CN103052153A

CN103052153A - 一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法

Info

Publication number: CN103052153A
Application number: CN2012105838317A
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 李晨鑫
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103052153B

Abstract

本发明公开了一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，属于矿井监控与通信领域。井下人员定位模块采用WiFi综合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人员定位卡的系统结构，利用一路有线信号媒介和两路无线WiFi信号媒介测量信号在人员定位卡与通信基站之间、与定位分站之间的传输时间，进行抑制计时误差计算，得到准确的距离值，利用接收信号的定向天线覆盖方向获取人员方向，实现煤矿井下人员位置准确定位。本发明以不增加设备数量和密度为前提，集成于煤矿井下WiFi综合通信系统中实现煤矿井下人员准确定位，解决了现有煤矿井下人员定位系统提高人员定位准确性的难题及与通信系统分立管理的问题。

Description

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，具体是应用于矿井监控与通信领域。

背景技术

《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》(安监总煤装[2010]146号)要求建设完善煤矿井下人员定位系统。发挥井下人员定位系统在定员管理和应急救援工作中的作用。“应优先选择技术先进、性能稳定、定位精度高的产品，确保准确掌握井下人员动态分布情况和采掘工作面人员数量”。

目前我国煤矿建设煤矿井下人员定位系统的建设普及情况良好。目前国内采用的系统基本采用有源方式的传输网络结合无线发射器，所采用的矿井人员定位技术主要是区域定位技术和基于接收场强的RSS(Received Signal Strength)方法。

上述系统和方法在实际应用中存在着一定的问题。

区域定位技术获取人员位置信息的方式是通过监测站对一定区域内的识别卡进行监测，监测到该区域内有某一ID的识别卡时，读取该识别卡信息并将其传输至监控室，其位置信息即被记为该监测站的位置信息，即监测结果为：该ID的识别卡所属工作人员出现在该区域内。区域定位技术的能够监测某ID的识别卡所属工作人员出现在该区域内，但并不能向监控室提供该工作人员在该区域的具体位置，如监测站的监测半径不小于30m，这就意味着区域定位技术的定位精度不大于30m，因此，在特殊情况下，如发生事故后的应急救援过程中，无法确定被困人员的精确位置，就会对救援工作产生不利的影响。另一方面，目前所采用的区域定位技术所监测记录的井下人员活动路线，是通过井下人员经过的每个监测点的位置进行连线所得出的，从数学语言而言，目前的井下人员活动路线绘图是离散的，在某种情况下并不能代表井下人员的真实活动路线。此外，如需提高定位精度，需要采用增加监测设备来实现，但是过多增加设备会增大系统负荷和降低系统稳定性。

目前我国煤矿采用的精确定位技术主要是基于接收场强的RSS(Received SignalStrength)方法。利用电磁波传播的信道衰落模型，通过检测收发信号的场强损耗反推出信号传输的距离，根据计算得出相应的人员所在位置。实际当中，电波在巷道中传播有能量损耗，需要根据空间有损信道传输损耗公式进行计算，空间有损信道传输损耗公式为：

L_b＝L_bf+A(dB)＝32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)-G_i(dB)-G_R(dB)+A(dB)(1)

式中：f为信号频率，r为传输距离，G_i、G_R分别为发射天线增益和接收天线增益，L_b为空间有损信号传输信号，L_bf为自由空间传输损耗，A为巷道的损耗中值L_b。

但是，煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，空间狭小且有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙等，传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，巷道损耗中值很难准确地描述巷道无线信道的损耗模型，这是RSS方法的一个主要弊端。另一方面，由于传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，在有机车经过或者其他偶然出现时，机车等物体会造成识别系统之间信号传播的较大损耗，会造成较大的识别误差；在监测站覆盖的远端，甚至会出现漏检的状况。

作为人员精确位置定位的另一种技术手段，基于到达时间的TOA(Time of Arrival)方法，主要测量信号在发射机和接收机之间的单程传播时间或者往复传播时间，前一种方法需要接收机知道信息发出的准确时间，并且接收机具有非常稳定和准确的时钟；后一种方法不要求发射机和接收机同步，是一种测量时间的方法。TOA方法不是通过计算无线信号损耗来确定人员位置，而是通过测量信号到达时间来测量人员位置，受环境影响相对小，在航空、电信行业中作为人员精确定位的技术手段被广泛应用，但在煤矿井下的环境复杂，不同于航空、电信行业定位技术的应用环境。

目前WiFi(Wireless Fidelity)通信系统在煤矿井下得到了广泛应用，通信频率在2.4GHz，工作频率高，其网络结构采用基站+交换机的方式，技术是现在的主流短距离无线通信技术，802.11g协议的带宽可达54Mbit/s，抗干扰能力比较强；设备体积小，成本低，适合用于全矿井移动通信系统，符合煤矿井下人员定位技术的发展方向和应用要求。

中国专利申请号200910079144.X，公开日2009年07月29日，公开了一种TOA估计方法及装置，该方法包括：根据干扰消除后的NB和本地训练序列进行信道估计，并生成信道估计值；根据所述信道估计值进行TOA估计，并根据TOA估计结果对当前NB的同步位置进行调整。在进行TOA估计之前，对信号先进行干扰消除的方式，克服在现有的强干扰无线环境中由干扰引起的能量估值的偏差，从而最终影响TOA估计的缺陷。能够在强干扰无线环境下能够获得更为准确的能量估值，并且无需对搜索窗的调整方法进行调整。

中国专利申请号200910237602.8，公开日2010年05月05日，公开了一种TOA定位的估计方法及基于该估计方法的精确定位方法。该定位方法包括步骤：发射带定位信息的多载波数字电视信号，定位信息包括发射端的二维或三维坐标位置信息和定位数据，定位数据为已知序列；对接收到的多载波数字电视信号进行时域帧同步，从而得到传输时延粗估计值；截取定位数据，利用TOA定位估计方法计算得到传输时延细估计值，进而得到接收端与发射端间距离的估计值；求出接收端与多个发射端之间距离的估计值之后，根据距离的估计值及二维或三维坐标位置信息利用定位算法计算得到用户所在位置的二维或三维位置信息及二维或三维速度信息。

煤矿井下巷道中，具有甲烷等可燃性气体和煤尘，空间狭小且有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙等，传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，无法有效进行信号能量估值；同时，煤矿井下巷道呈条状或带状分布，巷道走向长度可达数十公里，而宽度与高度仅仅可达数米，因此不可作为二维平面或者三维空间进行分析，因此，应用于地面的上述结合能量估值或者以二维平面或者三维空间为定位环境的TOA定位系统和方法不适合直接应用于煤矿井下人员定位。

发明内容

本发明提供了一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，将煤矿井下巷道作为一维通道进行分析，采用WiFi综合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人员定位卡的系统结构，以及双路WiFi媒介+单路光纤媒介的模式，利用一条明确参考距离的有线信号路径和两条待测距离的无线WiFi信号路径，进行抑制计时误差计算，得到准确的人员定位卡与通信基站之间、与定位分站之间的信号传输时间，进而得出相关距离，结合综合通信基站定向天线的接收信号方向获取人员所在方向，实现煤矿井下人员位置精确定位

以下对本发明加以论述。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：

地面监控调度模块，用于接收通过数据传输处理模块传输的井下人员定位模块的人员位置信息和身份信息，在煤矿地面工作点对井下人员位置进行监控，在出现事故预警或报警时发送调度指令由数据传输处理模块传输至井下人员定位模块，对入井人员进行告警；

数据传输处理模块，用于地面监控调度模块与井下人员定位模块间数据的处理、传输；

井下人员定位模块，基于WiFi通信系统，利用TOA方法检测井下工作人员的位置信息，并通过数据传输处理模块与地面监控调度模块进行数据传输，传输人员位置信息和身份信息，接收出现事故预警或报警时的调度指令并进行告警；

所述井下人员定位模块、数据传输处理模块所有设备均为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述地面监控调度模块进一步包括监控主机、监控平台软件、调度系统软件；所述数据传输处理模块进一步包括交换机、总线、埋入式光纤传输网络，所述埋入式光纤传输网络作为人员定位信号的有线传输媒介，需施工时埋入巷道侧壁或底板；所述井下人员定位模块的定位精度可达到2m以内，进一步包括WiFi综合通信基站、WiFi定位分站、WiFi人员定位卡。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi综合通信基站记为A类锚节点，集成于煤矿井下WiFi通信系统共用，用于煤矿井下WiFi通信系统通信功能与所述一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位功能的实现，间隔为一可设置的已知值，记为2d，单位为m-米，进一步包括WiFi通信子站与WiFi定位子站。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi定位子站，用于接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息和身份信息；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器、告警器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，并判别人员所在方向，与巷道走向相同的天线覆盖方向记为D_pro，与巷道走向相反的天线覆盖方向记为D_con，定位过程中WiFi综合通信基站接收到WiFi信号的定向天线覆盖方向即为人员所在位置方向；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收、接收来自地面监控调度模块的调度指令并发送告警指令控制告警器告警、向地面监控调度模块发送人员位置信息和身份信息；所述计时器计为C_A，时间分辨率值τ满足用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对定向天线覆盖方向数据、计时器计时数据的处理、按照抑制误差计算公式进行人员位置的距离计算以及整合方向数据和距离数据生成人员位置信息，并将所述人员位置信息与人员身份信息整合由所述有线光信号收发器发送；所述存储器，用于运算处理器处理数据存储；所述告警器，用于接收到来自有线光信号收发器发出的告警指令时，播放告警音进行告警。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi定位分站用于实现人员定位功能，记为B类锚节点，设置于2个WiFi综合通信基站距离的中点位置；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现WiFi信号覆盖，覆盖距离为已知值d；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收；所述计时器计为C_B，时间分辨率τ满足

用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和记录；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对计时器记录时间数据的处理；所述存储器，用于运算处理器处理数据的存储。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi人员定位卡，用于人员身份信息的存储和人员定位功能的实现，记为M类移动节点，进一步包括电源、全向天线、WiFi信号收发器、计时器、运算处理器、存储器，集成于煤矿井下WiFi手机或单独配置；所述全向天线用于所述WiFi人员定位卡的信号传输，传输距离为已知值d；所述WiFi信号收发器，用于所述WiFi人员定位卡按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行信号发送与接收；所述计时器计为C_M，时间分辨率τ满足

按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和记录；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对计时器记录时间数据的处理；所述存储器，用于人员身份信息的存储以及运算处理器处理数据的存储。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式，通过所述M类移动节点与所述A类锚节点之间、与所述B类锚节点之间的两路WiFi传输媒介，所述A类锚节点之间和所述B类锚节点之间一路光纤媒介实现信号传输，进一步包括以下步骤：

步骤1.所述M类移动节点每0.4s发送WiFi送检信号S_MA和S_MB分别至所述A类锚节点和所述B类锚节点，当M类移动节点发出S_MA和S_MB时，本人次人员定位过程开始，所述计时器C_M开始计时，开始记录时间值T_MA和时间值T_MB，时间值T_MA的结束时刻与来自A类锚节点的WiFi应答信号S_AM到达时刻有关，时间值T_MB的结束时刻与来自B类锚节点的WiFi应答信号S_BM到达时刻有关；所述T_MA、T_MB的单位均为s-秒；

步骤2.所述B类锚节点接收到S_MB时，由所述计时器C_B开始记录B类锚节点处理来自M类锚节点的S_MB的时延的时间值T_BM，发送S_BM至所述M类移动节点，S_BM发出时所述计时器C_B对时间值T_BM的计时结束，记录时间值T_BM；当M类移动节点接收到S_BM时，所述计时器C_M对时间值T_MB的计时结束，记录时间值T_MB；所述时间值T_BM单位为s-秒；

步骤3.所述A类锚节点接收到S_MA时，由所述计时器C_A开始记录A类锚节点处理来自M类锚节点的S_MA的时延的时间值T_AM，同时判断接收到S_MA的天线的覆盖方向信息为D_pro或为D_con并记录；发送S_AM至所述M类移动节点，S_AM发出时计时器C_A对时间值T_AM的计时结束，记录时间值T_AM；当所述M类移动节点接收到S_AM时，所述计时器C_M对时间值T_MA计时结束，记录时间值T_MA；所述A类锚节点在发送S_AM后，发送有线检测信号S_AB至记录方向上的所述B类锚节点，并由所述计时器C_A开始记录时间值T_AB，时间值T_AB的结束时刻与来自B类锚节点有线应答信号S_BA到达时刻有关；所述时间值T_AM与T_AB的单位均为s-秒；计时器C_M在对时间值T_MA和时间值T_MB计时均完成后，结束本人次人员定位过程内的计时；

步骤4.所述B类锚节点接收S_AB时，由所述计时器C_B开始记录对B类锚节点处理来自A类锚节点的S_AB的时延的时间值T_BA，发送S_BA至所述A类锚节点，S_BA发出时所述计时器C_B对时间值T_BA的计时结束，记录时间值T_BA；所述A类锚节点接收到S_BA时，所述计时器C_A对时间值T_AB的计时结束，记录时间值T_AB；其中所述时间值T_AB的单位为s-秒；所述B类锚节点发送有线时间信号S_TB至A类锚节点，S_TB内容为时间值T_BM、T_BA；当A类锚节点对时间值T_AM与时间值T_AB的计时均结束后，计时器C_A本人次人员定位过程的计时结束；当B类锚节点对时间值T_BM和时间值T_BA的计时均结束后，计时器C_B本人次人员定位过程的计时结束，同时B类锚节点本人次人员过程的工作结束；

步骤5.所述M类移动节点发送WiFi时间信号S_TM至所述A类锚节点，S_TM内容为时间值T_MA、T_MB以及人员身份信息，M类移动节点本人次人员定位过程的工作结束；

步骤6.所述A类锚节点接收到S_TB和S_TM，S_TB包含时间值T_BM、T_BA，S_TM包含时间值T_MA、T_MB以及人员身份信息，A类锚节点计时器C_A记录时间值T_AM、T_AB；本人次人员定位过程“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式的工作结束。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi综合通信基站的定位子站，进行人员位置的距离计算，计算公式为：

\{\begin{matrix} d_{MA} = d \times \frac{T_{AM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 - \frac{T_{BM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{MA} T_{BM} - T_{AM} T_{MB} - T_{AM} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \\ d_{MB} = d \times \frac{T_{BM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 + \frac{T_{AM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{AM} T_{MB} - T_{MA} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} - T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \end{matrix} - - - (2)

其中d_MA、d_MB分别表示所述M类移动节点与所述A类锚节点、所述B类锚节点的距离，d为已知值，表示A类锚节点与B类锚节点的距离，单位均为m-米，c为光速，c＝3×10⁸m/s。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，应用于基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，所述基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统包括：

数据传输处理模块，用于地面监控调度模块与井下人员定位模块之间数据的处理、传输；

井下人员定位模块，基于WiFi通信系统，通过TOA技术检测井下工作人员的位置信息，并通过数据传输处理模块与地面监控调度模块进行通信，传输人员位置信息和身份信息，接收出现事故预警或报警时的调度指令并进行告警；

所述井下人员定位模块、数据传输处理模块所有设备均为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型；

所述井下人员定位模块，包括：

WiFi综合通信基站，记为A类锚节点，集成于煤矿井下WiFi通信系统共用，用于煤矿井下WiFi通信系统通信功能与所述基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位功能的实现，间隔为一可设置的已知值，记为2d，单位为m-米，进一步包括WiFi通信子站与WiFi定位子站；WiFi定位子站接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息，进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器、告警器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，并判别人员所在方向，与巷道走向相同的天线覆盖方向记为D_pro，与巷道走向相反的天线覆盖方向记为D_con，定位过程中WiFi综合通信基站接收到WiFi信号的定向天线覆盖方向即为人员所在位置方向；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收，接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息和身份信息；所述计时器计为C_A，时间分辨率τ满足

用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对定向天线覆盖方向数据、计时器计时数据的处理、按照抑制误差计算公式进行人员位置的距离计算以及整合方向数据和距离数据的生成人员位置信息，整合人员位置信息和身份信息并由有线光信号收发器发送；所述存储器，用于运算处理器处理数据存储；所述告警器，用于接收告警音指令并播放告警音进行告警；

WiFi定位分站，用于实现人员定位功能，记为B类锚节点，设置于2个WiFi综合通信基站距离的中点位置；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现WiFi信号覆盖，覆盖距离为已知值d；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收；所述计时器计为C_B，时间分辨率τ满足

用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和记录；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对计时器记录时间数据的处理；所述存储器，用于运算处理器处理数据的存储；

WiFi人员定位卡，用于人员身份信息的存储和人员定位功能的实现，记为M类移动节点，包括电源、全向天线、WiFi信号收发器、计时器、运算处理器、存储器，可集成于煤矿井下WiFi手机，也可单独配置；所述全向天线，用于所述WiFi人员定位卡的信号传输，传输距离为已知值d；所述WiFi信号收发器，用于所述WiFi人员定位卡按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行信号发送与接收；所述计时器，计为C_M，时间分辨率τ满足

按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和记录；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对计时器记录时间数据的处理；所述存储器，用于人员身份信息的存储以及运算处理器处理数据的存储；

该定位系统，按照以下步骤进行人员定位：

步骤A.所述M移动节点、所述A类锚节点、所述B类锚节点进行“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行信号发送、接收及相关的时间值计时，所述A类锚节点还需记录其接收来自M类移动节点信号的天线的覆盖方向信息；

步骤B.所述A类锚节点对相关时间值，利用本发明提出的抑制TOA测距误差的距离计算方法的计算公式得出所述M类移动节点至A类锚节点的距离值d_MA和M类移动节点至所述B类锚节点的距离值d_MB；所述距离值d_MA、d_MB的单位均为m-米；M类移动节点即WiFi人员定位卡的持卡人员所在位置为该段巷道内，所述步骤A所记录的方向上，距离所述A类锚节点的距离为d_MA，距离所述B类锚节点的距离为d_MB的位置；

步骤C.所述A类锚节点将检测到所述M类移动节点的位置信息和身份信息通过所述数据传输处理模块进行处理传输至地面监控调度模块，地面监控调度模块对本人次人员位置信息和身份信息进行显示、记录、存储及相关调度管理工作，本人次人员定位结束。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，所述M移动节点、A类锚节点、B类锚节点进行信号发送、接收及相关的时间值计时的“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”方式，通过所述M类移动节点与所述A类锚节点之间、与所述B类锚节点之间的两路WiFi传输媒介，所述A类锚节点之间和所述B类锚节点之间一路光纤媒介实现信号传输，进一步包括以下步骤：

步骤A1.所述M类移动节点每0.4s发送WiFi送检信号S_MA和S_MB分别至所述A类锚节点和所述B类锚节点，当M类移动节点发出S_MA和S_MB时，本人次人员定位过程开始，所述计时器C_M开始计时，开始记录时间值T_MA和时间值T_MB，时间值T_MA的结束时刻与来自A类锚节点的WiFi应答信号S_AM到达时刻有关，时间值T_MB的结束时刻与来自B类锚节点的WiFi应答信号S_BM到达时刻有关；所述T_MA、T_MB的单位均为s-秒；

步骤A2.所述B类锚节点接收到S_MB时，由所述计时器C_B开始记录B类锚节点处理来自M类锚节点的S_MB的时延的时间值T_BM，发送S_BM至所述M类移动节点，S_BM发出时所述计时器C_B对时间值T_BM的计时结束，记录时间值T_BM；当M类移动节点接收到S_BM时，所述计时器C_M对时间值T_MB的计时结束，记录时间值T_MB；所述时间值T_BM单位为s-秒；

步骤A3.所述A类锚节点接收到S_MA时，由所述计时器C_A开始记录A类锚节点处理来自M类锚节点的S_MA的时延的时间值T_AM，同时判断接收到S_MA的天线的覆盖方向信息为D_pro或为D_con并记录；发送S_AM至所述M类移动节点，S_AM发出时计时器C_A对时间值T_AM的计时结束，记录时间值T_AM；当所述M类移动节点接收到S_AM时，所述计时器C_M对时间值T_MA计时结束，记录时间值T_MA；所述A类锚节点在发送S_AM后，发送有线检测信号S_AB至记录方向上的所述B类锚节点，并由所述计时器C_A开始记录时间值T_AB，时间值T_AB的结束时刻与来自B类锚节点有线应答信号S_BA到达时刻有关；所述时间值T_AM与T_AB的单位均为s-秒；计时器C_M在对时间值T_MA和时间值T_MB计时均完成后，结束本人次人员定位过程内的计时；

步骤A4.所述B类锚节点接收S_AB时，由所述计时器C_B开始记录对B类锚节点处理来自A类锚节点的S_AB的时延的时间值T_BA，发送S_BA至所述A类锚节点，S_BA发出时所述计时器C_B对时间值T_BA的计时结束，记录时间值T_BA；所述A类锚节点接收到S_BA时，所述计时器C_A对时间值T_AB的计时结束，记录时间值T_AB；其中所述时间值T_AB的单位为s-秒；所述B类锚节点发送有线时间信号S_TB至A类锚节点，S_TB内容为时间值T_BM、T_BA；当A类锚节点对时间值T_AM与时间值T_AB的计时均结束后，计时器C_A本人次人员定位过程的计时结束；当B类锚节点对时间值T_BM和时间值T_BA的计时均结束后，计时器C_B本人次人员定位过程的计时结束，同时B类锚节点本人次人员过程的工作结束；

步骤A5.所述M类移动节点发送WiFi时间信号S_TM至所述A类锚节点，S_TM内容为时间值T_MA、T_MB以及人员身份信息，M类移动节点本人次人员定位过程的工作结束；

步骤A6.所述A类锚节点接收到S_TB和S_TM，S_TB包含时间值T_BM、T_BA，S_TM包含时间值T_MA、T_MB以及人员身份信息，A类锚节点计时器C_A记录时间值T_AM、T_AB；本人次人员定位过程“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式的工作结束。

一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，所述抑制TOA测距误差的距离计算方法的计算公式为：

\{\begin{matrix} d_{MA} = d \times \frac{T_{AM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 - \frac{T_{BM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{MA} T_{BM} - T_{AM} T_{MB} - T_{AM} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \\ d_{MB} = d \times \frac{T_{BM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 + \frac{T_{AM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{AM} T_{MB} - T_{MA} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} - T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \end{matrix} - - - (2)

本发明的优点在于：

(1)本发明提出了一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，不需要以增加设备、加大设备密度为前提，实现煤矿井下人员精确定位，定位精度A_cy≤2m，A_cy表示定位精度，单位为m，需要说明的是，定位精度的实现可以依照本发明提出的：应用时间分辨率在范围内更加精确的计时器以及频率高于150MHz的处理器，并在定位时间间隔T_t≤0.4s范围内缩短检测时间来实现，其约束关系关系为τ≤A_cy/c，c为光速，c＝3×10⁸(m/s)；

(2)本发明提出一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，利用“WiFi综合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人员定位卡”的系统结构，利用每个基站面向巷道两个走向分别设置定向天线的方式获取人员所在位置的方向信息；利用信号发送和接受两端处理过程时间相减的计算方法，避免了采用时间同步方式实现到达时间检测技术存在的设备要求高、实现难度大的问题，避免了由于煤矿巷道绝对长度仅为10公里以内，无线信号在巷道内传播时间极短造成的设备要求高的问题；

(3)本发明提出一种TOA抑制误差方法，利用“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”的信号传输模式，利用已知有线信道距离值，建立方程组，进行消元计算，有效抑制计时设备频率漂移所造成的计时误差为定位带来的误差，在定位精度为2m的情况下，该影响因素对定位精度的影响可降低到±0.02m以内；

(4)本发明提出的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，集成在煤矿井下WiFi综合通信系统中，有效的改善矿井通信系统与定位系统采用不同系统的管理不统一的问题，有效的解决了由于采用诸如RFID、Zigbee等其他2.4G ISM频段信号进行人员定位对矿井无线通信系统造成同频干扰的问题，对于矿井统一无线接口和无线平台、促进一体化综合监控与通信平台的建立、发展煤矿物联网具有重要意义。

附图说明

图1为基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统示意图；

图2为基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位检测示意图；

图3为WiFi综合通信基站定位子站设备结构图；

图4为WiFi定位分站设备结构图；

图5为WiFi人员定位卡设备结构图；

图6为基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位方法流程图；

图7为“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”方式信号收发及计时模式示意图；

图8为基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及方法误差对比测试结果；

图中，1、地面监控调度设备；2、埋入式光纤传输网络；3.本安防爆交换机；4、WiFi综合通信基站；5、WiFi定位分站；6、井下人员并WiFi人员定位卡；7、定向天线；8、计时器；9、运算处理器；10、存储器；11、电源；12、有线光信号收发器；13、WiFi信号收发器；14、告警器；15、全向天线。

具体实施方式

下列实施实例将进一步说明本发明，实施实例不应被视为限制本发明的范围。下面结合附图对本发明的工作方式做详细说明。

如图1所示，本发明基于TOA(Time ofArrival)的煤矿井下WiFi(Wireless Fidelity)人员定位系统示意图，包括1、地面监控调度设备；2、埋入式光纤传输网络；3.本安防爆交换机；4、WiFi综合通信基站；5、WiFi定位分站；6、井下人员并WiFi人员定位卡。

本发明的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，除地面监控调度模块以外，其他所有设备均为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型。

地面监控调度设备1包括计算机、人员定位客户端软件、矿井人员作业管理系统软件等，用于接收由数据传输处理模块发送的井下人员定位模块人员位置信息和身份信息，在煤矿地面工作点日常对井下人员位置进行监控，在特殊情况下发送地面调度指令由数据处理模块传输至井下人员定位模块，对入井人员进行调度、告警、指挥、救援协助工作等。

埋入式光纤传输网络2，需要对光纤传输网络根据该矿井地压情况选择埋入巷道底板或侧壁进行，以保证发生事故后的网络及系统可靠性。

本安防爆交换机3，采用本安防爆型交换机对数据进行处理。

WiFi综合通信基站4，记为A类锚节点，进一步包括WiFi通信设备与WiFi定位设备，分别实现矿井通信与矿井人员定位功能，所述WiFi综合通信基站集成于煤矿井下WiFi通信系统。

WiFi综合通信基站4设置如图2所示，所述WiFi综合通信基站即A类锚节点之间的间隔为一可设置的已知值，记为2d，例如，设置系统时，WiFi综合通信基站的间隔可设置为800m；

WiFi综综合通信基站定位子站设备如图3所示，包括：7、定向天线；8、计时器；9、运算处理器；10、存储器；11、电源；12、有线光信号收发器；13、WiFi信号收发器；14、告警器。定向天线7，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，例如400m，并判别人员所在方向，与巷道走向相同的天线覆盖方向记为D_pro，与巷道走向相反的天线覆盖方向记为D_con，定位过程中WiFi信号被WiFi综合通信基站其中一个定向天线接收到，该定向天线的定向覆盖方向即为人员所在位置方向；计时器8，记为计时器C_A，应采用高分辨率智能计时器，其时间分辨率τ需要满足

按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和时间记录，如采用泰克公司FCA3000计时器，分辨率为100pd即10^-10s并可为用户提供自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测量结果、并创建报告等功能；运算处理器9，工作频率高于150MHz，用于对定向天线覆盖方向数据、计时器8计时数据的处理、按照抑制误差计算公式进行人员位置的距离计算以及方向数据和距离数据的整合生成人员位置信息，进行人员位置信息和身份信息的整合并由有线光信号收发器12发送；存储器10，用于运算处理器9处理数据存储；电源11，对WiFi定位设备完成供电，满足井下设备交流电源的要求：额定电压：127V/380V/660V/1140V，允许偏差：其他井下产品：-25％～+10％；谐波：不大于10％；频率：50Hz，允许偏差±5％；有线光信号收发器12，按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收，接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员位置信息和身份信息；WiFi信号收发器13，按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；告警器14，用于接收到来自有线光信号收发器发出的告警指令时，播放告警音进行告警。

WiFi定位分站5，记为B类锚节点，用于实现矿井人员定位功能。

WiFi定位分站5设置如图2所示，设置于2个WiFi综合通信基站距离的中点位置，即WiFi定位分站5距离临近的两个WiFi综合通信基站4的距离均为已知值d，例如400m。

WiFi定位分站设备结构如图4所示，包括：7、定向天线；8、计时器；9、运算处理器；10、存储器；11、电源；12、有线光信号收发器；13、WiFi信号收发器。定向天线7，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，例如取400m；计时器8，记为计时器C_B，应采用高分辨率智能计时器，其时间分辨率τ需要满足

按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和时间记录，例如采用泰克公司FCA3000计时器，分辨率为100pd即10^-10s并可为用户提供自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测量结果、并创建报告等功能；运算处理器9，工作频率高于150MHz，用于对计时器8计时数据的处理；存储器10，用于运算处理器9处理数据存储；电源11，对WiFi定位分站完成供电，满足井下设备交流电源的要求：额定电压：127V/380V/660V/1140V，允许偏差：其他井下产品：-25％～+10％；谐波：不大于10％；频率：50Hz，允许偏差±5％；有线光信号收发器12，按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收，接收来自地面监控调度模块的调度指令并发送告警指令控制告警器进行告警，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息；WiFi信号收发器13，按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收。

井下人员并WiFi人员定位卡6，由井下人员携带人员定位卡6，记为M类移动节点，所述人员定位卡可集成于煤矿井下WiFi手机，也可单独配置。

WiFi人员定位卡设备结构如图5所示，包括：8、计时器；9、运算处理器；10、存储器；11、电源；13、WiFi信号收发器；15、全向天线。计时器8，记为计时器C_M，应采用高分辨率智能计时器，其时间分辨率τ需要满足

按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和时间记录，例如采用泰克公司FCA3000计时器，分辨率为100ps即10^-10s并可为用户提供自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测量结果、并创建报告等功能；运算处理器9，工作频率高于150MHz，用于对计时器8计时数据的处理；存储器10，用于运算处理器9处理数据存储和人员身份信息的存储；电源11，对WiFi人员定位卡完成供电，采用电池，不可更换的电池寿命应不小于2年；可更换的电池寿命应不小于6个月；WiFi信号收发器13，按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；全向天线15，用于发送和接收WiFi信号，传输距离已知值d，例如取400m。

定向天线7，其布置如图2所示，在所述WiFi综合通信基站4，WiFi定位分站5，井下人员并WiFi人员定位卡6的说明中已进行具体阐述。

如图6所示，系统工作基本流程如下：WiFi人员定位卡每隔0.4s主动向WiFi综合通信基站和WiFi定位分站发送WiFi送检信号，三者按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”方式进行信号发送、接收及相关的时间值计时，WiFi综合通信基站同时判断其接收来自WiFi人员定位卡信号的天线的覆盖方向信息；完成上述步骤后WiFi综合通信基站将记录到本人次定位人员方向信息即其接收来自WiFi人员定位卡信号的天线的覆盖方向信息，以及接收来自WiFi定位分站和WiFi人员定位卡的时间信号及其所包含的信号收发处理收发时间值；WiFi综合通信基站按照抑制TOA测距误差的距离计算方法的计算公式进行距离计算，得出被测WiFi人员定位卡至WiFi综合通信基站的距离值和至WiFi定位分站的距离值，结合记录的方向信息，确定被测人员在该段巷道内的位置；WiFi综合通信基站将检测到WiFi人员定位卡的位置信息及存储的身份信息通过数据传输处理模块进行处理传输，发送到地面监控调度模块；地面监控调度模块对本人次人员位置信息和身份信息进行显示、记录、存储及相关调度管理，完成本人次人员定位。

需要补充说明的是，WiFi人员定位卡每隔0.4s发出信号，是因为，所述计时器C_A、计时器C_B、计时器C_M的时间分辨率τ满足

那么系统能分辨的定位精度即为

A_{cy} \leq \frac{2}{3} \times 10^{- 8} s \times 3 \times 10^{8} m / s = 2 m,

即系统定位精度A_cy≤2m，而中华人民共和国安全生产行业标准AQ6210-2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》规定，“最大位移速度不得小于5m/s”，即设计系统时考虑井下人员最大位移速度的最小值为5m/s，当WiFi人员定位卡发送信号的时间间隔为0.4s，在考虑最大位移速度的情况下，井下人员在该段时间内位移为0.4s×5m/s＝2m，可以满足定位精度A_cy≤2m的条件，不会影响系统的性能。

如图7所示，“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”方式信号收发及计时方法示意图，双路无线WiFi信道指井下人员并WiFi人员定位卡6即所述M类移动节点与WiFi综合通信基站即A类锚节点之间、井下人员并WiFi人员定位卡6即所述M类移动节点与WiFi定位分站即B类锚节点之间进行WiFi信号传递的两个无线信号传输媒介，以及WiFi综合通信基站即A类锚节点与WiFi定位分站即B类锚节点进行有限光纤信号传输媒介，其具体的信号传输、相关时间值计时过程为：

如图8所示，基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及方法误差对比测试结果；其中，a为测单程信号传播时间的测距方法测试误差分布，b为测往返信号传播时间的测距方法测试误差分布，c为本发明抑制TOA测距误差的距离计算方法的测试误差分布，d为发明系统及方法应用于宽3m、高3m的巷道环境误差测试结果分布，e为本发明系统及方法综合误差测试结果分布。

测单程信号传播时间的测距方法误差来自于系统中设备之间时间不同步即设备之间存在同步时延，假定系统设备之间的同步时延在1μs以内，1000次随机测试结果如图8a显示，误差分布区间为[-299.8114m，+299.3885m]，此误差对于煤矿井下定位而言是不可接受的；测往返信号传播时间的测距方法误差来自于计时设备的频率偏移造成的计时误差，其原因为计时器晶体振荡器精确时钟频率f，计时器晶体振荡器频率偏移ΔF，其单位均为Hz-赫兹，在一个计时时段T内计时器的固有计时误差

在IEEE802.11规定时钟频率偏移[-25ppm，+25ppm]，假定设备对信号进行处理的时延在1ms内，1000次随机测试结果如图8b显示，误差分布区间为[-12.2182m，+13.0717m]，会对精度产生很大影响，而且根据BCM8000WiFi模块的实际处理过程，时延会比1ms更长且不固定，会造成更大的误差；

本发明所述的抑制TOA测距误差的距离计算方法，计算公式为：

\{\begin{matrix} d_{MA} = d \times \frac{T_{AM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 - \frac{T_{BM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{MA} T_{BM} - T_{AM} T_{MB} - T_{AM} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \\ d_{MB} = d \times \frac{T_{BM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 + \frac{T_{AM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{AM} T_{MB} - T_{MA} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} - T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \end{matrix} - - - (2)

其中d_MA、d_MB分别表示所述M类移动节点与所述A类锚节点、所述B类锚节点的距离，d为已知值，表示A类锚节点与B类锚节点的距离，单位均为m-米，c为光速，c＝3×10⁸m/s；

包括以下内容：

对造成误差的物理量的说明：

计时器晶体振荡器精确时钟频率f，计时器晶体振荡器频率偏移ΔF，其单位均为Hz-赫兹，在一个计时时段T内计时器的固有计时误差

其中T与ΔT单位均为m-秒，计时器固有误差系数为e，

那么ΔT＝e×T；802.11标准规定设备的时钟频率偏移容限为±25ppm，其中1ppm＝1×10^-6；需要说明的是，频率偏移造成的固有计时误差在设备使用中会继续发生变化，导致频率偏移量的继续改变；

所述抑制TOA测距误差的距离计算方法的具体步骤：

步骤B1.所述时间值T_AB及T_BA，其内容分别为：

T_{AB} = 2 \times \frac{d}{c} + T_{BA}^{*} + e^{A} \times T_{AB} - - - (3)

T_{BA} = T_{BA}^{*} + e^{B} \times T_{BA} - - - (4)

其中，

表示B类锚节点处理来自A类锚节点有线检测信号S_AB的净时延，e^A表示计时器C_A的固有误差系数，e^B表示计时器C_B的固有误差系数；

因此，(3)式减去(4)式建立一个方程：

T_{AB} - T_{BA} = 2 \times \frac{d}{c} + e^{A} T_{AB} - e^{B} T_{BA} - - - (5)

由于：

e^{A} (T_{AB} - T_{BA}) \approx e^{A} \times 2 \times \frac{d}{c} \leq 25 \times 10^{- 6} \times 2 \times \frac{d}{c} < < 2 \times \frac{d}{c} \approx (T_{AB} - T_{BA}) - - - (6)

则有：

T_{AB} - T_{BA} &RightArrow; 2 \times \frac{d}{c} + e^{A} \times T_{AB} - e^{B} \times T_{BA} - e^{A} \times (T_{AB} - T_{BA}) - - - (7)

即：

T_{AB} - T_{BA} &RightArrow; 2 \times \frac{d}{c} + e^{A} \times T_{BA} - e^{B} \times T_{BA} - - - (8)

(5)式可化为：

T_{AB} - T_{BA} = 2 \times \frac{d}{c} + (e^{A} - e^{B}) \times T_{BA} - - - (9)

步骤B2.所述时间值T_MA及T_AM，其内容分别为：

T_{MA} = 2 \times \frac{d_{MA}}{c} + T_{AM}^{*} + e^{M} \times T_{MA} - - - (10)

T_{AM} = T_{AM}^{*} + e^{A} \times T_{AM} - - - (11)

其中，

表示A类锚节点处理来自M类移动节点WiFi检测信号S_MA的净时延，e^M表示计时器C_M的固有误差系数；

(10)式减去(11)式建立一个方程：

T_{MA} - T_{AM} = 2 \times \frac{d_{MA}}{c} + e^{M} \times T_{MA} - e^{A} \times T_{AM} - - - (12)

与步骤F1中(5)式化为(9)式同理，(12)式可化为：

T_{MA} - T_{AM} = 2 \times \frac{d_{MA}}{c} + (e^{M} - e^{A}) \times T_{AM} - - - (13)

步骤B3.所述时间值T_MB及T_BM，其内容分别为：

T_{MB} = 2 \times \frac{d_{MB}}{c} + T_{BM}^{*} + e^{M} \times T_{MB} - - - (14)

T_{BM} = T_{B, M}^{*} + e^{B} \times T_{BM} - - - (15)

其中，

表示B类锚节点处理来自M类移动节点WiFi送检信号S_MB的净时延；因此，(14)式减去(15)式建立一个方程：

T_{MB} - T_{BM} = 2 \times \frac{d_{MB}}{c} + e^{M} \times T_{MB} - e^{B} \times T_{BM} - - - (16)

与步骤F1中(5)式化为(9)式同理，(16)式可化为：

T_{MB} - T_{BM} = 2 \times \frac{d_{MB}}{c} + (e^{M} - e^{B}) T_{BM} - - - (17)

步骤B4.所述一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统结构决定了所述M类移动节点至A类锚节点的距离值d_M4和M类移动节点至所述B类锚节点的距离值d₂的关系为

d_MA+d_MB＝d (18)

(9)式、(13)式、(17)式、(18)式联立，建立一个关于未知数e^A、e^B、e^C和d_MA、d_MB的方程组：

\{\begin{matrix} T_{AB} - T_{BA} = 2 \times \frac{d}{c} + (e^{A} - e^{B}) T_{BA} \cdot \cdot \cdot (a) \\ T_{MA} - T_{AM} = 2 \times \frac{d_{MA}}{c} + (e^{M} - e^{A}) T_{AM} \cdot \cdot \cdot (b) \\ T_{MB} - T_{BM} = 2 \times \frac{d_{MB}}{c} + (e^{M} - e^{B}) T_{BM} - - - (c) \\ d_{MA} + d_{2} = d \cdot \cdot \cdot (d) \end{matrix} - - - (19)

对方程组进行求解，其中(19)-(a)式可以化为：

(e^{A} - e^{B}) T_{BA} = T_{AB} - T_{BA} - 2 \times \frac{d}{c} - - - (20)

方程(19)-(b)式乘以一个系数

得到：

\frac{T_{BA}}{T_{AM}} (T_{MA} - T_{AM}) = \frac{T_{BA}}{T_{AM}} \times 2 \times \frac{d_{MA}}{c} + (e^{M} - e^{A}) T_{BA} - - - (21)

方程(19)-(c)式乘以一个系数

得到：

\frac{T_{BA}}{T_{BM}} (T_{MB} - T_{BM}) = \frac{T_{BA}}{T_{BM}} \times 2 \times \frac{d_{MB}}{c} + (e^{M} - e^{B}) T_{BA} - - - (22)

(21)式减去(22)式，得

\frac{T_{BA}}{T_{AM}} (T_{MA} - T_{AM}) - \frac{T_{BA}}{T_{BM}} (T_{MB} - T_{BM}) = 2 \times \frac{T_{BA}}{c} (\frac{d_{MA}}{T_{AM}} - \frac{d_{MB}}{T_{BM}}) - (e^{A} - e^{B}) T_{BA} - - - (23)

将(20)式代入(23)式，得到：

\frac{T_{BA}}{T_{AM}} (T_{MA} - T_{AM}) - \frac{T_{BA}}{T_{BM}} (T_{MB} - T_{BM}) = 2 \times \frac{T_{BA}}{c} (\frac{d_{MA}}{T_{AM}} - \frac{d_{MB}}{T_{BM}}) - (T_{AB} - T_{BA} - 2 \times \frac{d}{c}) - - - (24)

将(24)式化简，得到：

d_{MA} - \frac{T_{AM}}{T_{BM}} d_{MB} = \frac{c}{2} \times T_{AM} (\frac{T_{MA}}{T_{AM}} - \frac{T_{MB}}{T_{BM}} + \frac{T_{AB} - T_{BA}}{T_{BA}}) - d \times \frac{T_{AM}}{T_{BA}} - - - (25)

将(19)-(d)式与(25)式联立，可得一个关于d_MA、d_MB的方程组：

\{\begin{matrix} d_{MA} + d_{MB} = d \\ d_{MA} - \frac{T_{AM}}{T_{BM}} * d_{MB} = \frac{c}{2} \times T_{AM} \times (\frac{T_{MA}}{T_{AM}} - \frac{T_{MB}}{T_{BM}} + \frac{T_{AB} - T_{BA}}{T_{BA}}) - d \times \frac{T_{AM}}{T_{BA}} \end{matrix} - - - (26)

解这个方程组，得出所述M类移动节点至A类锚节点的距离值d_MA和M类移动节点至所述B类锚节点的距离值d_MB，即所述TOA抑制误差方法计算公式(2)式：

\{\begin{matrix} d_{MA} = d \times \frac{T_{AM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 - \frac{T_{BM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{MA} T_{BM} - T_{AM} T_{MB} - T_{AM} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \\ d_{MB} = d \times \frac{T_{BM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 + \frac{T_{AM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{AM} T_{MB} - T_{MA} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} - T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \end{matrix} - - - (2)

测距误差来自方法的推导过程中近似计算的误差，与-e^A×(T_AB-T_BA)有关，事实上此误差计算过程中已经再次被抑制，取d＝400m，1000次随机测试结果如图8c显示，误差分布区间为[-0.0194m，+0.0191m]，与2m定位精度的比例为不到±1％，不会影响定位精度。

另一方面，实际中煤矿井下巷道，为巷道走向长度远大于顶底板宽度和侧壁高度的三维环境，本发明定位方法采用一维参考系进行定位，会因为巷道的顶底板宽度和侧壁高度的忽略造成轻微误差，针对用h表示巷道高度，l表示巷道宽度，造成的误差用Δd表示，在高h＝3m，宽l＝3m的矩形巷道，对于d_MA，情况为：

0 \leq Δd \leq \sqrt[3]{{d_{MA}}^{3} + h^{3} + l^{3}} - d_{MA} - - - (27)

测试取所述WiFi综合通信基站与所述WiFi定位分站的距离间隔为d＝400，该范围内进行1000次随机测试，由图8d所示，Δd的分布区间为[0m，1.2171m]，且Δd取值主要在0m附近小范围波动。同时考虑两种误差的情况下，进行1000次随机测试，由图8e所示，系统的综合误差分布区间为[-0.0162m，+1.1448m ]，且主要在0m附近小范围波动，不会影响到系统的定位精度和性能。

本发明采用一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，不需要以增加设备、加大设备密度为前提，实现煤矿井下人员精确定位，定位精度A_cy≤2m，；本发明采用“WiFi综合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人员定位卡”的系统结构，利用每个基站面向巷道两个走向分别设置定向天线的方式获取人员所在位置的方向信息；利用信号发送和接受两端处理过程时间相减的计算方法，避免了采用时间同步方式实现到达时间检测技术存在的设备要求高、实现难度大的问题，避免了由于煤矿巷道绝对长度仅为10公里以内，无线信号在巷道内传播时间极短造成的设备要求高的问题；提出和采用抑制TOA测距误差的距离计算方法，利用“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”的信号传输模式，利用已知有线信道距离值，建立方程组，进行消元计算，有效抑制计时设备频率漂移所造成的计时误差为定位带来的误差，该影响因素对定位精度的影响可降低到±0.02m以内；系统的综合误差仅为[-0.0162m，+1.1448m]，且绝大部分的误差值在0m附近小范围波动，不会影响到系统2m的定位精度；本发明采用WiFi技术进行人员定位，集成在煤矿井下WiFi综合通信系统中，有效的改善矿井通信系统与定位系统采用不同系统的管理不统一的问题，有效的解决了由于采用诸如RFID、Zigbee等其他2.4G ISM频段信号进行人员定位对矿井无线通信系统造成同频干扰的问题，对于矿井统一无线接口和无线平台、促进一体化综合监控与通信平台的建立、发展煤矿物联网具有重要意义。

需要指出的是，以上所述实施实例用于进一步说明本发明，实施实例不应被视为限制本发明的范围。

Claims

1.一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：

2.根据权利要求1所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述地面监控调度模块进一步包括监控主机、监控平台软件、调度系统软件；所述数据传输处理模块进一步包括交换机、总线、埋入式光纤传输网络，所述埋入式光纤传输网络作为人员定位信号的有线传输媒介，需施工时埋入巷道侧壁或底板；所述井下人员定位模块的定位精度可达到2m以内，进一步包括WiFi综合通信基站、WiFi定位分站、WiFi人员定位卡。

3.根据权利要求2所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi综合通信基站记为A类锚节点，集成于煤矿井下WiFi通信系统共用，用于煤矿井下WiFi通信系统通信功能与所述一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位功能的实现，间隔为一可设置的已知值，记为2d，单位为m-米，进一步包括WiFi通信子站与WiFi定位子站。

4.根据权利要求3所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi定位子站，用于接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息和身份信息；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器、告警器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，并判别人员所在方向，与巷道走向相同的天线覆盖方向记为D_pro，与巷道走向相反的天线覆盖方向记为D_con，定位过程中WiFi综合通信基站接收到WiFi信号的定向天线覆盖方向即为人员所在位置方向；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收、接收来自地面监控调度模块的调度指令并发送告警指令控制告警器告警、向地面监控调度模块发送人员位置信息和身份信息；所述计时器计为C_A，时间分辨率值τ满足

用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对定向天线覆盖方向数据、计时器计时数据的处理、按照抑制误差计算公式进行人员位置的距离计算以及整合方向数据和距离数据生成人员位置信息，并将所述人员位置信息与人员身份信息整合由所述有线光信号收发器发送；所述存储器，用于运算处理器处理数据存储；所述告警器，用于接收到来自有线光信号收发器发出的告警指令时，播放告警音进行告警。

5.根据权利要求2所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi定位分站用于实现人员定位功能，记为B类锚节点，设置于2个WiFi综合通信基站距离的中点位置；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现WiFi信号覆盖，覆盖距离为已知值d；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收；所述计时器计为C_B，时间分辨率τ满足

6.根据权利要求2所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi人员定位卡，用于人员身份信息的存储和人员定位功能的实现，记为M类移动节点，进一步包括电源、全向天线、WiFi信号收发器、计时器、运算处理器、存储器，集成于煤矿井下WiFi手机或单独配置；所述全向天线用于所述WiFi人员定位卡的信号传输，传输距离为已知值d；所述WiFi信号收发器，用于所述WiFi人员定位卡按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行信号发送与接收；所述计时器计为C_M，时间分辨率τ满足

7.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式，通过所述M类移动节点与所述A类锚节点之间、与所述B类锚节点之间的两路WiFi传输媒介，所述A类锚节点之间和所述B类锚节点之间一路光纤媒介实现信号传输，进一步包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述WiFi综合通信基站的定位子站，进行人员位置的距离计算，计算公式为：

\{\begin{matrix} d_{MA} = d \times \frac{T_{AM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 - \frac{T_{BM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{MA} T_{BM} - T_{AM} T_{MB} - T_{AM} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \\ d_{MB} = d \times \frac{T_{BM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 + \frac{T_{AM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{AM} T_{MB} - T_{MA} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} - T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \end{matrix} - - - (1)

9.一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，应用于基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，所述基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统包括：

所述井下人员定位模块，包括：

WiFi综合通信基站，记为A类锚节点，集成于煤矿井下WiFi通信系统共用，用于煤矿井下WiFi通信系统通信功能与所述基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位功能的实现，间隔为一可设置的已知值，记为2d，单位为m-米，进一步包括WiFi通信子站与WiFi定位子站；WiFi定位子站接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息，进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器、告警器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，并判别人员所在方向，与巷道走向相同的天线覆盖方向记为D_pro，与巷道走向相反的天线覆盖方向记为D_con，定位过程中WiFi综合通信基站接收到WiFi信号的定向天线覆盖方向即为人员所在位置方向；所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收，接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息和身份信息；所述计时器计为C_A，时间分辨率τ满足用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对定向天线覆盖方向数据、计时器计时数据的处理、按照抑制误差计算公式进行人员位置的距离计算以及整合方向数据和距离数据的生成人员位置信息，整合人员位置信息和身份信息并由有线光信号收发器发送；所述存储器，用于运算处理器处理数据存储；所述告警器，用于接收告警音指令并播放告警音进行告警；

该定位系统，按照以下步骤进行人员定位：

10.根据权利要求9所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，所述M移动节点、A类锚节点、B类锚节点进行信号发送、接收及相关的时间值计时的“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”方式，通过所述M类移动节点与所述A类锚节点之间、与所述B类锚节点之间的两路WiFi传输媒介，所述A类锚节点之间和所述B类锚节点之间一路光纤媒介实现信号传输，进一步包括以下步骤：

11.根据权利要求10所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，所述抑制TOA测距误差的距离计算方法的计算公式为：

\{\begin{matrix} d_{MA} = d \times \frac{T_{AM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 - \frac{T_{BM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{MA} T_{BM} - T_{AM} T_{MB} - T_{AM} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \\ d_{MB} = d \times \frac{T_{BM}}{T_{AM} + T_{BM}} \times (1 + \frac{T_{AM}}{T_{BA}}) + \frac{c}{2} \times \frac{1}{T_{AM} + T_{BM}} \times (T_{AM} T_{MB} - T_{MA} T_{BM} + T_{AM} T_{BM} - T_{AM} T_{BM} \frac{T_{AB}}{T_{BA}}) \end{matrix} - - - (1)