CN102724755A - 一种煤矿井下人员精确定位的方法 - Google Patents

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Abstract

一种煤矿井下人员精确定位的方法，属于煤矿煤矿井下安全领域，其特征在于是一种通过TD-SCDMA网络，通过测定信号的能量损耗精确定位井下人员位置的技术方案。该方案不仅能够快速准确的定位出井下人员所在位置，而且可以实现实时性，确保可以随时追踪到井下人员所在具体位置，计算机对数据进行匹配，方便实用，可操作性强，由于所有工作都可由计算机完成，即使初级人们工作人员也可以操作。

Description

一种煤矿井下人员精确定位的方法
技术领域
本发明一种煤矿井下人员精确定位的方法，属于煤矿煤矿井下安全领域，涉及一种通过TD-SCDMA网络，通过测定信号的能量损耗精确定位井下人员位置的技术方案。
背景技术
煤矿井下人员的安全一直是煤矿安全生产中最为关心的问题，在历年的安全事故发生后，井下人员的救援是事故发生后的头等大事，而井下人员的定位又是救援工作中的重中之重。正如历年矿难报告所述，一旦发生矿难，如果48小时之内井下人员无法获救，生还几率几乎为零，由此可见，快速准确定位是井下人员获救的关键之匙。目前，公知的井下人员定位方法主要有两种，一种是基于互联网技术或无线互联网技术，另一种是基于RFID的电子标签检测方法，尽管在煤矿井中有着一定的应用，但是在在复杂环境下的精确定位还是难以实现，所以急需提升和进一步研究开发这种应用能力的空间。随着具有国家自主知识产权的TD-SCDMA的不断发展，以及技术的日趋成熟，TD技术已被广泛的推广，被渗透进了日常生产和生活中。尤其是近年来大唐公司开发研究的本安基站的实验成功，使得TD技术在井下的应用成为可能。在地面以上的手机定位是通过基站与GPS联合定位实现的，但是在井下无法实用GPS，自由空间下距离和功率损耗的公式                                                
Figure 606430DEST_PATH_IMAGE001
在井下的复杂环境中由巷道壁等因素引起的功率损耗使该公式无法通过功率损耗计算确定相对距离。
发明内容
本发明一种煤矿井下人员精确定位的方法的目的在于：利用TD本身具有的通信性能好，可以应对井下的复杂环境，即使发生矿难，井下巷道被破坏，井下人员的位置依旧可以精确定位，同时TD传输速度快，定位速度快，只需要10几秒钟就可以定位出人员位置，且精度可以精确到米的优势，克服现有井下人员准确定位的方法的不足，提供一种仅基于TD-SCDMA的基站对手机实现定位，可以使井下人员的定位更加精确化、具体化的一种信号能量损耗检测煤矿井下人员精确定位的方法。该方法的创新点是基站的设置和基站的工作方法以及对传统功率和距离关系的改进，使井下人员定位精确可靠。
本发明一种煤矿井下人员精确定位的方法，其特征在于是一种信号能量损耗检测煤矿井下人员精确定位的方法，更准确地讲，是一种采用TD-SCDMA技术，根据TD信号在矿井环境中，功率损耗值与传输距离的关系，精确定位出井下人员所在位置的方法，该方法的具体步骤为：
、在井下安置基站，两个基站之间的间隔为一个基站功效覆盖范围半径，一个信号源被两个基站接收，形成无缝覆盖，不存在盲点，两基站之间的距离≤300m，安置基站的数目根据巷道长度和两基站之间的距离而定，使得基站功效覆盖整个井下巷道，在巷道的每个交叉口，都安置一个基站，基站在架设时就确定了自身的位置，即到巷道口的距离，对基站按顺序进行编号，分别为1、2、3…，一个信号一次只与一个基站进行通信，设置奇数基站在0秒时开启工作，10秒时偶数基站开始工作，同时奇数基站停止工作，20秒时奇数基站又开始工作，同时偶数基站停止工作，这样以10秒为基站工作切换时间，依次进行循环，所述的基站采用大唐电信矿用无线KT15-F基站，其该基站覆盖范围半径为300m；
Figure 273089DEST_PATH_IMAGE003
、在地面安装服务器，在地面安装的是用于接受基站所在位置信息的服务器，该服务器与基站通过光纤连接，基站向服务器提供该基站的位置信息，其所述服务器采用非x86服务器；
Ⅲ、信号发生模块手机的配置，给井下人员配置装有信号发生模块的手机，装有模块的手机每隔一个确定的时间发送一次信号，这个间隔的时间为发射间隔时间，由工作需要确定发射间隔时间，发射间隔时间≤基站工作切换时间，信号被
Figure 268727DEST_PATH_IMAGE002
在井下安置的两个基站依次接收，接收信号的基站向
Figure 937606DEST_PATH_IMAGE002
在地面安装的服务器发出信号，服务器定位出这两个基站所处位置，进而模糊定位出携带该手机人员范围在两基站之间；
Figure 196549DEST_PATH_IMAGE004
、精确定位：用
Figure 498348DEST_PATH_IMAGE005
表示Ⅲ装有模块的手机发射信号的强度，用
Figure 500939DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure 86641DEST_PATH_IMAGE002
基站接收到信号的强度，代入式
Figure 250906DEST_PATH_IMAGE007
中，计算出信号的传播损耗
Figure 807046DEST_PATH_IMAGE008
，用
Figure 347749DEST_PATH_IMAGE009
表示巷道内由于反射、折射和巷道壁面对信号吸收所造成的损耗，构造关于的经验模型，构造方法如下：在行道中，分别取装有模块的手机距基站的距离
Figure 388703DEST_PATH_IMAGE011
=1m，2m，3m…300m，代入公式
Figure 665095DEST_PATH_IMAGE012
，式中
Figure 9488DEST_PATH_IMAGE013
表示工作频率是已知量，计算出
Figure 507466DEST_PATH_IMAGE009
的值，为提高精度同一距离重复计算几次，建立每个距离与行道内损耗值之间一一对应关系数据库，
Figure 486158DEST_PATH_IMAGE002
中确定了两个基站的位置，在精确定位时，以其中一个基站作为基准基站，式
Figure 838642DEST_PATH_IMAGE014
中，和均为未知量，
Figure 515108DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 722098DEST_PATH_IMAGE013
为已知量，通过已经建立的关于和
Figure 823095DEST_PATH_IMAGE010
的数据库由计算机进行数值匹配，能够使等式成立的和
Figure 683134DEST_PATH_IMAGE010
就是所要求得的量，
Figure 967485DEST_PATH_IMAGE016
就是精确的手机距基准基站的距离，即为井下人员到基准基站的距离，若选取位置距巷道口近的基站为基准基站，井下人员的精确位置为基站到巷道口的距离加
Figure 176750DEST_PATH_IMAGE015
，若选取位置位置距巷道口远的基站为基准基站，井下人员的精确位置为基站到巷道口的距离减
Figure 204748DEST_PATH_IMAGE016
，由此精确定位出井下人员的位置。
 本发明一种煤矿井下人员精确定位的方法，优点在于：不仅能够快速准确的定位出井下人员所在位置，而且可以实现实时性，确保可以随时追踪到井下人员所在具体位置。计算机对数据进行匹配，方便实用，可操作性强，由于所有工作都可由计算机完成，即使初级人们工作人员也可以操作。克服了现有的人员定位方法无法进行准确定位的不足，提供了一种信号能量损耗检测煤矿井下人员精确定位的方法，该方法易于操作，准确度高，能实时分析工作人员所在位置，一旦出现矿难，可以第一时间检测到井下人员所处位置，从而可以立即实施救援，保证井下人员工作安全性，降低矿难事故发生后，井下人员的伤亡率。对于基站安置和基站工作方式以及距离功率公式的改进是实现本发明的关键和创新所在。
具体实施方式
下面将更加详细的描述本发明的优选实施方式。
Figure 199380DEST_PATH_IMAGE002
、在井下安置基站，两个基站之间的间隔为一个基站覆盖范围半径，一个信号源被两个基站接收，形成无缝覆盖，不存在盲点，两基站之间的距离≤300m，安置基站的数目根据巷道长度和两基站之间的距离而定，使得基站可以覆盖整个井下巷道，在巷道的每个交叉口，都安置一个基站，基站在架设时就确定了自身的位置坐标，对基站按顺序进行编号，分别为1、2、3…，一个信号一次只与一个基站进行通信，设置奇数基站在0秒时开启工作，10秒时偶数基站开始工作，而奇数基站停止工作，20秒时奇数基站开始工作，偶数基站停止工作，以10秒为基站工作切换时间，每切换一次奇数基站开始工作同时偶数基站停止工作或偶数基站开始工作同时奇数基站停止工作，依此进行循环，所述的基站采用大唐电信矿用无线KT15-F基站，其该基站覆盖范围半径为300m；在地面安装用于接受基站所在位置信息的服务器，该服务器与基站通过光纤连接，基站向服务器提供该基站的位置信息，其所述服务器采用通用非x86服务器；
、给井下人员配置装有信号发生模块的手机，装有模块的手机每隔一个确定的时间发送一次信号，这个间隔的时间为发射间隔时间，由工作需要确定发射间隔时间，发射间隔时间≤基站工作切换时间，此处假设发射间隔时间为10s，基站工作切换时间为20s，信号被
Figure 554455DEST_PATH_IMAGE002
在井下安置的两个基站依次接收，接收信号的基站向
Figure 182883DEST_PATH_IMAGE002
在地面安装的服务器发出信号，服务器定位出这两个基站所处位置，进而模糊定位出携带该手机人员范围在两基站之间；
Ⅲ、精确定位：用表示Ⅱ装有模块的手机发射信号的强度，用
Figure 156710DEST_PATH_IMAGE006
表示Ⅱ装示基站接收到信号的强度，代入式
Figure 278250DEST_PATH_IMAGE007
中，计算出信号的传播损耗
Figure 710368DEST_PATH_IMAGE008
，用表示巷道内由于反射、折射等造成的损耗，构造关于
Figure 476647DEST_PATH_IMAGE010
的经验模型，构造该经验模型属于前期工作，构造方法如下：在行道中，分别取取装有模块的手机距基站的距离
Figure 85483DEST_PATH_IMAGE011
=1m，2m，3m~300m，代入公式
Figure 993396DEST_PATH_IMAGE012
，式中
Figure 66394DEST_PATH_IMAGE013
表示工作频率是已知量，计算出的值，建立了每个距离有一个行道内损耗值
Figure 156600DEST_PATH_IMAGE009
与之对应的关系，为提高精度同一距离重复计算几次，建立距离
Figure 349684DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 488541DEST_PATH_IMAGE009
的数据库，在此，假设一个
Figure 806390DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 134735DEST_PATH_IMAGE011
数据库：
长度（m） 28 29 30 31 32
功率损耗（dBm） 2.1 2.2 2.4 2.5 2.6
假设在距巷道口800m处安置一个基站，据巷道口1100m处安置了一个基站，被测人员处于距巷道口830m处，需要被定位。被测人员所持手机每隔10s定时向基站发射信号，井下人员人员所在位置的信号被800m处的基站和1100m处的基站同时覆盖，于是距巷道口800m处基站和1距巷道口100m处基站分别向位置服务器发出信号，被位置服务器定位，井下人员所在模糊位置为距巷道口800m至距巷道口1100m处基站范围内，以距巷道口800m处基站为基准基站，假设工作频率为2.4GHz，手机发射功率
Figure 120008DEST_PATH_IMAGE017
为70dBm，距巷道口800m处基站接收功率为0dBm，于是耗损功率
Figure 297229DEST_PATH_IMAGE019
为70dBm。通过已经建立的关于和
Figure 502000DEST_PATH_IMAGE010
的数据库
长度（m） 28 29 30 31 32
功率损耗（dBm） 2.1 2.2 2.4 2.5 2.6
由计算机带入公式
Figure 982660DEST_PATH_IMAGE014
进行数值匹配，带入
Figure 602997DEST_PATH_IMAGE015
=30m，
Figure 194515DEST_PATH_IMAGE010
=2.4dBm使等式成立，则手机距基准基站的距离=30m，于是精确定位出井下人员所在位置为距巷道口830m。

Claims (1)

1.一种煤矿井下人员精确定位的方法，其特征在于是一种信号能量损耗检测煤矿井下人员精确定位的方法，更准确地讲，是一种采用TD-SCDMA技术，根据TD信号在矿井环境中，功率损耗值与传输距离的关系，精确定位出井下人员所在位置的方法，该方法的具体步骤为：
Figure 128452DEST_PATH_IMAGE001
、在井下安置基站，两个基站之间的间隔为一个基站功效覆盖范围半径，一个信号源被两个基站接收，形成无缝覆盖，不存在盲点，两基站之间的距离≤300m，安置基站的数目根据巷道长度和两基站之间的距离而定，使得基站功效覆盖整个井下巷道，在巷道的每个交叉口，都安置一个基站，基站在架设时就确定了自身的位置，即到巷道口的距离，对基站按顺序进行编号，分别为1、2、3…，一个信号一次只与一个基站进行通信，设置奇数基站在0秒时开启工作，10秒时偶数基站开始工作，同时奇数基站停止工作，20秒时奇数基站又开始工作，同时偶数基站停止工作，这样以10秒为基站工作切换时间，依次进行循环，所述的基站采用大唐电信矿用无线KT15-F基站，其该基站覆盖范围半径为300m；
、在地面安装服务器，在地面安装的是用于接受基站所在位置信息的服务器，该服务器与基站通过光纤连接，基站向服务器提供该基站的位置信息，其所述服务器采用非x86服务器；
Ⅲ、信号发生模块手机的配置，给井下人员配置装有信号发生模块的手机，装有模块的手机每隔一个确定的时间发送一次信号，这个间隔的时间为发射间隔时间，由工作需要确定发射间隔时间，发射间隔时间≤基站工作切换时间，信号被
Figure 116448DEST_PATH_IMAGE001
在井下安置的两个基站依次接收，接收信号的基站向在地面安装的服务器发出信号，服务器定位出这两个基站所处位置，进而模糊定位出携带该手机人员范围在两基站之间；
Figure 815599DEST_PATH_IMAGE003
、精确定位：用
Figure 82633DEST_PATH_IMAGE004
表示Ⅲ装有模块的手机发射信号的强度，用
Figure 655434DEST_PATH_IMAGE005
表示
Figure 324313DEST_PATH_IMAGE001
基站接收到信号的强度，代入式
Figure 317677DEST_PATH_IMAGE006
中，计算出信号的传播损耗
Figure 885055DEST_PATH_IMAGE007
，用表示巷道内由于反射、折射和巷道壁面对信号吸收所造成的损耗，构造关于
Figure 473349DEST_PATH_IMAGE009
的经验模型，构造方法如下：在行道中，分别取装有模块的手机距基站的距离
Figure 952128DEST_PATH_IMAGE010
=1m，2m，3m…300m，代入公式
Figure 256070DEST_PATH_IMAGE011
，式中表示工作频率是已知量，计算出
Figure 987714DEST_PATH_IMAGE008
的值，为提高精度同一距离重复计算几次，建立每个距离与行道内损耗值
Figure 114119DEST_PATH_IMAGE008
之间一一对应关系数据库，
Figure 458513DEST_PATH_IMAGE001
中确定了两个基站的位置，在精确定位时，以其中一个基站作为基准基站，式
Figure 690911DEST_PATH_IMAGE013
中，
Figure 774142DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 724781DEST_PATH_IMAGE009
均为未知量，
Figure 669603DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 22087DEST_PATH_IMAGE012
为已知量，通过已经建立的关于
Figure 777684DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 215619DEST_PATH_IMAGE009
的数据库由计算机进行数值匹配，能够使等式成立的
Figure 901815DEST_PATH_IMAGE015
和就是所要求得的量，
Figure 284572DEST_PATH_IMAGE015
就是精确的手机距基准基站的距离，即为井下人员到基准基站的距离，若选取位置距巷道口近的基站为基准基站，井下人员的精确位置为基站到巷道口的距离加，若选取位置位置距巷道口远的基站为基准基站，井下人员的精确位置为基站到巷道口的距离减
Figure 742765DEST_PATH_IMAGE015
，由此精确定位出井下人员的位置。
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