CN104333905B - 一种抑制巷道nlos时延误差的toa井下人员定位系统及方法 - Google Patents

一种抑制巷道nlos时延误差的toa井下人员定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至定位服务器，定位服务器对测距值进行抑制NLOS时延误差的数据处理，估计出人员及定位卡的位置并存储，并传输至监控调度模块。定位服务器进行抑制NLOS时延误差的数据处理，首先对TOA测距值中的偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进行滤波处理，在此基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时延误差对TOA定位造成的影响。本发明解决了现有矿井人员定位系统和方法受巷道NLOS时延误差影响而定位精确不足的问题，且只需对定位过程中的TOA测距数据进行处理，不需要进行大量前期测量工作。

Description

一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法
技术领域
本发明涉及一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，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定位卡进行监测，监测到该区域内有某一ID的定位卡时，读取该定位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的定位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的定位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：
Lb＝Lbf+A(dB)＝32.45+201gf(MHz)+201gr(km)-Gi(dB)-GR(dB)+A(dB) (1)
式中：f为信号频率，r为传输距离，Gi、GR分别为发射天线增益和接收天线增益，Lb为空间有损信号传输信号，Lbf为自由空间传输损耗，A为巷道的损耗中值Lb。
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 ofArrival)方 法，主要测量信号在发射机和接收机之间的传播时间。但在煤矿井下的环境复杂，深部井工开采方式决定了GPS信号无法到达井下因此GPS方式不可应用于矿井，部分工作面里如掘进、采煤工作面中存在机车、架空线、标志牌、输送带等多种设施及设备，均有可能造成巷道电磁波传播的NLOS时延，造成TOA定位的误差，需要加以抑制方能够保证TOA定位精度。另一方面，矿井人员定位具有其特殊的特点：
1)矿井巷道人员精确定位技术，由于宽度、高度与走向长度相比很小，因此以将巷道视为一维分布较为符合巷道的实际条件；
2)巷道空间有限，定位设备体积应尽量小，定位节点的设置需要尽可能减少数量和密度；
3)由于定位节点数有限，矿井人员定位需要在不超过双站的定位锚节点情况下完成对巷道NLOS时延误差的抑制；
4)定位方法及算法的研究需要紧贴矿井实际环境的特点，提出适用于矿井的定位方法和算法。
本发明提出一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至服务器，服务器对测距值进行抑制NLOS时延误差的数据处理，估计出目标节点的位置并存储，并传输至监控调度模块。抑制NLOS时延误差的数据处理对于TOA测距值中的偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进行滤波处理，在此基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时延误差对TOA定位造成的影响，且提出的方法相比地面常用的非视距误差鉴别抑制方法，解决了多节点定位方式无法应用于井下特定环境的技术问题，且只需对定位过程中的TOA测距数据进行处理，不需要依据大量前期测量进行参数设定和数据库参照进行NLOS时延误差的抑制。
发明内容
本发明提出一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至服务器，服务器对测距值进行抑制NLOS时延误差的数据处理，估计出目标节点的位置并存储，并传输至监控调度模块。抑制NLOS时延误差的数据处理对于偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进行滤波处理，在此基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时延误差对TOA定位造成的影响。以下对本发明加以论述。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：
人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基站之间基于TOA技术的测距；
定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块；
数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输；
监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令；
所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述人员定位模块中，所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m；所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔一个定位检测周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测周期记为T，单位为秒-s；
t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为x；相邻的两个定位基站的ID分别记为n、n+1，n＝1，2，3...；TOA测距值分别记为d′xn(t)、d′xn+1(t)，单位为米-m，经数据传输模块上传至定位服务器；依此类推，t时刻之前的TOA测距值分别记为d′xn(t-T)、d′xn(t-2T)、d′xn(t-3T)...以及d′xn+1(t-T)、d′xn+1(t-2T)、d′xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后的TOA测距值记为d′xn(t+T)、d′xn(t+2T)、d′xn(t+3T)...以及d′xn+1(t+T)、d′xn+1(t+2T)、d′xn+1(t+3T)...，单位为米-m。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，进一步包括以下步骤：
步骤1.在接收到t+lT时刻的TOA测量值d′xn(t+lT)、d′xn+1(t+lT)后，l＝1，2，3...，对t时刻TOA测量值d′xn(t)、d′xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，处理后的结果记为d1xn(t)、d1xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t-T)、d1xn(t-2T)、d1xn(t-3T)...以及d1xn+1(t-T)、d1xn+1(t-2T)、d1xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t+T)、d1xn(t+2T)、d1xn(t+3T)...以及d1xn+1(t+T)、d1xn+1(t+2T)、d1xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤2.延时lT以后，对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理，处理后的结果为d2xn(t)、d2xn+1(t)，单位为米-m；
步骤3.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的定位结果，定位结果中定位卡x与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)单位均为米-m；依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果中与定位基站n的距离以及与定位基站n+1的距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、dxn(t-3T)...以及dxn+1(t-T)、dxn+1(t-2T)、dxn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、dxn(t+3T)...以及dxn+1(t+T)、dxn+1(t+2T)、dxn+1(t+3T)...，单位为米-m。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤1中对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公式：
式中，d1xn(t)、d1xn+1(t)为处理结果，dts为距离变化阈值，单位为米-m，dts＝2.1×T+3。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤2中延时lT以后，对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理，依据以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤3中，利用巷道几何定位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公式：
t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为dxn+1(t)的位置。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，应用于一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，包括以下模块：
人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基站之间基于TOA技术的测距；
定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块；
数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输；
监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令；
所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全 型；
所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m；所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔一个定位检测周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测周期记为T，单位为秒-s；
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，具体包括以下步骤：
步骤1.t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为x；相邻的两个定位基站的ID分别记为n、n+1，n＝1，2，3...；TOA测距值分别记为d′xn(t)、d′xn+1(t)，单位为米-m，经数据传输模块上传至定位服务器；依此类推，t时刻之前的TOA测距值分别记为d′xn(t-T)、d′xn(t-2T)、d′xn(t-3T)...以及d′xn+1(t-T)、d′xn+1(t-2T)、d′xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后的TOA测距值记为d′xn(t+T)、d′xn(t+2T)、d′xn(t+3T)...以及d′xn+1(t+T)、d′xn+1(t+2T)、d′xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤2.定位服务器在接收到t+lT时刻的TOA测量值d′xn(t+lT)、d′xn+1(t+lT)后，l＝1，2，3...，对TOA测量值d′xn(t)、d′xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，存储处理后的结果，处理后的结果记为d1xn(t)、d1xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t-T)、d1xn(t-2T)、d1xn(t-3T)...以及d1xn+1(t-T)、d1xn+1(t-2T)、d1xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t+T)、d1xn(t+2T)、d1xn(t+3T)...以及d1xn+1(t+T)、d1xn+1(t+2T)、d1xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤3.延时lT以后，定位服务器对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理并存储处理后的结果，处理后的结果为d2xn(t)、d2xn+1(t)，单位为米-m；
步骤4.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的定位结果并存储，定位结果中定位卡x与定位基站n的距离为dxn(t)、与定位基站n+1的距离为dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)单位均为米-m；依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、dxn(t-3T)...以及dxn+1(t-T)、dxn+1(t-2T)、dxn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、 dxn(t+3T)...以及dxn+1(t+T)、dxn+1(t+2T)、dxn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤5.定位服务器将定位结果传输至监控调度模块。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤2中，对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公式：
式中，d1xn(t)、d1xn+1(t)为处理结果，dts为距离变化阈值，单位为米-m，dts＝2.1×T+3。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤3中，延时lT以后，对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理，依据以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤4中，利用巷道几何定位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公式：
t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为dxn+1(t)的位置。
本发明的优点在于：
(1)本发明提出了一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，能够有效抑制巷道NLOS时延误差对TOA井下人员定位精度造成的显著影响，实现高精度井下人员定位；
(2)本发明提出了一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，解决了地面常用的非视距误差鉴别抑制方法多节点定位方式无法应用于井下特定环境的技术问题；
(3)本发明提出了一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，利用定位服务器对定位数据进行处理和存储，能够有效保证数据处理的效率和稳定性，也保证了井下人员定位模块进行TOA测距功能的稳定性；
(4)本发明提出的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，能够有效对机车等随机出现且幅度较大的巷道NLOS时延造成的偏差测量值进行判别、舍弃和替换，为了进一步消除固定的标识牌、架空线等造成NLOS时延误差影响，进行滤波处理，将不完全具有规律性的小幅度NLOS时延误差线性化，之后按照巷道几何定位方法进行误差抑制和位置估计，实现对巷道NLOS时延误差的有效抑制；
(5)本发明提出的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，相比其他方法例如卡尔曼滤波、指纹定位方法等，只需对定位过程中的测量数据进行处理，解决了必须依据大量前期测量确定方法参数或者建立数据库才可能抑制NLOS时延误差的问题。
附图说明
图1为抑制NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统示意图；
图2为抑制NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法流程图；
图3为巷道NLOS时延误差对TOA测距值影响示意图
图4为巷道NLOS时延误差对TOA定位结果影响示意图；
图5为偏差测量值进行判断、舍弃和替换处理实验效果图；
图6为本发明方法定位结果与原始数据定位结果对比图
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，本发明一种抑制NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，包括监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令；定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块；数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输；人员定位模块，用于采用TOA技术测量井下人员携带的定位卡与定位基站之间的距离；所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型。
所述人员定位模块，进一步包括定位基站、定位卡；
所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m；所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；进一步包括电源、2个定向天线、TOA测距模块、处理器、告警器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向实现信号覆盖，覆盖距离为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Dpro，与巷道走向相反的天线覆盖方向记为Dcon，定位过程中定位基站接收到定位卡信号的定向天线覆盖方向即为人员所在位置方向；TOA测距模块，进行TOA测距，可采用以德国NanotronNA5TR1模块为测距模块、采用SDS-TWR方法的定位模块；处理器用于收发指令和控制TOA测距模块进行测距等；所述告警器，用于接收调度指令进行广播和告警等；
所述定位卡，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m；所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；进一步包括电源、天线、TOA测距模块、处理器；所述天线，实现信号收发；TOA测距模块，进行TOA测距，可采用以 德国Nanotron NA5TR1模块为测距模块、采用SDS-TWR方法的定位模块；处理器用于收发指令和控制TOA测距模块进行测距等；
每间隔一个定位检测周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测周期记为T，单位为秒-s；
所述的定位服务器，包括硬件设备和TOA定位数据处理软件，根据发明内容中所述的服务器进行抑制NLOS时延误差的数据处理的步骤进行数据处理，并进行数据存储和发送。
如图2所示，一种抑制NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法流程图，具体包括以下步骤：
步骤1.t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为x；相邻的两个定位基站的ID分别记为n、n+1，n＝1，2，3...；TOA测距值分别记为d′xn(t)、d′xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前的TOA测距值分别记为d′xn(t-T)、d′xn(t-2T)、d′xn(t-3T)...以及d′xn+1(t-T)、d′xn+1(t-2T)、d′xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后的TOA测距值记为d′xn(t+T)、d′xn(t+2T)、d′xn(t+3T)...以及d′xn+1(t+T)、d′xn+1(t+2T)、d′xn+1(t+3T)...，单位为米-m，并经数据传输模块上传至定位服务器；
步骤2.定位服务器在接收到t+lT时刻的TOA测量值d′xn(t+lT)、d′xn+1(t+lT)后，l＝1，2，3...，对TOA测量值d′xn(t)、d′xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，存储处理后的结果，处理后的结果记为d1xn(t)、d1xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t-T)、d1xn(t-2T)、d1xn(t-3T)...以及d1xn+1(t-T)、d1xn+1(t-2T)、d1xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t+T)、d1xn(t+2T)、d1xn(t+3T)...以及d1xn+1(t+T)、d1xn+1(t+2T)、d1xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤3.延时lT以后，定位服务器对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理并存储处理后的结果，处理后的结果为d2xn(t)、d2xn+1(t)，单位为米-m；
步骤4.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的定位结果并存储，定位结果为定位卡x与定位基站n距离为dxn(t)、与定位基站n+1距离为dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)单位均为米-m；依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、dxn(t-3T)...以及dxn+1(t-T)、dxn+1(t-2T)、dxn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后目标节点定位 结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、dxn(t+3T)...以及dxn+1(t+T)、dxn+1(t+2T)、dxn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤5.定位服务器将定位结果传输至监控调度模块。
无线信号传播过程中由于存在障碍物，会导致无线信号传播过程中无法LOS(lineof sight)传播即无法按照直射径传播，而通过反射等方式进行传播。煤矿井下的部分巷道如分支巷道、采煤、掘进等工作面均存在造成无线信号NLOS时延的因素。
矿井巷道中，根据对电磁波传播影响因素包括固定因素和随机因素两类，将无线信号传播受NLOS环境影响造成的时延分为巷道固定NLOS时延和巷道突发NLOS时延两类。
巷道固定NLOS时延：
同一条巷道中，固定设施如支护、锚杆、巷道顶底板及架空线、标志牌的设置情况基本一致，规律性设置的设备如皮带输送机、通风设备、轨道等会以相同的截面或单位体积沿巷道走向设置，因此此类固定不动的因素形成了相对稳定的巷道信号传播环境，构成了巷道固定NLOS时延。巷道固定NLOS时延具有规律性，与定位基站和定位卡之间真实距离有关。
巷道突发NLOS时延：
巷道内，除固定因素外，还存在移动对象和非规律性设置的设备，例如行驶中或临时停靠的机车、人群、皮带输送机上方的行人梯、临时设置的单个检测设备等。此类因素造成信号传播环境出现变化，则NLOS时延也会变化，构成了巷道突发NLOS时延。根据相关的研究，机车对巷道无线信号传输特性影响较大，人群则影响相对较小，因此，造成突发NLOS时延的重要因素应当是行驶或临时停靠的机车及其他金属设备等。此类NLOS时延具有随机性、显著性、难以定量分析的特点，将此类电磁波传播的NLOS时延称为巷道突发NLOS时延。巷道突发NLOS时延产生的无规律性，无法预测，因此需要提出相应的算法进行抑制。
巷道固定NLOS时延和突发NLOS造成的TOA测距误差均具有正向性的特点，但由于产生因素的不同，两种NLOS时延造成的测距误差各有特点。
巷道固定NLOS时延产生TOA测距误差的特点：只存在固定NLOS时延因素的情况下，即巷道的设施和设备处于位置和数量都固定的状态下，在NLOS传播过程中，每经历一次反射，传播距离会LOS路径产生一个增量，该误差与反射次数有关，巷道内存在的固定设施和设备以同一段巷道内会以相同的截面或单位体积沿巷道走向设置，因此随着距离的增加，巷道NLOS传播距离增量也会因发射次数的增大而随之增大，因此，巷道固定NLOS时延误差会随着定位基站和识别之间距离的增加而增大，由于固定NLOS时延因素的设置具有规律性，因此巷道固定NLOS时延误差变化也相应地具有规律性。
另一方面，巷道内由于随机因素的出现，以机车为例，对定位信号的电磁波传输造成了严重遮挡，机车对于电磁波传播造成的插入损耗属于灾难性，可以认为，未出现随机因素前、定位信号电磁波传播的极值路径上的电磁波能量会因机车的出现而出现严重损耗，锚节点所检测到的定位信号，是该遮挡范围路径以外的经新的极值路径到达的电磁波，且由于机车的体积较大，按照电磁波的传播机理来分析，必须绕过机车的电磁波才可能通过新的NLOS路径才可到达，也就意味着该路径在巷道壁上发生首次反射即要以相对较大的入射角形成反射过程，因此整个传输路径将较原先的NLOS传输路径有着较大的距离增量，因此会在测距的数值上反映出一个以脉冲形式存在的较大误差。因此，巷道突发NLOS时延误差不具有规律性，且较固定NLOS时延误差在数值显著增大的特点。
因此，巷道中各种因素引起的NLOS时延造成的TOA测距误差应包括巷道突发NLOS时延造成的脉冲形式突发误差和巷道固定NLOS时延造成的正向偏移误差这两类，因此巷道内进行TOA测距的测距值出现NLOS时延误差的仿真情况如图3所示，需要根据上述特点进行巷道NLOS时延的抑制。造成的定位结果的影响如图4所示。
由于巷道突发NLOS时延产生的无规律性，无法预测，则可能出现定位的两端同时具有巷道突发NLOS时延误差和巷道固定NLOS时延误差，或者一端出现巷道突发NLOS时延误差，另一端仅有巷道固定NLOS时延误差的情况，如图4中A所示；也可能出现两端同时仅有巷道固定NLOS时延误差的情况，如图4中B所示。这就造成了几何定位方法会出现定位结果不在实际范围内的情况，图中人员示意图形仅为示意，不代表实际位置。
若出现前两种情况，特别是图4中A所示的仅一端出现突发NLOS时延误差，将给定位结果造成巨大误差。若出现图4中B所示的情况，那么当且仅当巷道固定NLOS时延误差呈线性分布的情况下，才有可能不影响定位结果。
因此，所述步骤2中，对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公式：
式中，d1xn(t)、d1xn+1(t)为处理结果，dts为距离变化阈值，单位为米-m，dts＝2.1×T+3。
由于突发巷道NLOS时延造成的随机脉冲形式噪声的测量值与相邻的点的测量值相比具有一个突变，根据井下目标正常的运动规律，目标在相邻的两个检测时刻之间位置变化不可能出现较大的突变，这是由于其运动特点所决定的。距离变化阈值dts的依据：成年人一般行进的速度为0.6～2.1m/s；采用以德国Nanotron NA5TR1模块为测距模块、采用SDS-TWR方法的定位模块，采用5dBi的天线进行定位信号覆盖，在无遮挡的类似巷道环境的走廊实测误差分布在2.5m以内。综合上述两因素，距离变化阈值dts取dts＝2.1×T+3，2.1m/s是参考文献关于成年人行进速度范围的最大值，3/Δt是根据无NLOS时延的情况下的参考误差范围，加入了0.5m的估计误差裕量所得。若本次测量值相比上次位置估计值的变化量超出了距离变化阈值的范围，则不符合矿井运动的特点，判断该测量值为偏差测量值，否则不是偏差测量值，不需要进行舍弃和替换的处理。
对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，是对超出距离变化阈值的测 量值进行舍弃和替换的处理。定位服务器在接收到t+lT时刻的TOA测量值d′xn(t+lT)、d′xn+1(t+lT)后，l＝1，2，3...，对TOA测量值d′xn(t)、d′xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，l的数值决定了偏差测量值替换中邻域测量值的个数，若t时刻的TOA测量值d′xn(t)为偏差测量值，将其舍去，用t时刻之前的l个已经估计出的定位结果dxn(t-T)、...、dxn(t-lT)和t时刻之后的TOA测距值d′xn(t+T)、...、d′xn(t+lT)求均值进行替代，这是根据巷道固定NLOS时延误差呈脉冲噪声形式存在的特性提出的有效抑制方法，本实施例中选取l＝2，采用实施例1中的定位系统在一段类巷道内的TOA测距值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换，处理结果如图5所示，反映的结果为定位卡距离其中一个定位基站的距离。图5可以看出，对于巷道突发NLOS时延误差造成的TOA测距误差能有效抑制。需要说明的是，本发明提出的对TOA测距值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理的能解决对巷道突发NLOS时延误差进行有效抑制的技术问题，本发明提出的对TOA测距值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理的效果，是对所述条件下，先对进行判断和舍弃，然后用邻域均值进行替代，有效抑制误差，除选择偏差值替换计算需要的数据个数需要选择一个l值外，不需要确定其他与环境因素有关、与矿工运动特点有关并且会影响误差抑制效果的其他参数。
对TOA测距值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后，所述步骤3中，延时lT以后，对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理，用t时刻之前的l个偏差测量值判断、舍弃、替换处理结果、t时刻的偏差测量值判断、舍弃、替换处理结果以及t时刻之后的l个偏差测量值判断、舍弃、替换处理结果求均值进行滤波处理，依据以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
滤波处理后，将由于巷道固定NLOS时延误差造成的测距误差平均分配，即使该部分误差接近于线性分布，将真实距离表示为 则不考虑随机测量误差的情况下， k为滤波处理后巷道固定NLOS时延误差接近于线性分布的斜率，由于同一段巷道内的固定NLOS时延因素设置基本一致，所以定位卡与两个定位基站之间的巷道固定NLOS时延分布情况可视为一致，因此可用同一个斜率k表示两端处理结果，不需要确定k的具体值，结果按照所述步骤4中，利用巷道几何定位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公式：
上述两式的计算过程为：
t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为dxn+1(t)的位置，针对巷道固定NLOS时延误差而言，(8)式和(9)式的计算过程本方法的基于步骤2和步骤3的处理结果，步骤4计算过程对巷道固定NLOS的有效抑制甚至是消除。本实施例中选取l＝2，采用实施例1中的定位系统在一段类巷道内的TOA测距值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换后，对数据进行滤波处理并进行巷道几何定位方法的位置估计，结果和误差的对比情况如图6所示，反映的结果为距离其中一个定位基站的距离。图6可以看出，本发明提出的定位方法在定位系统基础上，能够有效抑制巷道NLOS时延造成的TOA定位误差，最终的误差值分布仅存在于随机测量误差影响的范围内。最终估计出的定位结果能够在对TOA测距值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理有效抑制巷道突发NLOS时延误差对TOA测距值造成的误差基础上，进一步抑制巷道固定NLOS时延误差对TOA测距值造成的误差，实现适用于煤矿井下巷道环境的高精度人员定位，且本文方法不需要进行前期的测量工作，除选择l值外，不需要其他任何环境参数的选择，定位精度高且受不易受环境因素和矿工运动特点的影响。
本发明提出一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统及方法，利用人员定位模块进行TOA测距，测距值经传输模块传输至服务器，服务器对测距值进行抑制NLOS时延误差的数据处理，估计出目标节点的位置并存储，并传输至监控调度模块，利用定位服务器对定位数据进行处理和存储，能够有效保证数据处理的效率和稳定性，也保证了井下人员定位模块进行TOA测距功能的稳定性。抑制NLOS时延误差的数据处理对于TOA测距值中的偏差测距值进行判别、舍弃和替换，之后进行滤波处理，在此基础上采用巷道几何定位方法进行位置估计，能够有效消除巷道NLOS时延误差对TOA定位造成的影响，且提出的方法相比地面常用的非视距误差鉴别抑制方法，解决了多节点定位方式无法应用于井下特定环境的技术问题，且只需对实时数据进行处理，不需要依据大量前期测量进行参数设定和数据库参照进行NLOS时延误差的抑制。
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 (8)

1.一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：
人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基站之间基于TOA技术的测距；
定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块；
数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输；
监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令；
所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型；
所述人员定位模块中，所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m；所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔一个定位检测周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测周期记为T，单位为秒-s；
所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，进一步包括以下步骤：
步骤1.t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为x；相邻的两个定位基站的ID分别记为n、n+1，n＝1，2，3...；TOA测距值分别记为d′xn(t)、d′xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前的TOA测距值分别记为d′xn(t-T)、d′xn(t-2T)、d′xn(t-3T)...以及d′xn+1(t-T)、d′xn+1(t-2T)、d′xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后的TOA测距值记为d′xn(t+T)、d′xn(t+2T)、d′xn(t+3T)...以及d′xn+1(t+T)、d′xn+1(t+2T)、d′xn+1(t+3T)...，单位为米-m，并经数据传输模块上传至定位服务器；
步骤2.定位服务器在接收到t+lT时刻的TOA测量值d′xn(t+lT)、d′xn+1(t+lT)后，l＝1，2，3...，对TOA测量值d′xn(t)、d′xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，存储处理后的结果，处理后的结果记为d1xn(t)、d1xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t-T)、d1xn(t-2T)、d1xn(t-3T)...以及d1xn+1(t-T)、d1xn+1(t-2T)、d1xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t+T)、d1xn(t+2T)、d1xn(t+3T)...以及d1xn+1(t+T)、d1xn+1(t+2T)、d1xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤3.延时lT以后，定位服务器对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理并存储处理后的结果，处理后的结果为d2xn(t)、d2xn+1(t)，单位为米-m；
步骤4.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的定位结果并存储，定位结果为定位卡x与定位基站n距离为dxn(t)、与定位基站n+1距离为dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)单位均为米-m；依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、dxn(t-3T)...以及dxn+1(t-T)、dxn+1(t-2T)、dxn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、dxn(t+3T)...以及dxn+1(t+T)、dxn+1(t+2T)、dxn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤5.定位服务器将定位结果传输至监控调度模块。
2.根据权利要求1所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤2中对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公式：
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式中，d1xn(t)、d1xn+1(t)为处理结果，dts为距离变化阈值，单位为米-m，dts＝2.1×T+3。
3.根据权利要求1所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤3中延时lT以后，对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理，依据以下公式：
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式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
4.根据权利要求1所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，其特征在于，所述定位服务器，进行抑制NLOS时延误差的数据处理，步骤4中，利用巷道几何定位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公式：
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t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为dxn+1(t)的位置。
5.一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，应用于一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位系统，包括以下模块：
人员定位模块，包括定位基站、定位卡，用于进行井下人员携带的定位卡和定位基站之间基于TOA技术的测距；
定位服务器，用于接收定位数据，进行抑制NLOS时延误差的数据处理、对测量值以及数据处理中的数据进行存储，对定位结果进行存储并传输至监控调度模块；
数据传输模块，用于定位数据和调度指令的传输；
监控调度模块，用于人员位置监控、发送调度指令；
所述人员定位模块、数据传输模块为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型；
所述定位基站，作为人员定位检测的锚节点，设置间距固定，记为d，单位为米-m；所述定位卡，由井下人员携带，作为人员定位检测的目标节点；每间隔一个定位检测周期进行一次定位，一次定位中定位卡与相邻的两个锚节点之间进行TOA测距；定位检测周期记为T，单位为秒-s；
所述抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，具体包括以下步骤：
步骤1.t时刻定位卡与相邻的两个定位基站进行TOA测距，定位卡的ID记为x；相邻的两个定位基站的ID分别记为n、n+1，n＝1，2，3...；TOA测距值分别记为d′xn(t)、d′xn+1(t)，单位为米-m，经数据传输模块上传至定位服务器；依此类推，t时刻之前的TOA测距值分别记为d′xn(t-T)、d′xn(t-2T)、d′xn(t-3T)...以及d′xn+1(t-T)、d′xn+1(t-2T)、d′xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后的TOA测距值记为d′xn(t+T)、d′xn(t+2T)、d′xn(t+3T)...以及d′xn+1(t+T)、d′xn+1(t+2T)、d′xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤2.定位服务器在接收到t+lT时刻的TOA测量值d′xn(t+lT)、d′xn+1(t+lT)后，l＝1，2，3...，对TOA测量值d′xn(t)、d′xn+1(t)进行偏差测量值的判断、舍弃和替换，存储处理后的结果，处理后的结果记为d1xn(t)、d1xn+1(t)，单位为米-m；依此类推，t时刻之前对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t-T)、d1xn(t-2T)、d1xn(t-3T)...以及d1xn+1(t-T)、d1xn+1(t-2T)、d1xn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理后的结果分别记为d1xn(t+T)、d1xn(t+2T)、d1xn(t+3T)...以及d1xn+1(t+T)、d1xn+1(t+2T)、d1xn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤3.延时lT以后，定位服务器对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理并存储处理后的结果，处理后的结果为d2xn(t)、d2xn+1(t)，单位为米-m；
步骤4.利用巷道几何定位方法估计目标节点的位置，得到t时刻定位目标节点的定位结果并存储，定位结果中定位卡x与定位基站n的距离为dxn(t)、与定位基站n+1的距离为dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)单位均为米-m；依此类推，t时刻之前的目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、dxn(t-3T)...以及dxn+1(t-T)、dxn+1(t-2T)、dxn+1(t-3T)...，单位为米-m；t时刻之后目标节点定位结果与定位基站n距离以及与定位基站n+1距离分别记为dxn(t+T)、dxn(t+2T)、dxn(t+3T)...以及dxn+1(t+T)、dxn+1(t+2T)、dxn+1(t+3T)...，单位为米-m；
步骤5.定位服务器将定位结果传输至监控调度模块。
6.根据权利要求5所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤2中，对TOA测量值进行偏差测量值的判断、舍弃、替换处理，依据以下公式：
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式中，d1xn(t)、d1xn+1(t)为处理结果，dts为距离变化阈值，单位为米-m，dts＝2.1×T+3。
7.根据权利要求5所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤3中，延时lT以后，对d1xn(t)、d1xn+1(t)进行滤波处理，依据以下公式：
<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>l</mi> </mrow> <mi>l</mi> </munderover> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>i</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)为处理结果。
8.根据权利要求5所述的一种抑制巷道NLOS时延误差的TOA井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤4中，利用巷道几何定位方法进行目标节点的位置估计，依据以下公式：
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t时刻定位目标节点所在位置为与定位基站n距离为dxn(t)，与定位基站n+1距离为dxn+1(t)的位置。
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