面或者岩体上的隧道钻孔。这些孔的直径大约为6英寸，并且向下延伸到岩石中针对最深UPS组件10所需要的深度。UPS组件10被插入并且以已知的仰角灌入每个钻孔。UPS组件10可以被挂在公共电源线(未示出)上，同时处于钻孔中，以使得装置10中的电池被完全充满电直到岩体开始破碎为止。这些电源线延长了电池电力并且由此延长了UPS组件10的使用寿命。随着矿体开始破碎，电源线将与UPS组件10断开连接，并且UPS组件10将自动切换到电池供电。

用于优选实施例的初始系统配置使用表示被监测区域2内的UPS组件10的初始钻孔位置的参考栅格4。应该理解的是，初始系统配置还可以是图1所示栅格模式之外的其他栅格模式。例如，扇形模式(未示出)而不是栅格模式中UPS组件10的插入可以允许把UPS组件10从表面上大体相同的位置插入到被监测区域2中，从而钻孔机不需要在插入过程中被移动到不同的位置。对表面上某些区域的可访问性可能也是影响用于把UPS组件10插入到地下的初始系统配置的一个因素。

每个UPS组件10被嵌入到钻孔中，并且初始位置被录入3D显示软件中。基本结构是由管VLF天线20的VLF通信的基站计算机52组成的。

在本发明的优选实施例中，具有分别发射第一天线emr信号、第二天线emr信号和第三天线emr信号的至少第一天线、第二天线和第三天线，例如示出VLF天线20的实施例所示。(可以有四个或五个VLF天线20，或者如果需要可以有更多的天线，在不同平面限定岩体，例如图8的实施例所示)。每个VLF天线20被置于岩体的当前位置和预期位置两者的通信范围内。除了必须能够进行下文所述的信号接收的基站天线8之外，该实施例中大部分VLF天线20只需要能进行信号发射，而不需要能进行信号接收。VLF天线20例如通过同轴连接电缆22连接到原子钟站24，同轴连接电缆22包含原子钟26或者连接到原子钟26。连接到原子钟站24的每个VLF天线20的每个连接电缆22的长度都相等，而不管VLF天线20与原子钟站24的距离有多远，从而使得VLF天线20同步操作。

一旦UPS组件10开始与岩体一起运动，或者在岩体内运动，则第一VLF天线20在时刻T1发射第一信号，该第一信号包括来自原子钟26的时间数据，并且由各个UPS组件10接收该第一信号，并且根据接收信号时的UPS组件位置分配坐标X₁Y₁Z₁。T₁由此对应于正弦波形上的初始位置，表示第一信号离开第一VLF天线20的时间，如图3A所示。在优选实施例中，第一VLF天线20发射一串预定数量的脉冲，每个脉冲依次经过精确校准从而以指定时间间隔发射，例如每5毫秒。这得到了可以使用噪声信号在数字测量系统中实现的相位测量系统。它还允许UPS组件10通过脉冲计数将脉冲与进行发射的特定VLF天线相关联，例如，如果在每个VLF天线在50毫秒内发出特定数量脉冲(例如，10个脉冲)之后发射在VLF天线20之间循环，则可以知道在来自第一VLF天线20的前10个脉冲之后，信号从第二VLF天线20被发射，并且在另外10个脉冲之后，信号从第三VLF天线20被发射，等等。

由于所有VLF天线20都同步操作，所以T₂对应于正弦波形上表示第二信号离开第二VLF天线20的时间的第二位置，如图3B所示，该第二信号由各个UPS组件10接收，并且根据接收第二信号(脉冲串)时UPS组件10的位置分配坐标X₂Y₂Z₂。第二VLF天线20由此发射第二脉冲串(可以在第一VLF天线20完成发送与第一VLF天线20有关的脉冲串之后立即开始)，每个脉冲依次经过精确校准从而以特定时间间隔发射，例如每5毫秒。

T₃类似地对应于正弦波形上的第三位置，表示第三信号离开第三VLF天线20(如果存在的话)的时间，如图3C所示，该第三信号由各个UPS组件10接收并且根据接收第三信号时UPS组件10的位置分配X₃Y₃Z₃。第三VLF天线20发射第三脉冲串(可以在第二VLF天线完成发送与第二VLF天线20有关的脉冲串之后立即开始)，每个脉冲都经过精确校准从而以特定时间间隔发射，例如每5毫秒。

在该实施例中，UPS组件10中的每一个都能进行信号发射和接收。一旦UPS组件10接收来自VLF天线20的信号，则UPS组件10检测其位置，并且随后发射包括至少唯一标识符的特征信号以及表示该UPS组件10的位置或飞行时间的数据。来自发射UPS组件10的特征信号被发射范围内的所有其他UPS组件10接收。来自其他UPS组件10的特征信号类似地由该范围内的UPS组件10接收并发射，从而通过一组UPS组件10以级联方式中转数据，直到来自所有(或基本上所有)UPS组件10的信号由基站天线8接收。

基站天线8被置于岩体的当前位置和期望位置两者的通信范围内，在分段崩裂采矿情况下，优选地(并非必须)是在岩体底部。因为该实施例中的UPS组件10不仅发射它们自己的数据，还作为转发器发射从其他UPS组件10接收的数据，所以基站天线8可以定位岩体当前和期望位置中的单个UPS组件10的通信范围内的任何位置。基站天线8从至少一个UPS组件10(很可能是最靠近基站天线8位置的一个或多个UPS组件)接收所有UPS组件10的中转特征信号，这些中转特征信号包含针对分别与每个UPS组件10的唯一标识符有关的每个UPS组件10的位置数据。图4示出了由UPS组件10到基站天线8的数据中转。

来自所有UPS组件10的特征信号随后从基站天线8例如经由同轴电缆发射回基站计算机52。基站计算机52根据UPS组件10从VLF天线20接收的信号的飞行时间计算UPS组件10的位置的任何变化。在该实施例中，飞行时间可以从每个UPS组件10接收和添加时间戳的多个发射信号之间的相位差得到，这些发射信号随后通过UPS组件矩阵被中转到基站天线8。相移与信号经过的距离成比例，并且可以被校准从而为每个UPS组件10如下所述地提供时间关系上的(x，y，z)位置。

下面描述了可以使用噪声信号在数字测量系统中实现的相位测量系统的数学推导。卷积过程的平均效果减小了最终测量中的误差。以下公式是针对至少一种方式的理解给出的，其中本发明提供的数据可以被分析和利用。然而，本发明的方法涉及一种产生位置数据的系统，而并非意在限制成如何处理或使用数据。

根据麦克斯韦方程，时间t和位置x处的电场可以表述为

E(x，t)＝E_oe^i(ωt-λx)

其中：

λ＝波长(也等于v/f；速度/频率)

x＝位置(距离)(单位为米)

ω＝频率(单位为弧度/秒)

如果不考虑一般性损失，被发射信号可以被看作正弦信号：

S＝sin(ωt)

位置(x，y，z)处的接收器(以及UPS组件10)可以在一起考虑。假定四个位于点(x_A，y_A，z_A)、(x_B、y_B、z_B)、(x_C、y_C、z_c)和(x_D、y_D、z_D)的发射器(即，天线20)A、B、C和D，每一个都发射一串正弦波形，每个正弦波依次经过校准从而(例如)每5毫秒开始。接收器接收的信号将是S＝sin(ωt+δt)，其中δt是信号的飞行时间。这可以看作是产生对于每个源来说都不相同的相移。根据信号波长表示的相移将是(例如，从发射器A到接收器)：

${\mathrm{\θ}}_A=\frac{D_A}{\mathrm{\λ}}$

其中D_A是发射器A到接收器的距离，λ为介质中感兴趣频率的波长。通过下式实现相移到距离的转换：

由相移表示基于正弦信号的接收信号，存在四个方程：

S_A＝sin(ωt+θ_A)

S_B＝sin(ωt+θ_B)

S_C＝sin(ωt+θ_C)

S_D＝sin(ωt+θ_D)

信号可以存储在单板电路中能针对每个信号在数值上确定相移θ的UPS组件10上。所有这些信息还有可能被发射回基站计算机52用于这种计算。不能在接收器处测量绝对相位，只能测量相对相位差。相位差表示双曲线，双曲线的交点提供了接收器的(x，y，z)位置。四个发射器是优选的，从而为将以优选精确度定位接收器的三个变量提供足够的信息。如果仅使用三个发射器也可以确定接收器的位置，当然结果的精度会变低。

空间上位于(x，y，z)与(x_A，y_A，z_A)的两点之间的距离由勾股定理的3D形式给出：

$D=\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}$

通过测量连续发射之间的相位差，可以把它转换成与接收器的距离和与两个发射器的距离之间的距离差。定义D_AB作为如上定义的D_A与D_B之间的差。距离差可以表示为：

$D_A-D_B=D_{\mathrm{AB}}=\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}-\sqrt{{(x-x_B)}^2+{(y-y_B)}^2+{(z-z_B)}^2}$

$D_A-D_C=D_{\mathrm{AC}}=\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}-\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}$

$D_C-D_B=D_{\mathrm{CB}}=\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}-\sqrt{{(x-x_B)}^2+{(y-y_B)}^2+{(z-z_B)}^2}$

$D_C-D_D=D_{\mathrm{CD}}=\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}-\sqrt{{(x-x_D)}^2+{(y+y_D)}^2+{(z-z_D)}^2}$

重新调整方程给出：

$D_{\mathrm{AB}}-\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}=\sqrt{{(x-x_B)}^2+{(y-y_B)}^2+{(z-z_B)}^2}$

$D_{\mathrm{AC}}-\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}=\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}$

$D_{\mathrm{CB}}-\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}=\sqrt{{(x-x_B)}^2+{(y-y_B)}^2+{(z-z_B)}^2}$

$D_{\mathrm{CD}}-\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}=\sqrt{{(x-x_D)}^2+{(y-y_D)}^2+{(z-z_D)}^2}$

通过对每个方程两侧求平方并且化简，得到以下方程组：

$\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}=[-{D^2}_{\mathrm{AB}}+2{\mathrm{xx}}_A-{x^2}_A+2{\mathrm{yy}}_A-{y^2}_A+2{\mathrm{zz}}_A-{z^2}_A$

$-2x{x}_B+{x^2}_B-2{\mathrm{yy}}_B+{y^2}_B-2{\mathrm{zz}}_B+{z^2}_B]/(-2D_{\mathrm{AB}})$

$\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}=[-{D^2}_{\mathrm{AC}}+2{\mathrm{xx}}_A-{x^2}_A+2{\mathrm{yy}}_A-{y^2}_A+2{\mathrm{zz}}_A-{z^2}_A$

$-2{\mathrm{xx}}_C+{x^2}_C-2{\mathrm{yy}}_C+{y^2}_C-2{\mathrm{zz}}_C+{z^2}_C]/(-2D_{\mathrm{AC}})$

$\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}=[-{D^2}_{\mathrm{CB}}+2x{x}_C-{x^2}_C+2{\mathrm{yy}}_C-{y^2}_C+2{\mathrm{zz}}_C-{z^2}_C$

$-2{\mathrm{xx}}_B+{x^2}_B-2{\mathrm{yy}}_B+{y^2}_B-2{\mathrm{zz}}_B+{z^2}_B]/(-2D_{\mathrm{CB}})$

$\sqrt{{(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2}=[-{D^2}_{\mathrm{CD}}+2{\mathrm{xx}}_C-{x^2}_C+2{\mathrm{yy}}_C-{y^2}_C+2z{z}_C-{z^2}_C$

$-2{\mathrm{xx}}_D+{x^2}_D-2{\mathrm{yy}}_D+{y^2}_D-2{\mathrm{zz}}_D+{z^2}_D]/(-2D_{\mathrm{CD}})$

该方程组可以求解提供接收器的x，y和z坐标，以及发射UPS组件10的坐标。其他方程组可以用来计算UPS组件相距它们各自发射的位置。

尽管采用分段崩裂采矿的方式描述了本实施例，其中UPS组件10经由钻孔被插入到岩体中，但是本领域技术人员能够理解，UPS组件10还可以附着于地下环境(包括水下环境)中的人体(例如，采矿者)或器材(如机器、车辆或自动设备)，并且实现相同的功能。人体或器材(附着有UPS组件10)可以处于岩体或水体内的隧道中。当人体或器材移动通过地下环境时，所附着的UPS组件10起到与在如上所述的岩层中输送时类似方式的作用。所附着的UPS组件10的位置提供了有关地下环境中人体或器材的移动和位置的信息。

因此本领域技术人员将会理解的是，在此所述的本发明可以用于其中射频通信能够穿透介质的任何地下环境。例如，本发明具有水下环境的应用，其中UPS组件10可以用来确定水流的流动特性，或者例如水底(如海底)任意给定深度(例如)的人体(例如，潜水者)或器材的位置。本发明还具有其他环境下的应用，如地球外或纳米环境。本发明的功能依赖于频率。可以选择频率来适应采用本发明的定位系统的特定环境。在微米环境中，可以使用较高频率，而在宏观环境中，可以使用极低频率。

在本发明的其他实施例中，每个UPS组件10配有其自身的原子钟18，并且内部地产生用于发射到基站天线8的时间数据，根据时间数据可以确定到每个VLF天线20的飞行时间。一旦岩体开始移动，UPS组件10就发射位置数据、或者能导出位置数据的数据(如时间数据)，该数据由布置在岩体的当前和期望位置两者的通信范围内的至少两个VLF天线20所接收，并且，优选地由与图5所示那些VLF天线20类似的在不同平面上包围岩体的三个、四个或五个VLF天线20所接收。在该实施例中，VLF天线20从UPS组件10接收信号，并且把接收的信号发射到基站50。在该实施例中，能进行信号发射和接收的UPS组件10是优选的，但是也可以使用能进行信号发射而不能进行信号接收的UPS组件10。所有天线20都可以耦合到信号发射器(未示出)，或者每个天线都可以耦合到其自身的信号发射器，用于把接收信号发射到基站50。

如上所述，基于从每个UPS组件10发射的间歇信号之间的空间变化，确定每个UPS组件10随时间运动的空间路径。根据该信息，计算有关岩洞的流动路径、流动速度和动态特征的经验信息。数据可以绘制在三维“地理信息系统”(即GIS)上。该系统提供经验数据，对经验数据的分析考虑到对岩体内的流动的理解。如果UPS组件10容纳在近似为岩体中岩石形状的外壳中，则该数据会更准确。

在该实施例中，可以通过方程E1确定UPS组件10的位置：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-\mathrm{xi})}^2+{(y-\mathrm{yi})}^2+{(z-\mathrm{zi})}^2={\left(\mathrm{Ri}\right)}^2\\ i=\mathrm{1,2,3,4}\end{array}\right.\---\left(E1\right)$

使用几种方法可以求解方程E1从而减小UPS组件10的定位误差。优选方法将在方程右侧添加延迟并且对解决方案进行模拟直到误差减小到最小值。

为了提高系统的精度，可以采用用于定位的数学算法从而校正由于岩体内的运动导致的信号特性的改变。数学算法的第一种方法以特定类型的信号为基准，如声学信号。随后可以把校正算法扩展到任何类型的算法，这是因为可以使用通过物理学上三个主要特性(即，动量守恒、质量守恒和不可压缩流体方程)的组合导出的波形方程来对任何类型的已知信号的通用公式进行建模。

由下式给出用于声学信号的通用波形方程：

${\▿}^{2}S=\frac{\mathrm{\ρ}}{K}\frac{{\∂}^{2}S}{\∂t^2},$

S(u，t)＝S₀sin(ku-wt)(E2)

ρ＝mass_density

K＝Bulk_mod ulus_elasticity

由于优选地利用四个VLF天线20从UPS组件10接收位置信号从而精确确定岩石在岩洞中的位置，对岩石位置的估计可如下求解方程组(E2)：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x1)}^2+{(y-y1)}^2+{(z-z1)}^2={\left(R1\right)}^2\\ 2x(\mathrm{xi}-x1)+2y(\mathrm{yi}-y1)+2z(\mathrm{zi}-z1)={R1}^2-{R1}^2-({x1}^2-{\mathrm{xi}}^2)-({y1}^2-{\mathrm{yi}}^2)-({z1}^2-{\mathrm{zi}}^2)\\ i\≠1\end{array}\right.---\left(E2\right)$

该方法由保持方程1并且通过从它们每一个中减去1来替代其他方程两部分组成。这得到了形为AX+BX+CZ＝D的方程组，这是一个能很容易求解的线性方程组。然而，一旦确定了解，它必须验证第一非线性(或球面)方程。如果距离Ri被设为常数，则这会是个挑战。该方程组可能得到纯数学形式的空集解。然而，这假定每个源到UPS组件10的距离为常数，这将意味着绝对确信地知道岩石环境中信号的飞行时间。通常，情况并非如此。

图6示出了每个信号的飞行时间为随机的情况。由于更多的源被添加到方程组，所以不确定带变小，得到对位置的更好近似。方程(E1)可以如下被变形成包括不确定带：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-\mathrm{xi})}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-\mathrm{zi})}^2={\left(c_i{t}_i\right)}^2\\ c_i=\mathrm{speed}\_\mathrm{of}\_\mathrm{signal}\\ t_i=\mathrm{probabilistic}\_\mathrm{time}\_\mathrm{of}\_\mathrm{flight}\\ i=\mathrm{1,2,3,4}\end{array}\right.---\left(E3\right)$

在本发明的另一实施例中，将原子钟18与声学岩洞前方分析结合一起使用。该实施例结合声学和甚低频(VLF)无线传输，并且能够提供有关岩洞前方工作情况的非常准确和有用的信息。尽管比上述实施例更复杂，但是这种设计具有潜力来提高有关岩石运动和成分的高质量信息。图7示出了适于该实施例的UPS组件，其中具有用于接收声学信号的麦克风16和原子钟18。

以光速通过岩石传播的波将很可能比声波更快到达，这是因为声波没有无线电波传播的快。一般而言，这种差别是由于岩石中的存在的断裂引起的。例如，当同时发出无线电信号和声学信号式，一旦无线电波(以光速传播)和声波到达UPS组件10，到达时间的相对差是对岩石质量的指示，即信号传播经过的岩石的断裂数量和程度。由于UPS组件10之间的紧密距离以及以光速进行VLF无线电传输的事实，原子钟18必须具有极高的分辨率。

在该实施例中与UPS组件10的通信是使用多个VLF天线20经由VLF无线电网络进行的。VLF天线20安装在矿体四周已知位置(X_1V，Y_1V，Z_1V)，(X_2V，Y_2V，Z_2V)和(X_3V，Y_3V，Z_3V)。在该实施例中的声学技术包括用于定位的外部声学发射器或发生器30和对VLF天线20应用的结合。声学发射器30安装在矿体四周已知位置(X_1A，Y_1A，Z_1A)，(X_2A，Y_2A，Z_2A)和(X_3A，Y_3A，Z_3A)。优选地，每个声学发射器30都连接到基站50。

在该实施例的操作中，如上所述定位UPS组件10、声学发射器30和VLF天线20。随着UPS组件10开始运动，每个UPS组件10内的运动检测器被激活。三轴测斜器、加速度计和应变仪采集来自UPS组件10运动的数据。该信息提供了关于单个UPS组件10的运动的数据，该信息被存储在UPS组件单板计算机14的存储器中，用于传输到VLF天线20并且随后经由VLF天线20网络传输到基站50，其中数据被输入到数学方程用于求解。在该实施例中，所有原子钟都必须首先经过同步从而确保精确度。

一旦发生运动，UPS组件10中的运动检测器就向UPS组件10发信号离开“睡眠”模式，并且在预定时间间隔之后，UPS组件10经由VLF发射器19把初始信号发送到VLF天线20，并且依次发送到基站50，表明UPS组件10已经移动到新位置。图8概念性地示出了单个UPS组件10的初始运动，此刻，从UPS组件10VLF传输到VLF天线20(如图11所示)，并且从那里传输到基站50，从而发出UPS组件10的初始运动的信号。基站计算机52处理接收到的VLF数据并且命令每个声学发射器30向UPS组件10发送信号，如图9A到图9E所示，声学测量传播的持续时间。基站计算机52类似地命令每个VLF天线20向UPS组件10发送信号，如图10A到图10C所示，测量将以光速传播的持续时间。

在本发明的另一实施例中，UPS组件10不必发送信号来指示初始运动。相反，声学发射器30以已知间隔发送被UPS组件10接收到的信号。类似地，VLF天线20以已知间隔发送被UPS组件10接收到的信号。

在该实施例中，一旦VLF信号传输、声学信号传输和数据采集完成，基站50将优选地被发送两个数据集。数据集可以用来从其他信息中得到UPS组件10处的VLF无线电波的到达时间和声波的到达时间。VLF数据将更迅速，而声波将会较慢，但是可以从每个UPS组件10中的单板计算机14提供对于岩石特性的线索从而比较和分析。图11示出了VLF/原子钟以及声学信息数据集传输回到基站50用于确定数学解。

可以采用各种方式实现VLF/原子钟和声学信号数据集向基站50的传输。例如，在优选实施例中，每个UPS组件10可以配备转发器功能，能够从邻近的UPS组件10接收和转发数据集。这种转发矩阵可以随意地或者以基站50的常规方向把数据集(主要是UPS组件10之间的级联数据信号)从UPS组件10传输到另一个UPS组件10，最靠近基站50的一个UPS组件或多个组件最终把数据集直接传输到基站50(或者随后可以把数据集传输到基站的VLF接收器)。这样的转发矩阵会要求仅在短距离(例如，UPS组件之间小于30米)上传输信号，从而允许UPS组件10节省电力。

在本发明的另一实施例中，每个UPS组件10都把数据集传输到VLF天线20，用于转发到基站50。在本发明的又一实施例中，每个UPS组件都把数据集直接传输到基站50。

在一些实施例中，每种传输(无论是声学信号还是VLF无线电信号)都优选地通过传输时刻传输部件的原子钟18的瞬时时间设置加注时间戳，并且与接收时刻接收部件的原子钟18的瞬时时间设置相关联。借助此信息，基站计算机52由此针对各个声学发射器30发出的每个声学信号计算飞行时间(从声学发射器30的发射和UPS组件10接收之间经过的时间)；并且针对每个VLF无线信号计算飞行时间(各个VLF天线20的信号的发射与每个UPS组件10接收VLF无线信号之间经过的时间)。通过每个数据集的三角测量，可以实现对期望时间间隔的瞬时UPS组件10位置的准确估计，由此实现对岩石运动和位置的准确估计。路径描述的精度是所使用的声学发射器30和VLF天线20的数量的函数。借助所使用的每个附加的声学发射器30或VLF天线20，可以计算出对实际运动的更好确定。

应该理解的是，可以仅使用一种传输类型就可以实现本发明的监测系统和方法。然而，在所述实施例中，使用两种不同传输类型(例如声学和VLF无线电传输)提供的附加信息可以明显提高数据分析的精度。

VLF无线电通信以比声学信号更快的传播速度通过岩石。由于使用原子钟18对传输和接收时间加注时间戳，所以这种结果对于利用VLF无线电的本发明的实施例来说具有更高程度的精度。这被称为“紧密数据”，而声学数据被称为“疏松数据”，“疏松数据”不需要相同精确程度的时间戳。对于本发明方法的每次迭代来说，在疏松数据和紧密数据所估计的位置之间会存在差别，这个差别被分析来描述位于矿体外部的每个发射源之间的岩体质量。较大误差(传播持续时间之间的差)表明断裂太多并且不太符合条件。VLF无线电频率信号通过岩石的传输速度大于声学信号的传输速度，因此从声学信号预料到更大程度的误差。与VLF系统的较小误差相比，这个较大误差提供了更丰富的感测系统。这反过来提供了对岩洞前方的更具体考察。

该结果构成了在分析时岩洞前方成分可能呈现的概念画面。以一定间隔重复该处理，例如优选的是每天或每周，用于在该采矿方法中描述岩体的特性。

本发明的另一实施例仅使用基于声学的装置用于定位。图12示出了该实施例的UPS组件70的示图，包括用于定位的外部声学发射器30和用于把飞行时间信息传输到基站计算机52用于三角测量的VLF天线20的组合。在该实施例中，UPS组件70可以具有与前述实施例的UPS组件10相同的所有内部部件，除了在该实施例中的UPS组件70中不需要原子钟，相反，各个VLF天线(仍然可以提供定时信息)与声学接收器接收的相对时间用于三角测量计算从而确定UPS组件70的瞬时位置。

在该实施例中，可以使用如优选实施例中的VLF天线20或者VLF环路天线40，更优选地是使用两个VLF环路天线40。应用VLF环路天线40提供了用于VLF信号发射和接收的大覆盖区域。图13示出了VLF环路天线40的初始设置。一个天线位于表面，一个位于监测区域下方。位于监测区域下方的天线例如可以定位在矿井隧道中。

在本发明的另一实施例中，可以使用VLF铁氧体磁芯天线来代替VLF环路天线40。当VLF环路天线40缠绕在铁氧体磁芯周围而代替连续环路时，这能够从已知点发射VLF无线电信号，这是因为每个VLF铁氧体磁芯天线都可以置于预定位置。UPS组件70被插入在钻孔栅格构造中，如上所述的实施例那样。

随着UPS组件70开始移动，启动UPS组件70外壳72内部的运动检测器(或三轴陀螺仪13)73。三轴倾斜仪75、加速度计76和应变仪77根据该运动采集数据，并且将其存储在UPS组件70单板计算机74的存储器中，经由VLF天线20传输到基站50，输入到数学方程中用于求解。尽管针对这些特征中的每一个提供了多个部件用于冗余，但是应该理解的是，仅需要每个部件中的一个来完成其各自功能。

在采集板上的感测信息的同时，运动检测器73把信号发送到单板计算机74以指示运动。随后信号通过VLF天线20被转发到基站50。基站计算机52处理所接收到的VLF数据，并且命令每个声学发射器30向每个组件70发出信号，开始UPS组件70的声学定位。运动检测器73和单板计算机74中的短时存储减小了计算机和传感器加电的时间量，在选择的时间段内UPS组件70不运动时允许进入“睡眠”模式，这反过来减小了功耗并且增加了UPS组件70对于数据采集可用的时间长度。

图14A到图14E示出了对每个信号从基站50到UPS组件70的传输持续时间的测量。使用用于“n”个信号数量的矩阵计算，确定UPS组件70的定位。为了准确验证，使用不同的信号数据组合并且为了更有效的估计进行平均。

图15示出了UPS组件70传输回到基站50用于三角测量的传输时间。为了完成定位处理，包含存储在每个UPS组件70中的所有数据的信号被发射到基站计算器52用于计算、数据分析以及如果期望的话用于视觉展示。该实施例可以使用与VLF语音通信和微震系统当前使用的那些技术相类似的声学发射技术。发射能力根据岩石类型和定位分辨率而不同。

本发明的另一实施例在每个UPS组件80内使用原子钟18，但是没有使用声学信号，所以在每个UPS组件80中不需要存在麦克风。图16示出了该实施例的UPS组件80的示图。

随着该实施例的UPS组件80开始运动，运动检测器唤醒UPS组件80并且系统联机。三轴倾斜仪和加速度计根据岩石运动采集数据。UPS组件80向基站50发出其已经移动位置的信号。

随着三角测量处理开始，所有原子钟18都必须保持同步以确保确切的精度。价格较低的高精度时钟可以足以替代原子钟18。UPS组件80经由每个VLF天线20向基站50发射传播时间用于计算UPS组件80位置。一旦所有信号由UPS组件80从VLF天线20接收到并且存储在每个单板计算机中，包含采集数据的信号就被传播到基站计算机52，在那里执行计算。

基站计算机52计算每个信号到达UPS组件80所经过的时间。通过三角测量，获得了UPS组件80运动和定位的准确画面。路径描述和地下GPS系统的精度是所使用的VLF天线20的数量的函数。利用每个附加的VLF天线20，计算出了对实际运动的更好画面。

由于原子钟18与以光速进行的传输的结合，所以这一概念的优势在于非常精确。也具有鲁棒性并且具有增强的生存性。然而，与研发初始系统相关的成本很高，这种系统的长期成本会降低。

本发明的另一实施例可以使用基于陀螺仪的UPS组件(未示出)。在该实施例中，UPS组件不需要麦克风或原子钟。与UPS组件10的通信经由具有大环路天线的VLF无线网络，优选的是具有两个大环路天线40。对于该实施例来说，VLF铁氧体磁芯天线不是必须的。

用于本发明该实施例的UPS组件10的初始系统配置类似于第一实施例。随着每个UPS组件10运动并且空间转换，UPS组件10的内部感测系统开始工作。加速度计感测运动，三轴陀螺仪记录微小位移和旋转。该信息提供了各自的UPS组件x，y，z坐标数据。该信息被存储在单板计算机14中，准备用于经由VLF无线电网络进行传输。

如前述实施例那样，一旦UPS组件10开始运动，就把其位置发射到环路天线40并且最终传输到基站50用于显示。由于每个UPS组件10都具有VLF传输系统，所以板上信息可以从UPS组件10传输到VLF环路天线10。该系统是以低速，具体地说大约是几个波特来下载数据的单向系统。一系列低速通信把位置数据从UPS组件10下载到基站计算机52用于显示。在该实施例中，上述数学计算不是必须的，这是因为仪器是装载在每个UPS组件10上，所以单板感测系统直接确定定位。

随着岩洞前进，几个UPS组件10同时移动。在该实施例中，每个UPS组件以随机次数发射其数据，从而减小冲突和所得到的信息损失。这允许缓慢地传输所有数据，由于VLF是极低容量系统，所以这是必须的。然而，期望岩体内的运动是缓慢的，所以低速率的数据传输是没有问题的。

即使最好的陀螺仪每小时也大约漂移1度。为了补偿陀螺仪漂移，该方法需要再次校正以有效工作。该实施例的优势在于最小的硬件需求和可直通运行的通信系统。

以示例方式具体描述了本发明的各种实施例，明显的是，本领域技术人员可以在不脱离本发明的情况下作出多种变型和修改。

Claims (24)

1.一种用于监测地下环境中的运动的系统，包括：

至少第一天线、第二天线和第三天线，用于发射电磁辐射(emr)信号，能从该电磁辐射信号中得到飞行时间数据，每个天线均连接到至少一个信号发射器，所述第一天线用于发射与所述第一天线有关的第一天线信号，所述第二天线用于发射与所述第二天线有关的第二天线信号，所述第三天线用于发射与所述第三天线有关的第三天线信号；

多个地下定位系统(UPS)组件，以一定间隔关系置于所述地下环境内，每个UPS组件均包括

至少一个UPS发射器，用于发射电磁辐射UPS信号，该电磁辐射UPS信号至少包括把所述UPS信号与发射UPS组件进行关联的标识符和与从至少第一天线、第二天线和第三天线接收的信号有关的数据；以及

至少一个UPS接收器，用于接收来自所述第一天线的所述第一天线信号、来自所述第二天线的所述第二天线信号以及来自所述第三天线的所述第三天线信号；以及

基站天线，耦合到基站接收器并且被定位用于接收所述UPS信号并且把所述UPS信号、或与所述UPS信号对应的信号发射到数据处理装置；

从而在UPS组件的至少一个移动时，数据处理装置从UPS信号得到至少一个移动UPS组件的运动方向或至少一个移动UPS组件的运动速度，或者运动方向和运动速度两者。

2.如权利要求1所述的系统，其中飞行时间数据至少部分是由原子钟从提供给至少第一天线、第二天线和第三天线的数据得到的。

3.如权利要求2所述的系统，其中至少一个UPS发射器能转发从其他多个UPS组件接收的至少一个UPS信号，并且所述UPS接收器能从其他多个UPS组件接收UPS信号用于转发，并且基站天线从至少一个UPS组件接收所述UPS信号。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线中的每一个都顺次发射一系列数据串，并且飞行时间数据至少部分是从对连续发射之间的相移进行识别的数据得到的。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述地下环境包括流体材料并且所述UPS组件悬置在流体材料中。

6.如权利要求2所述的系统，其中所述UPS组件附着于人体或移动器材。

7.一种位置监测系统，用于监测在地下环境中的运动，包括：

多个地下定位系统(UPS)组件，用于悬置在所述地下环境中，每个UPS组件都包括至少一个信号发射器，所述信号发射器用于发射具有标识符的电磁辐射特征信号，该标识符用于将该信号与发射UPS组件相关联；

第一天线，耦合到第一信号接收器，并且被定位用于从所述UPS组件接收所述特征信号，并且把所述特征信号、或者与该特征信号对应的信号发射到数据处理设备；以及

至少一个第二天线，耦合到所述第一信号接收器或者另一信号接收器，并且被定位用于从所述UPS组件接收特征信号，并且把所述特征信号、或者与该特征信号对应的信号发射到数据处理设备；

从而在至少一个移动UPS组件移动时，根据发射时间和接收时间所定义的飞行时间，从与来自所述UPS组件的特征信号对应的第一天线和至少第二天线接收信号的所述数据处理设备确定与每个特征信号相关联的每个发射UPS组件的位置，每个特征信号在该发射时间被发射，每个特征信号在该接收时间由所述天线接收，由此提供对至少一个移动UPS组件运动的方向或速度中的至少一个、或者方向和速度两者的指示。

8.如权利要求7所述的位置监测系统，包括第三天线，耦合到所述第一信号接收器或另一信号接收器，并且定位用于从所述UPS组件接收特征信号。

9.如权利要求7所述的位置监测系统，其中所述UPS组件被嵌入流体材料中，并且所述UPS组件发射的在移动的流体材料中产生的特征信号提供对所述流体材料运动的方向或速度中的至少一个、或者方向和速度两者的指示。

10.如权利要求7所述的位置监测系统，其中多个UPS组件中的至少一些还包括用于从所述天线接收信号的接收器。

11.如权利要求7所述的位置监测系统，其中所述多个UPS组件中的至少一些包括声学接收器，该系统还包括多个声学发射器，用于把声学信号发射到多个UPS组件。

12.如权利要求7所述的位置监测系统，其中所述电磁辐射信号是甚低频(VLF)信号。

13.如权利要求7所述的位置监测系统，其中所述多个UPS组件中的至少一些能从所述多个UPS组件中其他一些中接收和转发特征信号。

14.一种地下定位系统(UPS)组件，用于监测在地下环境中的运动的位置监测系统，该位置监测系统包括：至少一个第一天线，耦合到第一信号接收器并且被定位用于从UPS组件接收特征信号并且把该特征信号发射到数据处理设备，地下定位系统(UPS)组件至少包括：

外壳；和

包含在外壳内的信号发射器，用于发射具有标识符的电磁辐射特征信号，该标识符用于把该信号与所述UPS组件相关联，

从而在至少一个移动UPS组件移动时，根据与所述至少第一天线接收的每个特征信号、所述UPS组件发射的特征信号相关的数据，从与来自所述UPS组件的特征信号对应的所述至少第一天线接收信号的数据处理设备确定与每个特征信号相关的每个UPS组件的位置，从该数据能得到飞行时间数据，由此提供对至少一个移动UPS组件的运动的方向或速度中的至少一个、或者方向和速度两者的指示。

15.如权利要求14所述的UPS组件，其中所述UPS组件还包括声学接收器。

16.如权利要求14所述的UPS组件，其中所述电磁辐射信号是甚低频(VLF)信号。

17.如权利要求14所述的UPS组件，其中所述UPS组件还包括接收器，用于从所述天线接收信号；以及原子钟，用于为从天线接收到的信号提供数据，其中所述UPS组件根据所述UPS组件从天线接收到信号的相对时间进一步确定所述至少一个移动UPS组件的运动的方向或速度中的至少一个、或方向和速度两者。

18.如权利要求14所述的UPS组件，其中，所述UPS组件能从所述多个UPS组件的其他一些接收和转发特征信号。

19.一种监测地下环境中的运动的方法，包括以下步骤：

a.把多个地下定位系统(UPS)组件定位在地下环境中，每个UPS组件都包括至少一个信号发射器，用于发射具有标识符的电磁辐射特征信号，该标识符把该特征信号与发射UPS组件相关联；

b.在与所述UPS组件通信的第一位置处从所述多个UPS组件接收电磁辐射信号，并且把与在所述第一位置处接收每个电磁辐射信号的时间对应的数据发射到数据处理设备；

c.至少在与所述UPS组件通信的第二位置处从所述多个UPS组件接收电磁辐射信号，并且把与在所述第二位置处接收每个电磁辐射信号的时间对应的数据发射到所述数据处理设备；以及

d.处理所述数据以确定至少一个移动UPS组件的运动的方向或速度中的至少一个、或方向和速度两者。

20.如权利要求19的方法，在步骤d之前包括步骤：至少在与所述UPS组件通信的第三位置处从所述多个UPS组件接收所述电磁辐射信号，并且把与在所述第三位置处接收每个电磁辐射信号的时间对应的数据发射到数据处理设备。

21.如权利要求19的方法，其中在步骤d之前包括步骤：所述UPS组件从与所述UPS组件通信的信号源接收天线信号并且发射与在每个UPS组件处接收每个天线信号的时间对应的数据。

22.如权利要求21的方法，其中所述天线信号是甚低频(VLF)信号。

23.如权利要求19的方法，其中来自所述UPS组件的所述电磁辐射信号是甚低频(VLF)信号。

24.如权利要求19的方法，在步骤d之前包括另一步骤：至少一些所述UPS组件把数据发射到其他UPS组件，以便由至少一个所述其他UPS组件转发到所述数据处理设备。

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