CN103167524A - 一种基于toa技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，属于矿井监控与通信领域。系统精度评价由系统静态精度和系统动态精度共同决定。系统静态精度决定于系统中实现TOA的时间测量的计时器时间分辨率、处理器频率以及系统误差。系统动态精度决定于定位巡检周期和被定位人员的位移速度。本发明针对系统定位技术、设备物理性能，实现了基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度的全面评价，为系统设计提供相关的指导。

Description

一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，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”。因此，煤矿井下人员定位系统的定位精度需要进行评价。

基于信号到达时间TOA(Time of Arrival)技术，作为一种精确定位技术在地面环境中被广泛应用，在煤矿井下人员定位领域也成为技术热点，基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统也开始应用和推广。然而，TOA技术进行煤矿井下人员定位的技术依据是时间参数，而目前未发现针对基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统相应的时间参数，基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的相关的评价方法，未发现关于基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法的相关中国专利。因此，需要研究并提出基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法。

发明内容

本发明提供了一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法。本发明依据实现TOA技术在煤矿井下人员定位的技术方案和关键设备的物理性能，提出基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其中包括系统精度、系统静态精度和系统动态精度的评价方法。

以下对本发明加以论述。

一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，用于评价基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的定位精度，所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的定位精度记为P，进一步包括静态定位精度和动态定位精度，静态定位精度记为P_S，动态定位精度记为P_M，评价方法为P＝MAX[P_S，P_M]，其中MAX[...]为取最大值函数，定位精度P、静态定位精度P_S，动态定位精度P_M的单位为m-米。

一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，进一步包括静态定位精度评价方法和动态定位精度评价方法，分别用于评价基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的静态定位精度P_S和动态定位精度P_M。

一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，所述静态精度评价方法，进一步包括以下内容：

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，进行TOA-信号到达时间测量的计时设备，计时器时间分辨率记为τ，单位为s-秒，所述计时器时间分辨率评价的所述静态定位精度记为P_S1，单位为m-米，评价条件为P_S1＝τ×c，c为光速，c＝3×10⁸m/s；

所述基于TOA技术的煤矿井下煤矿井下人员定位系统进行TOA-信号到达时间测量的运算设备，处理器频率记为f，单位为Hz-赫兹，所述处理器频率评价的所述静态定位精度记为P_S2，单位为m-米，评价条件为P_S2＝c/f；

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，存在定位误差，记为Δd，单位为m-米，Δd的取值区间为[Δd_min，Δd_max]，Δd_min，Δd_max分别为误差的最小值和最大值，Δd_min≤Δd_max，单位为m-米，所述定位误差评价的所述静态定位精度记为P_S3，单位为m-米，评价条件为

$P_{S3}=\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\right|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }\&GreaterEqual;0\\ {|\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }|+|{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\&times;{\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }<0\\ {|\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\&le;0\end{array}\right.;$

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统静态定位精度P_S的评价方法为，M/AX[...]为取最大值函数，所述静态定位精度P_S＝MAX[P_S1，P_S2，P_S3]。

一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，所述动态定位精度评价方法，进一步包括以下内容：

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，定位巡检周期记为T_p，单位为s-秒；

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，被测人员的位移速最大位移速度表示为V_Max，单位为m/s-米/秒；

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统动态定位精度P_M的评价方法为，所述动态定位精度P_M＝V_max×T_p。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度的评价方法，将系统定位精度分别与实现TOA技术在煤矿井下人员定位的技术方案和关键设备的物理性能进行关联，既实现系统精度的评价，也能为系统关键技术的设计提供相关的指导；

(2)本发明将系统精度评价分别依据系统静态定位精度的评价和系统动态精度的评价，针对系统定位技术、设备物理性能对系统定位精度进行全面评价。

附图说明

图1基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法流程图

图2计时器时间分辨率评价静态定位精度示意图

图3处理器频率评价静态定位精度示意图

图4为计时误差造成的定位误差特性曲线

图5定位误差评价静态定位精度示意图

图6巡检周期与最大位移速度判决定位精度示意图

图中，1、计时器时间分辨率评价静态定位精度的条件；2、处理器频率评价静态定位精度的条件；3、定位误差评价静态定位精度的条件；4、静态定位精度判决条件；5、巡检周期限定条件；6、最大位移速度限定条件；7、动态定位精度判决条件；8、定位精度判决条件；9、定位精度。

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，基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法流程图，图中：1、计时器时间分辨率评价静态定位精度的条件；2、处理器频率评价静态定位精度的条件；3、定位误差评价静态定位精度的条件；4、静态定位精度判决条件；5、巡检周期限定条件；6、最大位移速度限定条件；7、动态定位精度判决条件；8、定位精度判决条件；9、定位精度。

计时器时间分辨率评价静态定位精度的条件1为P_S1＝τ×c；进行TOA-信号到达时间测量的计时设备，计时器时间分辨率记为τ，即计时器能够分辨的最小时间间隙，单位为s-秒；c为光速，即电磁波信号传播速度，c＝3×10⁸m/s。

因此计时器时间分辨率评价静态定位精度的条件1物理意义为，用于人员定位检测的电磁波信号在计时器能分辨的最小时间间隙内传播的距离，即系统进行人员定位能够分辨的最小距离，如图2所示计时器时间分辨率评价静态定位精度示意图，小于此距离值系统将无法分辨，用来评价系统静态定位精度。

处理器频率评价静态定位精度的条件2为P_S2＝c/f；进行TOA-信号到达时间测量的运算设备，处理器频率记为f，单位为Hz-赫兹，因此，1/f即表运算设备进行运算的最小时间间隔；c为光速，即电磁波信号传播速度，c＝3×10⁸m/s。

因此，处理器频率评价静态定位精度的条件2的物理意义为，用于人员定位检测的电磁波信号在运算设备的处理器进行运算的最小时间间隙内传播的距离，如图3所示，处理器频率评价静态定位精度示意图，小于此距离值系统将无法提供足够运算速度以实现计算，用来评价系统静态定位精度。

定位误差评价静态定位精度的条件3为 $P_{S3}=\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\right|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }\&GreaterEqual;0\\ {|\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }|+|{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\&times;{\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }<0\\ {|\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\&le;0\end{array}\right.,$ 基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，系统存在定位误差，记为Δd，其取值区间为[Δd_min，Δd_max]，其中Δd_min，Δd_max分别为误差范围的最小值和最大值，Δd_min≤Δd_max，单位为m-米；

基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，系统存在的定位误差Δd是由于设备的计时误差、巷道环境的非视距误差导致；

计时误差造成的定位误差包括：

系统设备的同步时延造成的定位误差，出现在利用信号单程传播时间进行测距的定位方式中，用Δd₁表示，Δd₁＝c×Δt，c为光速，Δt为设备时钟同步时延；

系统计时设备频率偏移造成的定位误差，出现在利用信号往复传播时间测距的定位方式中，用Δd₂表示，Δd₂＝-(e₁×T₁-e₂×T₂)，T₁、T₂分别为信号往复传播发射机、接收机的处理时延。e₁、e₂分别为信号发射机计时器、接收机计时器的频率偏移系数；

需要说明的是，计时误差由于计时器的物理特性，可能存在即使结果较准确时间偏快或者偏慢的情况，因此计时误差造成的定位误差就有正负之分；

图4为两种计时误差造成的定位误差的特性曲线；左图为系统设备的同步时延造成的定位误差特性曲线，右图为系统计时设备频率偏移造成的定位误差特性曲线，图4可以看出，两种计时误差造成的定位误差的取值均有正值和负值；

巷道环境的非视距误差，出现在部分巷道环境内，是由于部分巷道内设置体积较大的设备，从而造成信号无法通过视距路径进行发射机与接收机之间的传播，通过非视距路径才能实现发射机与接收机之间的传播，从而造成非视距环境的定位误差，用Δd₃表示，Δd₃＝c×τ_NLOS，τ_NLOS为NLOS环境时延，其中T_τ为信号发射机与接收机距离为1km时的中值，为已知固定参数，d为信号发射机和接收机机的间距，ξ是服从对数分布的随机变量，10logξ是均值为零、标准差δ_ξ为4dB～6dB的高斯随机变量。

需要说明的是系统误差参数，可以依据定位技术和系统物理性能选择上述因素中所存在的误差，利用计算公式计算得出，也可以参考系统现场验收的实测数据；

系统的误差参数根据系统的定位技术可以避免或者减小误差，该情况下需要根据系统误差抑制、技术改进后的算法误差公式进行计算或参考实测数据；本实施实例的举例为未进行误差抑制的情况下的误差存在情况，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。

如图5所示，定位误差评价静态定位精度示意图，小于定位误差的距离系统可能无法分辨，用来评价系统静态定位精度。

表1举例对定位误差评价静态定位精度的条件3进行说明：

表1

参数	dmin	dmax	Δd	PS3
					系统1	0.5m	1m	[0.5m，1m]	1m
系统2	-0.5m	0.5m	[-0.5m，0.5m]	1m
					系统3	-1m	-0.5m	[-1m，-0.5m]	1m

表1中，系统1，Δd∈[0.5m，1m]，满足条件d_min＝0.5m≥0，因此P_S3＝|d_max|＝1m；

系统2，Δd∈[-0.5m，0.5m]，满足条件d_max×d_min＜0，因此P_S3＝|d_min|+|d_max|＝1m；

系统3，Δd∈[-1m，-0.5m]，满足条件d_max≤0，因此P_S3＝|d_min|＝1m。

静态定位精度判决条件4为P_S＝MAX[P_S1，P_S2，P_S3]，MAX[...]为取最大值函数；假如P_S1＝1m，P_S2＝2m，P_S3＝3m，则系统误差决定了系统不能实现由计时器时间分辨率决定的1m定位精度和运算处理器决定的2m定位精度，能够实现定位误差决定的3m定位精度，静态定位精度为3m。

巡检周期限定条件5为定位巡检周期，记为T_p，单位为s-秒。

最大位移速度限定条件6为被测人员的最大位移速度，表示为V_Max，单位为m/s-米/秒。

动态精度定位判决条件7为P_M＝V_max×T_p。

动态精度定位判决条件7的物理意义为，被测人员以最大位移速度在一次巡检周期内的产生的位移，如图6所示，巡检周期与最大位移速度判决定位精度示意图，人员在此情况下运动时，小于此位移的距离值系统将无法辨别。

定位精度判决条件8为P＝MAX[P_S，P_M]，MAX[...]为取最大值函数；假如P_S＝3m，P_M＝5m，则系统动态精度决定了系统不能实现由静态精度决定的3m定位精度，能够实现动态精度决定的5m定位精度。

定位精度9记为对基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度的最终评价结果。

表2举例说明基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法。

表2

参数

τ

f

Δd

Tp

VMax

P

系统4

1.5×10-8s

1.5×108Hz

[-0.5m，1m]

2s

10m/s

20m

系统5

1.5×10-8s

1.5×108Hz

[-0.5m，1m]

0.2s

5m/s

4.5m

系统4：

τ＝1.5×10^-8s，P_S1＝c×τ＝1.5×10^-8s×3×10⁸m/s＝4.5m，P_S1＝4.5m；

f＝1.5×10⁸Hz，P_S2＝c/f＝(3×10⁸m/s)/(1.5×10⁸Hz)＝2m，P_S2＝2m；

Δd∈[-0.5m，1m]，P_S3＝(|-0.5|+|1|)m＝1.5m，P_S3＝1.5m；

P_S＝MAX[P_S1，P_S2，P_S3]＝MAX[4.5m，2m，1.5m]＝4.5m，P_S＝4.5m；

T_p＝2s；

V_Max＝10m/s；

P_M＝V_max×T_p＝10m/s×2s＝20m，P_M＝20m；

P＝MAX[P_S，P_M]＝MAX[4.5m，20m]＝20m；

因此按照本发明方法对系统4进行定位精度评价，结果为系统4定位精度为P＝20m。

系统5：

τ＝1.5×10^-8s，P_S1＝c×τ＝1.5×10^-8s×3×10⁸m/s＝4.5m，P_S1＝4.5m；

f＝1.5×10⁸Hz，P_S2＝c/f＝(3×10⁸m/s)/(1.5×10⁸Hz)＝2m，P_S2＝2m；

Δd∈[-0.5m，1m]，P_S3＝(|-0.5|+|1|)m＝1.5m，P_S3＝1.5m；

P_S＝MAX[P_S1，P_S2，P_S3]＝MAX[4.5m，2m，1.5m]＝4.5m，P_S＝4.5m；

T_p＝0.2s；

V_Max＝5m/s；

P_M＝V_max×T_p＝5m/s×0.2s＝1m，P_M＝1m；

P＝MAX[P_S，P_M]＝MAX[4.5m，1m]＝4.5m；

因此按照本发明方法对系统4进行定位精度评价，结果为系统4定位精度为P＝4.5m。

下面举例说明基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法的另一作用，对基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统设计的指导。

表3

系统6：

需要设计定位精度为15m、基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统；

τ≤P/c＝15m/(3×10⁸m/s)＝5×10^-8s，因此，计时器时间分辨率应满足τ≤5×10^-8s；

f≥c/P＝(3×10⁸m/s)/15m＝2×10⁷Hz，因此，处理器频率应满足f≥2×10⁷Hz；

Δd≤P＝15m，因此，误差应满足不超过15m，需要以此进行算法选择和改进；

T_p、V_Max应满足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》规定的T_p≤30s、V_Max≥5m/s以及V_Max×T_p≤P＝15m，如T_p＝3s、V_Max＝5m/s或T_p＝1s、V_Max＝5m/s等。

系统7：

需要设计定位精度为3m、基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统；

τ≤P/c＝3m/(3×10⁸m/s)＝1×10^-8s，因此，计时器时间分辨率应满足τ≤1×10^-8s；

f≥c/P＝(3×10⁸m/s)/3m＝1×10⁸Hz，因此，处理器频率应满足f≥1×10⁸Hz；

Δd≤P＝3m，因此，误差应满足不超过3m，需要以此进行算法选择和改进；

T_p、V_Max应满足标准AQ6210-2007规定的T_p≤30s、V_Max≥5m/s以及V_Max×T_p≤P＝3m，如T_p＝0.5s、V_Max＝5m/s或T_p＝0.1s、V_Max＝5m/s等。

本发明提供了一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法。本发明依据实现TOA技术在煤矿井下人员定位的关键设备的技术和物理性能，提出基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其中包括系统精度、系统静态精度和系统动态精度的评价方法。本发明基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度的评价方法，将系统定位精度分别与实现TOA技术在煤矿井下人员定位的技术方案和关键设备的物理性能进行关联，既实现系统精度的评价，也能为系统关键技术的设计提供相关的指导；本发明将系统精度评价分别依据系统静态定位精度的评价和系统动态精度的评价，针对系统定位技术、设备物理性能对系统定位精度进行全面评价。

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 (4)

1.一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，用于评价基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的定位精度，所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的定位精度记为P，进一步包括静态定位精度和动态定位精度，静态定位精度记为P_S，动态定位精度记为P_M，评价方法为P＝MAX[P_S，P_M]，其中MAX[...]为取最大值函数，定位精度P、静态定位精度P_S，动态定位精度P_M的单位为m-米。

2.根据权利要求1所述的一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，进一步包括静态定位精度评价方法和动态定位精度评价方法，分别用于评价基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统的静态定位精度P_S和动态定位精度P_M。

3.根据权利要求2所述的一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，所述静态精度评价方法，进一步包括以下内容：

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，进行TOA-信号到达时间测量的计时设备，计时器时间分辨率记为τ，单位为s-秒，所述计时器时间分辨率评价的所述静态定位精度记为P_S1，单位为m-米，评价条件为P_S1＝τ×c，c为光速，c＝3×10⁸m/s；

所述基于TOA技术的煤矿井下煤矿井下人员定位系统进行TOA-信号到达时间测量的运算设备，处理器频率记为f，单位为Hz-赫兹，所述处理器频率评价的所述静态定位精度记为P_S2，单位为m-米，评价条件为P_S2＝c/f；

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，存在定位误差，记为Δd，单位为m-米，Δd的取值区间为[Δd_min，Δd_max]，Δd_min，Δd_max分别为误差的最小值和最大值，Δd_min≤Δd_max，单位为m-米，所述定位误差评价的所述静态定位精度记为P_S3，单位为m-米，评价条件为

$P_{S3}=\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\right|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }\&GreaterEqual;0\\ {|\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }|+|{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\&times;{\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }<0\\ {|\mathrm{\&Delta;d}}_{\min }|,{\mathrm{\&Delta;d}}_{\max }\&le;0\end{array}\right.;$

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统静态定位精度P_S的评价方法为，MAX[...]为取最大值函数，所述静态定位精度P_S＝MAX[P_S1，P_S2，P_S3]。

4.根据权利要求2所述的一种基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统定位精度评价方法，其特征在于，所述动态定位精度评价方法，进一步包括以下内容：

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，定位巡检周期记为T_p，单位为s-秒；

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统，被测人员的位移速最大位移速度表示为V_Max，单位为m/s-米/秒；

所述基于TOA技术的煤矿井下人员定位系统动态定位精度P_M的评价方法为，所述动态定位精度P_M＝V_max×T_p。

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