CN109975753B - 一种矿井动目标测距误差判定及精确定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种矿井动目标测距误差判定及精确定位方法，将矿井下巷道作为一维通道进行分析，利用已知的定位分站间的距离，由定位卡分别与相邻定位分站进行测距通信，利用飞行时间数据和信号强度数据，分别进行多次测距，根据飞行时间测距数据和信号强度测距数据的变化速度判定测距数据是否存在误差并处理，从而得到准确的人员定位卡与定位分站之间距离，实现精确定位。所述精确定位方法实现过程简单，定位速度快、实时性强，具有广阔的推广价值。

Description

一种矿井动目标测距误差判定及精确定位方法
技术领域
本发明涉及一种矿井动目标测距误差判定及精确定位方法，该方法涉及无线电通信、测距和定位技术等领域。
背景技术
矿井人员定位系统是国务院(国发[2010]23号)要求煤矿和非煤矿山必须装备的安全避险六大系统之一，在遏制超定员生产等安全生产和应急救援中发挥着重要作用。矿井人员广泛采用的RFID技术，不能精确定位，难以满足矿井遇险遇难人员搜寻和车辆伤人等事故防治和应急救援需求。矿井无线电信号传输衰减严重、无线电传输衰减模型复杂多变、卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达井下、矿井定位需覆盖长达10km的巷道等制约着地面定位技术在矿井应用。国内外进行了无线电波、超声波、红外、激光等矿井定位技术研究。超声波、红外、激光等定位技术难以非视距定位、目标身份识别和全矿井定位。
井下动目标定位常用的定位方法有：接受信号强度指示(Received SignalStrength Indication,RSSI)，测量到达时间(Time Of Arrival,TOA)等方法。信号强度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，RSSI方法简单易实施。但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，定位精度低，定位误差可达几十米。到达时间定位TOA需定位卡与分站、分站与分站之间严格同步，系统同步困难，晶振稳定性要求高，系统复杂，成本高。改进的TOA测距方法可抑制系统时钟同步造成的误差，降低了系统成本，提高了定位精度，但矿井巷道存在人员、机车、移动机械设备等障碍物，使测距信号发生反射、衍射和散射等非视距传输NLOS，进而造成定位误差。非视距时延误差是影响矿井定位精度的主要因素，是矿井人员精确定位需解决的瓶颈技术问题。目前国内外主要采用卡尔曼滤波等方法减小非视距定位误差，然而滤波方法需要大量数据，运算大，系统负担重，滤波后的误差仍很大，而且定位实时性较差。所以需要一种新的可发现非视距时延误差实现井下动目标精确定位的方法。
发明内容
本发明提供了一种井下动目标精确定位方法，在矿井下巷道中间隔一定距离设置定位分站，定位分站为通信距离内的定位卡提供定位服务；在定位区域内定位卡与定位分站进行双向通信，获得多组信号飞行时间数据和信号强度数据；根据信号飞行时间数据和信号强度数据分别计算得到定位卡与定位分站距离数据；根据两次测量的信号飞行时间测距、信号强度测距数据的差的变化量，判定是否有测距误差；根据判定结果选择不同的测距算法获得定位卡与定位分站之间的距离；设定位卡记为M，定位分站记为A，具体步骤包括：
步骤1.M向A发出信号SMA，并开始计时；
步骤2.当A收到SMA，向M回复信号SAM，信号SAM中包含A收发信息的计时数据TA1和接收到的SMA的信号强度；
步骤3.当M收到SAM，结束计时，记录SAM的信号强度，及发收信号的计时数据TMA1，并计算得到双向通信的信号飞行时间数据TMA1-TA1；
步骤4.M对所有信号强度数据和信号飞行时间数据进行RSSI测距和TOA测距处理，得到M与A之间的两个信号强度测距数据dMAR1、dAMR1，和信号飞行时间测距数据dT1，
Figure BDA0002033009940000021
式中c为信号传播速度；
步骤5.取dMAR1、dAMR1的算术平均值，得到dR1，dR1＝(dMAR1+dAMR1)/2；
步骤6.间隔时间t重复步骤1至步骤5，得到M与A之间的信号飞行时间测距和信号强度测距数据dT2、dR2；
步骤7.将两次测量的信号飞行时间测距和信号强度测距数据分别进行比较；当满足|dT2-dT1|＞K·t，则判定信号飞行时间测距数据存在误差；当满足|dR2-dR1|＞K·t，则判定信号强度测距数据存在误差；K为阈值，K≥0，K根据现场测量或人为设定得到；
步骤8.根据以下算法获得M与A的距离dAM，运算公式为
Figure BDA0002033009940000022
以上定位可由定位分站发起，由定位分站完成测距。
阈值K根据被定位目标确定，如定位目标为煤矿井下步行人员K＝1米/秒；如定位目标为煤矿井下胶轮车K＝40千米/小时。
附图说明
图1井下精确定位系统组成示意图。
图2定位卡原理组成示意图。
图3定位分站原理组成示意图。
图4定位通信过程时序图。
图5定位测距流程示意图。
具体实施方式
所述定位方法通过井下精确定位系统实现，系统组成如图1所示：
1.监控终端(101)，生产管理人员通过监控终端访问定位服务器实现对井下工作人员及相关设备的实时监控，监控终端具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能。
2.定位存储服务器(102)，负责接收存储由分站发送的定位卡位置数据，并为GIS服务器和监控终端提供调取查询服务。
3.GIS服务器(103)，负责为监控终端提供地理信息服务，使用ArcGIS平台，并存储矿井的相关地理信息数据、分站及井下设备的位置数据。
4.交换机(104)，负责所有接入以太网的设备的数据交换。
5.分站(105)，负责对定位卡进行无线通信与定位，由交/直流电转换设备供电，与井上交换机通过有线方式连接通信。
6.交/直流电转换设备(106)，将井下交流电源转换为直流电通过供电线缆为分站供电。
7.定位卡(107)，与分站进行无线通信，安装于井下移动的设备上或由工作人员携带。
定位卡设备原理组成如图2所示：
1.处理器(201)，采用意法公司的32位cortex-m3芯片Stm32f 103rbt6，最高工作频率72MHz，128K Byte的程序存储空间，20K Byte SRAM，支持多种低功耗模式。
2.存储单元(202)，用于处理器(201)处理数据存储和设备识别信息的存储，存储芯片采用24C512，通过I2C总线与处理器通信。
3.时钟(203)，采用振荡频率为38.4MHz的石英晶振。
4.无线通信单元(204)：包括通信芯片和天线。通信芯片采用DecaWave公司的DW1000芯片，支持IEEE802.15.4-2011协议，具有UWB信号的收发功能，支持6个射频带宽，带宽可选择500MHZ和900MHz两种，采用Partron的ACS5200HFAUWB陶瓷天线，通过柔性专用转接线与主板上DW1000引出的接口连接。
5.电源单元(205)：包括电池、电压转换和电池充电管理部分，电池使用锂离子蓄电池。电压转换负责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用SG2020电源芯片。电池充电管理核心芯片采用TP4056锂电池充电管理芯片。
分站原理组成如图3所示：
1.处理器(301)，采用意法公司的32位cortex-m3芯片Stm32f 103rbt6，最高工作频率72MHz，128K Byte的程序存储空间，20K Byte SRAM，支持多种低功耗模式。
2.存储单元(302)，用于处理器处理数据存储和设备识别信息的存储，存储芯片采用24C512，通过总线与处理器通信。
3.时钟(303)，采用振荡频率为38.4MHz的石英晶振。
4.无线通信单元(304)，包括两个无线通信芯片和定向天线。无线通信芯片采用DecaWave公司的DW1000芯片，支持IEEE802.15.4-2011协议，具有UWB信号的收发功能，，支持6个射频带宽，带宽可选择500MHZ和900MHz两种，通过柔性专用转接线与主板上DW1000引出的接口连接。两个定向天线分别向巷道的两个走向发送和接收无线信号实现信号覆盖，覆盖距离应大于与相邻分站的距离。
5.有线通信单元(305)，包括有线通信模块和通信接口。有线通信模块核心芯片采用DM9000与HR911105A。通信接口采用标准以太网通信接口。
6.电源单元(306)，包括电池、电压转换和电池充放管理部分，电池使用锂离子蓄电池，起备用电源功能，电池容量应能保证分站无外部供电的情况下正常工作2小时以上，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路,具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将交/直流电转换设备(106)输入的直流电转换为转换为其它单元元件和锂电池充电所需电压，采用MAX1724电源芯片。电池充电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。
具体定位通信过程的时序如图4所示，在本示例中由M发起定位通信和定位运算，具体实施时也可由定位分站发起定位通信和定位运算。
完整的定位测距流程如图5所示：
(401)当定位卡M定时定位时间到或监控终端发起一次定位时，定位卡M向相邻的分站A发送测距信号SMA，并开始计时；
(402)A识别接收到M发送的测距信号SMA，并计时和记录SMA的信号强度RMA1；
(403)A解析处理信号后，结束计时，记录数据处理时间TA1，向M回复带有计时数据TA1和信号强度数据RMA1的信号SAM；
(404)M接收信号SAM；
(405)M结束计时，记录收发信号所用的时间TMA1和SAM的信号强度数据RAM1；
(406)M分别对各分站信号强度数据序列和信号飞行时间数据序列进行RSSI测距和TOA测距处理，得到M与A之间的信号到达时间、信号强度测距数据dT1、dMAR1、dAMR1；
TOA测距可采用如下公式：
Figure BDA0002033009940000051
RSSI测距运算可采用如下公式：
Figure BDA0002033009940000052
式中A为信号传播1m远时接收信号的功率；
S为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境；
Xδ为零均值的高斯分布正态随机变量；
(407)取dMAR1、dAMR1的算术平均值，得到dR1，dR1＝(dMAR1+dAMR1)/2；
(408)重复(401)至(407)的测距过程，得到M与A之间的信号飞行时间测距和信号强度测距数据dT2、dR2；
(409)将dT1、dT2和dR1、dR2分别进行比较；当满足|dT2-dT1|＞K·t，则判定信号飞行时间测距数据存在误差；当满足|dR2-dR1|＞K·t，则判定信号强度测距数据存在误差；
(410)获得M与A的距离dAM，运算公式为
Figure BDA0002033009940000053

Claims (1)

1.一种矿井动目标测距误差判定及精确定位方法，其特征在于：在矿井下巷道中间隔一定距离设置定位分站，定位分站为通信距离内的定位卡提供定位服务；在定位区域内定位卡与定位分站进行双向通信，获得多组信号飞行时间数据和信号强度数据；根据信号飞行时间数据和信号强度数据分别计算得到定位卡与定位分站距离数据；根据两次测量的信号飞行时间测距、信号强度测距数据的差的变化量，判定是否有测距误差；根据判定结果选择不同的测距算法获得定位卡与定位分站之间的距离；设定位卡记为M，定位分站记为A，具体步骤包括：
步骤1.M向A发出信号SMA，并开始计时；
步骤2.当A收到SMA，向M回复信号SAM，信号SAM中包含A收发信息的计时数据TA1和接收到的SMA的信号强度；
步骤3.当M收到SAM，结束计时，记录SAM的信号强度，及发收信号的计时数据TMA1，并计算得到双向通信的信号飞行时间数据TMA1-TA1；
步骤4.M对所有信号强度数据和信号飞行时间数据进行RSSI测距和TOA测距处理，得到M与A之间的两个信号强度测距数据dMAR1、dAMR1，和信号飞行时间测距数据dT1，
Figure FDA0003065500790000011
式中c为信号传播速度；
步骤5.取dMAR1、dAMR1的算术平均值，得到dR1，dR1＝(dMAR1+dAMR1)/2；
步骤6.间隔时间t重复步骤1至步骤5，得到M与A之间的信号飞行时间测距和信号强度测距数据dT2、dR2；
步骤7.将两次测量的信号飞行时间测距和信号强度测距数据分别进行比较；当满足|dT2-dT1|＞K·t，则判定信号飞行时间测距数据存在误差；当满足|dR2-dR1|＞K·t，则判定信号强度测距数据存在误差；K为阈值，K≥0，K根据现场测量或人为设定得到；
步骤8.根据以下算法获得M与A的距离dAM，运算公式为
Figure FDA0003065500790000012
以上定位可由定位分站发起，由定位分站完成测距；阈值K根据被定位目标确定，如定位目标为煤矿井下步行人员K＝1米/秒；如定位目标为煤矿井下胶轮车K＝40千米/小时。
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