CN105376848A - 一种实现井下矿人员及设备连续高精度定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井下矿无线定位领域，利用IEEE1588协议，完成无线定位基站(2)与定位标识卡(3)的时钟同步，以TDOA定位算法计算定位标识卡(3)与两个无线定位基站(2)的距离，在上位机程序中以无线定位基站(2)为圆心，以标识卡(3)到两个无线定位基站的距离为半径作圆,交点坐标通过解二元一次方程组可得，结合矿山CAD，获得唯一解，以程序化倍频方式，减少无线基站及标识卡的晶振偏差实现高精度连续定位方法；定位过程中的通信采用数据防冲突算法，使得单一无线定位基站(2)在1秒内可实现与200张定位标识卡(3)的测距与通信工作。本方法利于井下人员及设备工作的实时监控调度，促进生产能力提高；高精度定位结果快照可以在事故发生时最小限度的减少生命财产损失。

Description

一种实现井下矿人员及设备连续高精度定位的方法

技术领域

本发明属于无线电通信、定位和安全生产领域，主要针对井下矿山人员及设备的安全作业而提出得一种连续高精度定位方法，实现井下人员及设备连续高精度定位，从而提高井下安全作业水平。

背景技术

井下矿山人员及设备的安全，一直是矿山安全生产中最为关心的问题。在历年的安全事故发生后，井下人员及设备的救援是事故发生后的头等大事，而井下人员及设备的定位又是救援工作中的重中之重。

目前，井下定位硬件载体主要有ZigBee、WIFI、RFID、蓝牙、UWB、超声波等技术。定位方法多采用RSSI测距、TOA测距和TDOA测距等，RSSI测距主要受环境因素影响较大，且定位精度较低，被视为一种粗糙定位技术；TOA测距主要存在对节点间精确的时间同步，且成本较高；TDOA测距易受环境因素影响，计算量和开销都很大，与TOA相比，即使不需要精确的节点对时，但是仍需要精度较高的定时器。上述所提到的测距方式在定位精度、成本及稳定性方面都存在着缺陷。

发明内容

针对目前井下矿山人员及设备定位方式精度低而高精度定位成本又高的现状，本发明提出一种低成本连续高精度定位的方法。首先井下无线定位基站(2)遵守IEEE1588协议，具有统一的时间基准，实现无线定位基站(2)与定位标识卡(3)间的时钟同步；其次采用程序化倍频方式，减小由于时钟晶振而引起的时间偏频差，采用TDOA定位算法计算出定位标识卡(3)与两个无线定位基站(2)的距离，在上位机（8）的解算程序中以无线定位基站(2)为圆心，分别以标识卡到两个无线定位基站的距离为半径作圆,两圆交于两点，交点坐标通过解二元一次方程组可得，同时结合矿山CAD，获得唯一解，从而实现井下人员及设备的精确定位。在定位过程中标识卡(3)与无线定位基站(2)间的通信采用数据防冲突算法，使得单一无线定位基站(2)在以1秒为单位的时间内可实现与200张定位标识卡(3)的测距与通信工作。

附图说明

图1人员及设备定位方法示意图；

图2系统结构图；

图中：1为巷道，2为无线定位基站，3为定位标识卡，4为定位标识卡与无线定位基站距离，5为光纤环网交换机，6为总交换机，7为地平面，8为上位机，9为以太网。

具体实施方式

在井下巷道（1）的一侧安置无线定位基站(2)，两个无线定位基站(2)之间距离为100米，无线定位基站(2)遵守IEEE1588协议，使其中一个工作在主机模式，其他工作在从机模式，使无线定位基站(2)具有统一的时钟基准。

当人员或设备定位标识卡(3)进入巷道，巷道内首个无线定位基站(2)会向定位标识卡(3)发送时间同步广播信息，定位标识卡(3)在接收到无线定位基站(2)的时间同步帧后，清空其内部RTC寄存器的值，定时器开始重新计时。定位标识卡(3)广播包含测距起始时间及定位标识卡(3)地址ID的消息，无线定位基站(2)在接收到广播信息后，会通过硬件时间戳记录数据包接收时间，数据包在空气中传播时间，根据计算出无线定位基站(2)与定位标识卡(3)的距离，其中为光速；由于定位标识卡(3)与无线定位基站(2)的CPU在实际工作中避免不了时钟晶振产生的时钟偏频差，时钟偏频差是本定位算法的最大误差来源。设Ea和Eb分别为定位标识卡(3)和无线定位基站(2)的误差系数，信号在空气中的实际传播时间为,则定位数据包在空气中传播误差为，定位识别卡(3)与无线定位基站(2)距离误差。无线定位基站(2)和定位标识卡(3)CPU的外部无源晶振为12兆，通过软件程序将外部无源12兆晶振倍频至178兆，以此作为系统工作频率。和的取值则与系统工作频率有关，当系统工作频率为百兆级时，无线定位基站(2)与定位标识卡(3)的偏频差为级别，计算出最大定位误差为3米。无线定位基站(2)收到定位标识卡（3）的广播消息后会向定位标识卡(2)发送一帧确认帧，并计算二者之间的距离，定位标识卡(2)在接收到确认帧后，进入休眠状态。无线定位基站(2)将计算出与定位标识卡(3)的距离s以及定位标识卡(3)的ID通过光纤环网交换机(5)传送至上位机(8)。上位机（8）结合矿山CAD根据基站安装位置，定义每个基站所处位置的坐标值，设定以巷道左侧行进方向为Y轴，以巷道宽度方向为X轴。上位机在接收到定位标识卡(3)与两个无线定位基站(2)的距离S1、S2及定位标识卡(3)ID信息后，以无线定位基站(2)的坐标值为圆心，以S1、S2为半径做两个圆。两圆交于(X1,Y1),(X2,Y2),由于在巷道壁上安装无线定位基站(2)，故只有其中一组坐标为有效坐标，另一组坐标会落到在巷道（1）壁或巷道（1）外而被舍弃。有效坐标即为定位识别卡(3)所处巷道（1）中的位置,从而实现了连续精确定位。

定位标识卡(3)从广播发起测距到接收到无线定位基站(2)所发的确认消息所耗时间，定义为测距周期，实测整个过程为5毫秒。以1秒为单位计算，以5毫秒为间隔采用分时通讯方式，同一无线定位基站(2)在1秒内最多可完成200张定位标识卡(3)的通信和测距。在同一无线定位基站(2)覆盖范围内的所有定位标识卡(3)完成时间同步后，清空其内部RTC寄存器的值，定时器开始重新计时。当定时器计数值等于定位标识卡(3)的ID与测距周期乘积时，则该定位标识卡(3)向无线定位基站(2)发送测距请求。当定位标识卡(3)的ID值大于200时，需对200取余数，定位标识卡(3)发送测距请求信息的顺序则按余数与测距周期的乘积依次由小到大进行；在同一定位基站(2)功效范围内，如果存在多个定位标识卡(3)的ID值对200取余的值相同时，余数相同的定位标识卡(3)不会收到无线定位基站（2）回复的确认信息，则这些定位标识卡（3）会随机选取一个值，以此值与测距周期的乘积，依次由小到大再次与无线定位基站进行测距，直至收到确认信息，收到无线定位基站（2）的确认信息后该值一直保持。上述方法实现了分时通讯，避免了数据传输的冲突。

有益效果

本发明可实现人员及设备的精确定位，将定位精度缩小为3m内，在矿难发生后，根据连续高精度定位结果形成的快照可以及时准确的抢救人员及设备，最小限度的减少生命财产损失；利用高精度定位数据可方便管理人员实时对井下人员及设备工作情况进行监控调度，促进矿井生产能力的提高，将会给矿山企业带来可观的安全和经济效益。

Claims (3)

1.一种连续高精度定位的方法，其特征在于利用IEEE1588协议完成无线定位基站(2)与定位标识卡(3)间的时钟同步；采用程序化倍频方式，减小由于时钟晶振而引起的偏频差，采用TDOA定位算法计算出定位标识卡(3)与两个无线定位基站(2)的距离信息，无线定位基站(2)通过光纤环网交换机(5)将定位标识卡(3)ID及距离信息发送至上位机(8),上位机(8)的解算程序以无线定位基站(2)为圆心，分别以标识卡到两个无线定位基站的距离半径作圆,两圆的交点通过解二元一次方程组可得，同时结合矿山CAD，获得唯一解，此解即为井下人员及设备的具体位置，从而实现井下人员及设备的连续高精度定位；在定位过程中标识卡与无线定位基站间的通信采用数据防冲突算法，使得单一无线定位基站(2)在以1秒为单位的时间内可实现与200张定位标识卡(3)的测距与通信工作。

2.根据权利1所述的井下人员及设备连续高精度定位，其特征在于井下无线定位基站(2)具备IEEE1588协议，通过网络时钟同步，保证井下所有无线定位基站（2）时钟统一，当定位标识卡(3)进入巷道(1)后，接收无线定位基站(2)广播的时钟同步信息；定位标识卡(3)在接收到同步信息后，清空其内部RTC寄存器，定时器重新计时，当定时时间等于定位标识卡(3)ID与测距周期的乘积时，定位标识卡(3)开始发测距信息，测距方式采用TDOA算法；无线定位基站(2)将测距结果及标识卡(3)ID通过光纤环网交换机(5)发送至上位机(8)解算；采用程序化倍频方式减小由于时钟晶振自身原因而引起的无线定位基站（2）、定位标识卡（3）时钟偏频差，倍频使系统工作频率达到百兆时，定位识别卡(3)与无线定位基站(2)距离误差可以达到纳秒级，从而实现井下人员及设备精确定位。

3.根据权利1所述的数据防冲突方法，其特征在于定位标识卡(3)测距周期为5毫秒，以1秒为单位计算，以5毫秒为间隔采用分时通讯方式，同一无线定位基站(2)在1秒内最多可完成200张定位标识卡(3)的通信和测距，在同一无线定位基站(2)覆盖范围内的所有定位标识卡(3)完成时间同步后，清空其内部RTC寄存器的值，定时器开始重新计时；当定时器计数值等于定位标识卡(3)的ID与测距周期乘积时，则该定位标识卡(3)向无线定位基站(2)发送测距请求，当定位标识卡(3)的ID值大于200时，需对200取余数，定位标识卡(3)发送测距请求信息的顺序则按余数与测距周期的乘积依次由小到大进行；在同一定位基站(2)功效范围内，如果存在多个定位标识卡(3)的ID值对200取余的值相同时，余数相同的定位标识卡(3)不会收到无线定位基站（2）回复的确认信息，则这些定位标识卡（3）会随机选取一个值，以此值与测距周期的乘积，依次由小到大再次与无线定位基站进行测距，直至收到确认信息，收到无线定位基站（2）的确认信息后该值一直保持。