CN102832966B - 基于非视距抑制的矿井超宽带定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下超宽带定位方法及系统。通过采用RAKE接收机技术，收集信号中的多径分量，然后对多径分量进行加权；并利用构造的鉴别参量对信号进行非视距鉴别，对于非视距信号进行数据重构，然后采用Taylor序列展开法利用重构数据和视距信号进行定位计算。本系统包括井上部分及井下部分。井上部分包括：地面监控终端、定位服务器、中心交换机、动态主机配置协议服务器、上层终端；井下部分包括：本质安全型网关、本质安全型直流供电电源、本质安全型无线中继站、本质安全型参考点终端、本质安全型定位终端。本发明的超宽带定位方法及系统结构简单，能够有效抑制多径效应和非视距效应，定位精确，抗干扰能力强，满足矿井的使用要求。

Description

基于非视距抑制的矿井超宽带定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种矿用人员定位系统及方法，具体地说，是涉及一种本质安全型矿用超宽带井下人员定位系统及方法。

背景技术

煤炭是我国的重要能源，约占一次能源的70％，在我国95％以上的煤矿是井工开采。由于科学技术水平相对较低、管理不善等原因，煤矿一直是高危行业，频发的矿难严重制约了我国煤炭事业的健康发展，其所造成的生命财产损失及由此社会影响也是难以估量的。矿井人员定位系统是矿井安全生产的重要保障和应急救援必要手段，对提高生产效率、保障井下人员的安全、灾后及时施救与自救都具有十分重要的意义。目前煤炭行业的热点话题煤炭物联网的发展也依赖于煤矿井下目标定位技术的进步，需要很好的目标定位作基础。

我国煤矿井下是一个特殊的受限环境，它是由各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道组成，其长度可达几十到上百公里，且在工作面处巷道的长度是变化的。而且矿井巷道空间狭小，无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象，设备功率需满足井下防爆的要求。同时由于巷道相对密闭，不能借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下定位。由此可见，地面成熟的定位方法无法直接应用于井下。因此要建立一套适合煤矿井下无线传输环境的目标定位体系。

地下空间定位原理与室内定位相似，它利用位置固定的无线电发射基站替代卫星，在地下封闭空间中进行局部测量，建立局域坐标体系；地下定位目标通过与基站的无线电信号进行交互以实现定位。煤矿井下定位技术除射频识别外，还包括WiFi、ZigBee，以及红外、超声波、蓝牙等。目前，煤矿井下定位系统只能达到2～10m的非连续定位精度，主要由无线发射基站数量与分布密度决定。

从定位系统的媒介来划分，针对受限空间内目标的无线定位，国外学者以红外、超声波、射频信号、图像为媒介进行了一些研究。1992年剑桥Ar&LT实验室开发的ActiveBadge系统，是利用红外线技术实现的单元接近度系统；1999年剑桥Ar&T实验室开发的ActiveBat系统，以及2000年剑桥Ar&T实验室开发的Cricket系统，是采用超声波传输的时间延迟技术实现定位；2000年Microsoft研究院开发的RADAR系统，是基于IEEE802.11无线局域网技术的室内跟踪定位系统；2001年，Microsoft研究院开发的EasyLiving系统，是基于计算机视觉技术的定位系统。该系统用实时三维照相机实现了家庭环境中的立体视觉定位功能；2002年，意大利Trento大学和意大利网络计算研究委员会开发的BIPSE系统，是一个基于蓝牙的室内定位系统；由Auto-ID中心开发无线射频识别(RFID)技术，它基于信号强度分析法，采用聚合的算法对三维空间进行定位，如SpotON系统和PinPoint 3D-iD系统。

这些方法存在了一些局限性：红外线穿透性差，只适合短距离传输，且容易被荧光灯或直射光干扰；超声波在多径环境下效果差；无线局域网技术要求被定位的物体必须支持无线局域网，且定位精度低；立体视觉定位技术易受环境复杂度的影响，且当场景复杂度增加，并发生更多的运动冲突时，视觉定位系统很难持久保持较高精度；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；无线射频识别技术作用距离近，不具备通信能力，不便和其他系统整合，定位精度受环境影响及参考点数量较大。

超宽带相对红外、超声波、蓝牙等方法，不需要产生正弦载波，结构简单、实现成本低；超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，抗干扰能力强；超宽带系统使用脉冲的持续时间一般在0.20ns～2ns之间，有很低的占空比，在高速通信时系统的耗电量仅为几百uW至几十mW，功耗低。而且井下封闭环境不受频率使用的限制。因此，基于超宽带的定位技术也应该非常适合在煤矿井下使用。

传统的无线电定位方法，按照所检测的特征测量值的不同，分为以下几种：到达角度定位(AOA)，信号强度分析法(RSS)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。

RSS(Receive Signal Strength)基于接收信号强度的定位方法是先利用几个已知位置的参考点接收来自目标点发出的无线电信号，然后根据已知的信道衰落模型及发射信号的场强值来估算参考点与目标点之间的距离，进而实现定位。TOA(Time of Arrival)基于信号到达时间的定位方法就是测量出两个(或多个)已知参考点与目标点之间的信号传播时间，分别得出目标点与参考点之间的估计距离，然后以各参考点位置为圆心，以测得的估计距离为半径画圆，可以得到两个(或多个)圆，这些圆的交点从理论上讲就应该是目标节点在二维平面的位置。TDOA(Time Difference of Arrival)基于信号到达时间差的定位方法采用了测量目标点发射信号到达两不同已知参考点接收机的时间差来实现定位。通过测量出两个参考点和目标点之间的到达时间的差值，从而得出目标点与参考点之间的估计距离。AOA(Angel ofArrival)基于信号到达角度的定位方法是利用参考点接收机上的阵列天线来测量目标点发射机到达信号的角度来实现定位的，在理想情况下，两个参考点的距离已知，则目标位置是两个参考点接收机各自以测量角度发出的射线的交点。

地面超宽带定位系统无一例外都是针对某一特定的室内环境而开发，矿井巷道与室内有很大不同，在室内定位常采用的AOA定位法在巷道中难以保证其正常工作，因为AOA定位法的前提是需要阵列天线，到达接收天线阵列单元的电波必须有直射分量(LOS)存在，天线位置安装非常精密，系统设备比较昂贵、复杂。RSS定位方式对信道模型的依赖度较高，地面环境比较稳定，而煤矿井下粉尘及水汽较大，环境的变化会对信号传输及衰减造成较大干扰，定位精度也会受到严重影响。地面室内超宽带定位系统大多采用基于时间定位方法，基于时间的定位方法要求定位终端与参考点的时钟必须严格同步，否则会产生较大误差，而在井下这是难以实现的，同时参考点也不能随意布置，其定位参考节点只能沿巷道方向部署。现有地面室内超宽带定位系统一旦参考点布置完毕后，系统的定位参考坐标就确定了，参考点很小的位置偏差都会使系统崩溃，这样的要求在煤矿井下工作环境中太苛刻。由于矿井巷道空间狭小、设备众多，电磁信号在传输过程中会遇到严重的折射、反射、衍射等情况，这导致了严重的多径效应和非视距(NLOS)效应，地面定位系统在井下则不能正常定位。

由此可见，现有的地面超宽带定位系统不能直接应用于井下。

发明内容

本发明所要解决的问题是提出一种适合井下使用的本质安全型人员定位系统及方法，以满足目前井下对人员定位与应急救援的需求。解决目前井下人员定位系统抗干扰能力差、定位精度低、信号穿透力差、对多径效应敏感、功耗高、体积大等问题。本发明提出的煤矿井下超宽带定位系统可以实时精确的实现人员定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的迫切需求。

为了实现上述目的，本发明采用以下定位方法：通过采用RAKE接收机技术，收集更多的多径信号以提高信噪比，再通过RAKE接收机的相关器对输出进行加权。通过采用构造鉴别参量的方式，对NLOS信号进行鉴别，将鉴别出的NLOS信号进行重构，最后采用Taylor序列展开法计算本质安全型定位终端的位置。从而减小了多径干扰和NLOS误差对定位带来的不利影响，实现精确定位。

所述超宽带矿井定位方法，包含以下步骤：

A.根据巷道工作环境布设本质安全型参考点终端，同时确定本质安全型参考点终端的位置；

B.本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端进行通信，获得本质安全型参考点终端的身份信息和位置信息；

C.本质安全型定位终端对接收到的本质安全型参考点终端的信号进行NLOS鉴别；

D.对NLOS信号进行数据重构，利用重构的数据进行定位计算。

所述步骤A中，本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设，相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面，巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。

所述步骤B包括下列步骤：

B1.本质安全型定位终端与通信范围内的本质安全型参考点终端交换握手协议信号；

B2.本质安全型定位终端利用RAKE接收机接收来自本质安全型参考点终端的参考信号，参考信号包含本质安全型参考点终端的位置信息和身份信息；

参考信号经过多径信道后，到达RAKE接收机的形式为：

其中，L是收集到的多径数量，a_n是复信道增益，τ_n是第n条多径信号的时延，u(t-τ_n)是经过τ_n时延后收集到的参考信号，r(t)为被RAKE接收机收集的参考信号；

B3.不同的多径分量首先进行加权，然后合并到一起，每一路多径分量的加权系数与这一路多径分量的信噪比成正比，经过RAKE接收机处理后的参考信号为

其中，L是收集到的多径数量，β_i(n)是加权系数，y_i(n)是相关器输出值，Z_TOT为经过RAKE接收机处理后的输出信号。

所述步骤C包括下列步骤：

C1.将RAKE接收机的输出信号通过平方器后进行积分采样，以获得信号的能量采样序列；

C2.对能量采样序列进行特征提取，截取一段包含非视距信息的信号段，信号段中包含直达路径和能量最强径；

C3.利用直达路径与能量最强径的相对能量乘积构造出一个新的非视距鉴别参量φ：

$\mathrm{\φ}=\sqrt{\frac{s_1\×\max \left(s_n\right)}{{\left(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\right)}^2}}=\sqrt{\frac{N^2\×s_1\×\max \left(s_n\right)}{{\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\right)}^2}}$

其中{s_n}为截取信号的采样序列，s₁为第一个截取信号采样序列；

C4.利用构造的鉴别参量φ对接收信号进行判断，超出设定范围的即为非视距信号。

所述步骤D包括下列步骤：

D1.在非视距信号中，本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端的测量距离为：

s_i(t_j)＝l_i(t_j)+n_i(t_j)+NLOS_i(t_j)

其中l_i(t_j)为视距情况下参考点终端与本质安全型定位终端的距离，n_i(t_j)为系统误差，NLOS_i(t_j)为非视距传播带来的误差；NLOS_i(t_j)服从指数分布：

$p(t_{\mathrm{nlos}}/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}})=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}}{e}^{\frac{t_{\mathrm{nlos}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}}},& t_{\mathrm{nlos}}>0\\ 0& t_{\mathrm{nlos}}\≤0\end{array}\right.$

其中，τ_rms为均方根时延扩展，是一个服从对数正态分布的随机变量：τ_rms＝T₁d^εy，T₁是在d处延时扩展的中值，ε取值在0.5到1之间，y是一个对数正态分布随机变量，t_nlos为非视距时间；

D2.根据到达时间测量值s_i(t_j)，由式τ_rms＝T₁d^εy计算非视距延时扩展τ′_rms(t_j)；

D3.利用s′_i(t_j)＝s_i(t_j)-τ′_rms(t_j)×c，重构视距情况下的到达时间测量值，其中，c为真空中电磁波传播速度，s_i(t_j)为到达时间测量值，τ′_rms(t_j)为非视距延时扩展，s′_i(t_j)为重构的到达时间测量值；

D4.利用多项式平滑对s′_i(t_j)进行平滑处理；

D5.构造到达时间差测量值s′_i，1(t_j)＝s′_i(t_j)-s′₁(t_j)，其中，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值，s_i(t_j)为到达时间测量值，s′₁(t_j)为第一个达时间测量值；

D6.本质安全型定位终端与同一个本质安全型参考点终端进行N次测距通信，可以得到N组距离测量值，在N组测量值中有M组(M≤N)非视距信号，将M组非视距信号进行数据重构，并将构造的M组到达时间差测量值s′_i，1(t_j)按照大小顺序排列；

D7.根据构造的M组到达时间差测量值，求取这M个值的平均值

$\hat{s}=\frac{{s^{\′}}_{i,1}\left(t_1\right)+{s^{\′}}_{i,1}\left(t_2\right)+{s^{\′}}_{i,1}\left(t_3\right)+...+{s^{\′}}_{i,1}\left(t_M\right)}{M}$

$=\frac{\underset{j=1}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}{s^{\′}}_{i,1}\left(t_j\right)}{M}$

其中，为构造的M组到达时间差测量值的平均值，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值；

D8.构造判断系数λ_j，λ_j为M组构造值中，每个构造测量值与平均值的比值，

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{{s^{\′}}_{i,1}\left(t_j\right)}{\hat{s}}$

其中，为构造的M组到达时间差测量值的平均值，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值；

D9.利用λ_j对每个构造值s′_i，1(t_j)进行判断，当λ_j大于设定值时，说明构造的测量值仍然具有较大的偏差，在计算中舍去该构造值；

D10.利用Taylor序列展开法计算本质安全型定位终端的位置。

本发明提供一种跳时位置脉冲(TH-PPM)超宽带系统。

所述系统包括井上部分及井下部分：井上部分包括，地面监控终端、定位服务器、中心交换机、动态主机配置协议服务器、上层终端；井下部分包括，本质安全型网关、本质安全型直流供电电源、本质安全型无线中继站、本质安全型参考点终端、本质安全型定位终端；定位服务器、地面监控终端通过中心交换机与本质安全型网关构成有线网络，并通过动态主机配置协议服务器、因特网将实时定位数据传送给上层终端；本质安全型网关通过总线与交换机连接；本质安全型定位终端由井下工作人员携带；井上部分与井下部分共同构成跳时位置脉冲超宽带无线定位网络。

定位服务器，接收并存储目标位置数据；

地面监控终端，记录本质安全型参考点终端的位置信息；接收本质安全型定位终端发送的实时距离信息，对本质安全型定位终端鉴别出的非视距信号进行数据重构，利用Taylor序列展开法计算定位终端位置，并发送给定位服务器；

动态主机配置协议服务器，为网络分配动态IP地址；

本质安全型直流供电电源，为本质安全型无线中继站提供电源；

中心交换机和本质安全型无线中继站转发本质安全型定位终端和本质安全型参考点的位置和距离信息；

本质安全型网关接收本质安全型参考点终端发送的超宽带无线数据，并将数据转发给中心交换机；接收中心交换机发送的有线数据，将其转换成超宽带无线信号转发给本质安全型无线中继站；

本质安全型参考点终端分配唯一的标识码，接收本质安全型定位终端发送的定位信息，并延迟时间Δ，将所述信息以及其标识码发送回本质安全型定位终端；

所述本质安全型定位终端分配唯一的标识码，每隔一段时间向周围本质安全型参考点终端广播定位身份信息，并接收来自本质安全型参考点终端的定位信息；利用RAKE接收机对多径信号进行加权输出，并对接收到的信号进行NLOS鉴别，将收到的包含位置信息的NLOS信号和LOS信号发送给地面监控终端。

所述地面监控终端包括：处理器单元、电源接口、标识码存储单元、参考点位置存储单元、时钟电路和有线接口。

所述本质安全型网关包括：有线接口单元、接口转换单元、复位电路、时钟电路、电源接口、无线接口单元、超宽带天线和开关电路。

所述本质安全型参考点终端包括：处理器、时钟电路、标识码存储单元、电源管理单元、延迟电路、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、超宽带天线和开关电路。

所述本质安全型定位终端包括：处理器、用户接口单元、标识码存储单元、电源管理单元、时钟电路、RAKE接收机单元、超宽带信号产生单元、超宽带接收单元、超宽带天线和开关电路。

所述电源管理单元包括：稳压电路，电池，报警电路；稳压电路将电池电压稳压处理后供其它电路单元使用，报警电路在电池电压不足时会进行声光报警。

所述井下设备采用本质安全型防爆设备。

所述超宽带定位系统采用基于到达时间差(TDOA)的无线定位方式。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.通过采用占空比较低，持续时间极短的超宽带信号，增强了信号的时间、空间分辨率，提高了系统的多径分辨率，增强了系统的抗衰落能力，同时提高了定位精度。

2.通过采用超宽带信号，利用超宽带信号具有较强穿透力的特点，即使本质安全型定位终端被掩埋，仍然可以实现人员的定位。

3.由于采用超宽带技术，避免了调制、解调复杂的载波信号，不需要混频器、过滤器、本地振荡器等复杂的元件，因而降低了终端设备的能量消耗，同时便于采用集成芯片，使得设备结构简单、体积小，便于人员携带，适合井下特殊环境使用。

4.通过采用RAKE接收机技术，收集更多的多径能量以提高信噪比，同时对相关器输出进行加权，以有效降低某一路多径信号受到严重衰落时对整个系统性能的影响。如果某一路多径分量受到严重的衰落，只要在进行合并时对此路信号的输出乘上一个较小的加权系数，就可以有效的降低此多径分量对接收端信噪比的影响，从而提高整个系统的性能。

5.通过采用构造鉴别参量的方式，对NLOS信号进行鉴别，并对鉴别出的NLOS信号进行数据重构，然后采用Taylor序列展开法计算定位终端位置。降低了NLOS信号对定位带来的不利影响，提高了定位精度。

6.通过采用TDOA定位方式，本质安全型定位终端与本质安全型参考点的时钟不必严格同步，本质安全型参考点共享一个参考时钟即可，降低系统对硬件的要求，减小了维护成本。

7.通过在巷道壁及巷道顶端布设本质安全型参考点，可以实现3维定位和2维定位，提供了更为精确的定位方式。

说明书附图

图1是本发明系统原理图

图2是RAKE接收机原理图

图3是握手交换原理图

图4是本质安全型参考点终端布设图

图5是地面监控终端电路框图

图6是本质安全型网关电路框图

图7是本质安全型参考点终端电路框图

图8是本质安全型定位终端电路框图

图中：1、定位服务器；2、地面监控终端；3、动态主机配置协议服务器；4、上层终端；5、中心交换机；6、本质安全型网关；7、本质安全型无线中继站；8、本质安全型参考点终端；9、本质安全型定位终端；10、本质安全型直流供电电源

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明，实施例不应被视为限制本发明的使用范围。

图1是煤矿井下超宽带定位系统组成原理图。如图1所示，本发明煤矿井下超宽带定位系统包括井上部分和井下部分。井上部分包括：地面监控终端2、定位服务器1、中心交换机5、动态主机配置协议服务器3、上层终端4；井下部分包括：本质安全型网关6、本质安全型直流供电电源10、本质安全型无线中继站7、本质安全型参考点终端8、本质安全型定位终端9。

下面结合图1详细描述煤矿井下超宽带定位系统工作流程：

A.根据巷道工作环境布设本质安全型参考点终端，同时确定本质安全型参考点终端的位置；

B.本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端进行通信，获得本质安全型参考点终端的身份信息和位置信息；

C.本质安全型定位终端对接收到的本质安全型参考点终端的信号进行NLOS鉴别；

D.地面监控终端对NLOS信号进行数据重构，利用重构的数据进行定位计算。

E.定位服务器通过网络将本质安全型定位终端的位置信息传输到上层终端。

所述步骤A中，本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设，相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面，巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。

所述步骤B包括下列步骤：

B1.本质安全型定位终端与通信范围内的本质安全型参考点终端交换握手协议信号；

B2.本质安全型定位终端利用RAKE接收机接收来自本质安全型参考点终端的参考信号，参考信号包含本质安全型参考点终端的位置信息和身份信息；

参考信号经过多径信道后，到达RAKE接收机的形式为：

其中，L是收集到的多径数量，a_n是复信道增益，τ_n是第n条多径信号的时延，u(t-τ_n)是经过τ_n时延后收集到的参考信号，r(t)为被RAKE接收机收集的参考信号；

B3.不同的多径分量首先进行加权，然后合并到一起，每一路多径分量的加权系数与这一路多径分量的信噪比成正比，经过RAKE接收机处理后的参考信号为

其中，L是收集到的多径数量，β_i(n)是加权系数，y_i(n)是相关器输出值，Z_TOT为经过RAKE接收机处理后的输出信号。

所述步骤C包括下列步骤：

C1.将RAKE接收机的输出信号通过平方器后进行积分采样，以获得信号的能量采样序列；

C2.对能量采样序列进行特征提取，截取一段包含非视距信息的信号段，信号段中包含直达路径和能量最强径；

C3.利用直达路径与能量最强径的相对能量乘积构造出一个新的非视距鉴别参量φ：

$\mathrm{\φ}=\sqrt{\frac{s_1\×\max \left(s_n\right)}{{\left(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\right)}^2}}=\sqrt{\frac{N^2\×s_1\×\max \left(s_n\right)}{{\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\right)}^2}}$

其中{s_n}为截取信号的采样序列，s₁为第一个截取信号采样序列；

C4.利用构造的鉴别参量φ对接收信号进行判断，超出设定范围的即为非视距信号；

C5.本质安全型定位终端将鉴别出的非视距信号和视距信号通过本质安全型无线中继站，本质安全型网关和中心交换机发送到地面监控终端。

所述步骤D包括下列步骤：

D1.在非视距信号中，本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端的测量距离为：

s_i(t_j)＝l_i(t_j)+n_i(t_j)+NLOS_i(t_j)

其中l_i(t_j)为视距情况下参考点终端与本质安全型定位终端的距离，n_i(t_j)为系统误差，NLOS_i(t_j)为非视距传播带来的误差；NLOS_i(t_j)服从指数分布：

$p(t_{\mathrm{nlos}}/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}})=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}}{e}^{\frac{t_{\mathrm{nlos}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}}},& t_{\mathrm{nlos}}>0\\ 0& t_{\mathrm{nlos}}\≤0\end{array}\right.$

其中，τ_rms为均方根时延扩展，是一个服从对数正态分布的随机变量：τ_rms＝T₁d^εy，T₁是在d处延时扩展的中值，ε取值在0.5到1之间，y是一个对数正态分布随机变量，t_nlos为非视距时间；

D2.根据到达时间测量值s_i(t_j)，由式τ_rms＝T₁d^εy计算非视距延时扩展τ′_rms(t_j)；

D3.利用s′_i(t_j)＝s_i(t_j)-τ′_rms(t_j)×c，重构视距情况下的到达时间测量值，其中，c为真空中电磁波传播速度，s_i(t_j)为到达时间测量值，τ′_rms(t_j)为非视距延时扩展，s′_i(t_j)为重构的到达时间测量值；

D4.利用多项式平滑对s′_i(t_j)进行平滑处理；

D5.构造到达时间差测量值s′_i，1(t_j)＝s′_i(t_j)-s′₁(t_j)，其中，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值，s_i(t_j)为到达时间测量值，s′₁(t_j)为第一个达时间测量值；

D6.本质安全型定位终端与同一个本质安全型参考点终端进行N次测距通信，可以得到N组距离测量值，在N组测量值中有M组(M≤N)非视距信号，将M组非视距信号进行数据重构，并将构造的M组到达时间差测量值s′_i，1(t_j)按照大小顺序排列；

D7.根据构造的M组到达时间差测量值，求取这M个值的平均值

$\hat{s}=\frac{{s^{\′}}_{i,1}\left(t_1\right)+{s^{\′}}_{i,1}\left(t_2\right)+{s^{\′}}_{i,1}\left(t_3\right)+...+{s^{\′}}_{i,1}\left(t_M\right)}{M}$

$=\frac{\underset{j=1}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}{s^{\′}}_{i,1}\left(t_j\right)}{M}$

其中，为构造的M组到达时间差测量值的平均值，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值；

D8.构造判断系数λ_j，λ_j为M组构造值中，每个构造测量值与平均值的比值，

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{{s^{\′}}_{i,1}\left(t_j\right)}{\hat{s}}$

其中，为构造的M组到达时间差测量值的平均值，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值；

D9.利用λ_j对每个构造值s′_i，1(t_j)进行判断，当λ_j大于设定值时，说明构造的测量值仍然具有较大的偏差，在计算中舍去该构造值；

D10.利用Taylor序列展开法计算本质安全型定位终端的位置，并将计算结果发送给定位服务器。

所述步骤E中，定位服务器通过网络将本质安全型定位终端的位置信息传输到上层终端，工作人员通过上层终端可以监控井下人员的工作位置及身份信息。

图2是RAKE接收机原理图。如图2所示，RAKE接收机通过使用一组相关器，利用每个相关器接收一个信号的多径分量以提高信噪比。信号经过多径信道后，到达接收端的形式为：

$r\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^L{a}_{n}u(t-{\mathrm{\τ}}_n).$

其中，L是收集到的多径数量，a_n是复信道增益，τ_n是第n条多径信号的时延，u(t-τ_n)是经过τ_n时延后收集到的信号，r(t)为被RAKE接收机收集的参考信号。

RAKE接收机中含有m个相关器，所有的相关器都采用相同的模板，采用这一模板的不同时延与接收到的多径信号进行相关运算，各相关器中模板的时延根据对信道中多径时延的估计进行选取，这m个相关器的输出分别为y₁(n)，y₂(n)，y₃(n)…y_m(n)。不同的多径分量首先进行加权，然后合并到一起。每一路多径分量的加权系数β_m(n)与这一路多径分量的信噪比成正比。经过RAKE接收机处理后的信号为其中，L是收集到的多径数量，β_i(n)是加权系数，y_i(n)是相关器输出值，Z_TOT为经过RAKE接收机处理后的输出信号。

图3是握手交换原理图。如图3所示，本质安全型定位终端向本质安全型参考点终端发送定位身份信息，时间记录为t₀，在时间t₀+τ本质安全型参考点接收到此信息，延迟时间Δ，本质安全型参考点终端返回定位信息，本质安全型定位终端接收到返回信息的时间为t₁＝t₀+τ+Δ+τ，则本质安全型定位终端与此本质安全型参考点终端的距离为其中，c＝3×10⁸m/s。

图4是本质安全型参考点终端布设图。如图4所示，本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设，相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面，巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。

图5是地面监控终端电路框图。如图5所示，地面监控终端2包括：处理器单元20、标识码存储单元21、时钟电路22、有线接口23、电源接口24、参考点位置存储单元25。电源接口24、标识码存储单元21、参考点位置存储单元25和有线接口23均与处理器单元20相连。标识码存储单元21和参考点位置存储单元25由EEPROM芯片构成。时钟电路22为处理器提供精确时钟。地面监控终端有线接口与定位服务器以及中心交换机相连，并通过动态主机配置协议服务器、本地网络与上层终端相连，构成有线网络。地面监控终端将每个本质安全型参考点终端的位置数据存入参考点位置存储单元，并将各参考点对应标识码存入标识码存储单元。定位时，从有线接口获取井下各本质安全型定位终端发送的实时距离信息，处理器单元提取信息中参考点标识码，查询参考点位置存储单元，对NLOS信号进行数据重构，通过Taylor序列展开法计算定位终端位置，并将其发送给定位服务器，并通过动态主机配置协议服务器、本地网络网络将目标位置数据发送给上层终端。

图6是本质安全型网关电路框图。如图6所示，本质安全型网关6包括：接口转换单元60、有线接口单元61、无线接口单元62、超宽带开关电路63A和超宽带天线63B、电源接口64、复位电路65、时钟电路66。其中有线接口单元61包括CAN总线接口61A、FF总线接口61B、UART串口接口61C、PROFIBUS总线接口61D、LONWORKS总线接口61E，其分别与接口转换单元60相连；无线接口单元62包括超宽带信号产生单元62A、超宽带接收单元62B，其分别与接口转换单元60相连。本质安全型网关通过总线与中心交换机相连。本质安全型网关完成有线网络和无线网络之间的数据转换，它接收本质安全型无线中继站发送的超宽带无线数据，并将数据发送给中心交换机；接收中心交换机发送的有线数据，将其转换成超宽带无线信号发送给本质安全型无线中继站。超宽带信号产生单元62A包括TH-PPM编码电路、时基电路、脉冲发生电路，用于将需要发射的数据转换为跳时位置脉冲超宽带信号。超宽带接收单元62B包括相关器、时基电路、TH-PPM解码电路，用于将接收到的跳时位置脉冲超宽带信号转换成可以识别的数据。超宽带开关电路63A和超宽带天线63B与无线接口单元62相连，完成数据的无线发射和接收；超宽带开关电路63A即为天线模式开关，用于超宽带信号发射、接收之间的转换。接口转换单元完成协议转换和信令处理，实现有线网络和无线网络之间的数据交换。井下本质安全型网关6通过超宽带接口与井下本质安全型定位终端以及本质安全性参考点终端进行无线通信。时钟电路66为处理器提供精确的工作时钟信号。复位电路65用于在异常情况下的设备复位。

图7是本质安全型参考点终端电路框图。如图7所示，本质安全型参考点终端8包括：处理器80、标识码存储单元81、超宽带信号产生单元82、时钟电路83、电源管理单元84、延迟电路85、超宽带接收单元86、超宽带开关电路87A和超宽带天线87B。标识码存储单元81、电源管理单元84、延迟电路85、超宽带信号产生单元82、超宽带接收单元86均与处理器单元80相连。本质安全型参考点终端标识码存储单元81由EEPROM芯片构成。超宽带信号产生单元82包括TH-PPM编码电路、时基电路、脉冲发生电路，用于将需要发射的数据转换为跳时位置脉冲超宽带信号；超宽带接收单元86包括相关器、时基电路、TH-PPM解码电路，用于将接收到的跳时位置脉冲超宽带信号转换成可以识别的数据。超宽带开关电路87A即为天线模式开关，用于超宽带信号发射、接收之间的转换。超宽带天线87B和开关电路87A与处理器80相连，完成数据的无线发射和接收。时钟电路83为处理器提供精确的工作时钟信号。电源管理单元84为设备提供稳定的电源，稳压电路对电池电压进行稳压处理，报警电路用于电池电量不足报警。延迟电路85用于产生本质安全型参考点终端的发射时延。本质安全型参考点终端通过标识码存储单元获得唯一的标识码，并通过超宽带信号产生单元、开关电路和超宽带天线向地面监控终端发送其标识码。本质安全型参考点终端通过超宽带天线和开关电路与本质安全型定位终端建立超宽带无线连接，通过超宽带天线以及超宽带接收单元接收其发送的定位信息，并通过延迟电路延迟一定时间，将所述信息以及其标识码通过超宽带信号产生单元和超宽带天线转发给本质安全型定位终端。同时，本质安全型参考点终端还配备有防爆外壳。

图8是本质安全型定位终端电路框图。如图8所示，本质安全型定位终端9包括：处理器90、标识码存储单元91、超宽带信号产生单元92、用户接口单元93、电源管理单元94、时钟电路95、RAKE接收机单元96、超宽带接收单元97、超宽带开关电路98A和超宽带天线98B。标识码存储单元91、电源管理单元94、用户接口单元93、超宽带信号产生单元92、RAKE接收机单元96、均与处理器80相连。本质安全型定位终端标识码存储单元91由EEPROM芯片构成。超宽带信号产生单元92包括TH-PPM编码电路、时基电路、脉冲发生电路，用于将需要发射的数据转换为跳时位置脉冲超宽带信号；超宽带接收单元86包括相关器、时基电路、TH-PPM解码电路，用于将接收到的跳时位置脉冲超宽带信号转换成可以识别的数据。超宽带开关电路98A即为天线模式开关，用于超宽带信号发射、接收之间的转换。超宽带天线98B和开关电路98A完成数据的无线发射和接收。时钟电路95为处理器提供精确的工作时钟信号。电源管理单元94为设备提供稳定的电源，稳压电路对电池电压进行稳压处理，报警电路用于电池电量不足报警。RAKE接收机单元96利用每个相关器接收一个信号的多径分量，所有的相关器都采用相同的模板，采用这一模板的不同时延与接收到的多径信号进行相关运算，各相关器中模板的时延根据对信道中多径时延的估计进行选取。然后根据各相关器输出的强度对各相关输出进行加权，并合并为一个输出信号，处理器构造NLOS鉴别参量，并对信号进行NLOS鉴别。本质安全型定位终端用户接口单元93包括移动台LCD显示屏和键盘。本质安全型定位终端通过标识码存储器获得唯一的标识码；通过超宽带信号产生单元、开关电路和超宽带天线每隔一段时间向周围广播定位信息；通过超宽带天线、开关电路和超宽带接收单元接收本质安全型参考点终端发送的定位数据；本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端按照握手交换协议进行通信，并将包含位置信息的信号发送给地面监控终端。同时，本质安全型定位终端还配备有防爆外壳。

Claims (4)

1.一种基于非视距抑制的矿井超宽带定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.根据巷道工作环境布设本质安全型参考点终端，同时确定本质安全型参考点终端的位置；

B.本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端进行通信，获得本质安全型参考点终端的身份信息和位置信息；

C.本质安全型定位终端对接收到的本质安全型参考点终端的信号进行非视距鉴别；

D.对非视距信号进行数据重构，利用重构的数据进行定位计算；

所述步骤D包括下列步骤：

D1.在非视距信号中，本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端的测量距离为：

s_j(t_j)＝l_i(t_j)+n_i(t_j)+NLOS_j(t_j)

其中，l_i(t_j)为视距情况下参考点终端与本质安全型定位终端的距离，n_i(t_j)为系统误差，NLOS_i(t_j)为非视距传播带来的误差；NLOS_i(t_j)服从指数分布：

$p(t_{\mathrm{nlos}}/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}})=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}}{e}^{\frac{t_{\mathrm{nlos}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}}},& t_{\mathrm{nlos}}>0\\ 0& t_{\mathrm{nlos}}\≤0\end{array}\right.$

其中，τ_rms为均方根时延扩展，是一个服从对数正态分布的随机变量：τ_rms＝T₁d^εy，T₁是在d处延时扩展的中值，d为本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端的距离，ε取值在0.5到1之间，y是一个对数正态分布随机变量，t_nlos为非视距时间；

D2.根据到达时间测量值s_i(t_j)，由式τ_rms＝T₁d^εy计算非视距延时扩展τ_rms(t_j)；

D3.利用s′_i(t_j)＝s_i(t_j)-τ′_rms(t_j)×c，重构视距情况下的到达时间测量值，其中，c为真空中电磁波传播速度，s_i(t_j)为到达时间测量值，τ_rms(t_j)为非视距延时扩展，s_i(t_j)为重构的到达时间测量值；

D4.利用多项式平滑对s′_i(t_j)进行平滑处理；

D5.构造到达时间差测量值s′_i，1(t_j)＝s′_i(t_j)-s′₁(t_j)，其中，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值，s_i(t_j)为到达时间测量值，s′₁(t_j)为第一个到达时间测量值；

D6.本质安全型定位终端与同一个本质安全型参考点终端进行N次测距通信，可以得到N组距离测量值，在N组测量值中有M组非视距信号，M≤N，将M组非视距信号进行数据重构，并将构造的M组到达时间差测量值s′_i，1(t_j)按照大小顺序排列；

D7.根据构造的M组到达时间差测量值，求取这M个值的平均值

$\begin{array}{c}\hat{s}=\frac{{s^{\text{'}}}_{i,1}\left(t_1\right)+{s^{\text{'}}}_{i,1}\left(t_2\right)+{s^{\text{'}}}_{i,1}\left(t_3\right)+\·\·\·{{+s}^{\text{'}}}_{i,1}\left(t_M\right)}{M}\\ =\frac{\underset{j=1}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}{s^{\text{'}}}_{i,1}\left(t_j\right)}{M}\end{array}$

其中，为构造的M组到达时间差测量值的平均值，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值；

D8.构造判断系数λ_j，λ_j为M组构造值中，每个构造测量值与平均值的比值，

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{{s^{\text{'}}}_{i,1}\left(t_j\right)}{\hat{s}}$

其中，为构造的M组到达时间差测量值的平均值，s′_i，1(t_j)为构造的到达时间差测量值；

D9.利用λ_j对每个构造的到达时间差测量值s_i，1(t_j)进行判断，当λ_j大于设定值时，说明构造的到达时间差测量值仍然具有较大的偏差，在计算中舍去该构造的到达时间差测量值；

D10.利用Taylor序列展开法计算本质安全型定位终端的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设，相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面，巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括下列步骤：

B1.本质安全型定位终端与通信范围内的本质安全型参考点终端交换握手协议信号；

B2.本质安全型定位终端利用RAKE接收机接收来自本质安全型参考点终端的参考信号，参考信号包含本质安全型参考点终端的位置信息和身份信息；

参考信号经过多径信道后，到达RAKE接收机的形式为：

其中，L是收集到的多径数量，a_n是复信道增益，τ_n是第n条多径信号的时延，u(t-τ_n)是经过τ_n时延后收集到的参考信号，r(t)为被RAKE接收机收集的参考信号；

B3.不同的多径分量首先进行加权，然后合并到一起，每一路多径分量的加权系数与这一路多径分量的信噪比成正比，经过RAKE接收机处理后的参考信号为

其中，L是收集到的多径数量，β_i(n)是加权系数，y_i(n)是相关器输出值，Z_TOT为经过RAKE接收机处理后的输出信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括下列步骤：

C1.将RAKE接收机的输出信号通过平方器后进行积分采样，以获得信号的能量采样序列；

C2.对能量采样序列进行特征提取，截取一段包含非视距信息的信号段，信号段中包含直达路径和能量最强径；

C3.利用直达路径与能量最强径的相对能量乘积构造出一个新的非视距鉴别参量φ：

$\mathrm{\φ}=\sqrt{\frac{s_1\×\max \left(s_n\right)}{{\left(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\right)}^2}}=\sqrt{\frac{N^2\×s_1\×\max \left(s_n\right)}{{\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\right)}^2}}$

其中{s_n}为截取信号的采样序列，s₁为第一个截取信号采样序列；

C4.利用构造的非视距鉴别参量φ对接收信号进行判断，超出设定范围的即为非视距信号。