CN115567887A - 一种煤矿井下机载惯导5g无线通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统及方法，包括地面调度信息中心和采掘工作面通信系统；矿用惯导装置信号连接矿用5G专网，将生产过程中采掘机位置姿态和惯导数据信息传输至地面；井下集控中心控制主机通过井下工作面万兆网连接惯导系统服务器，实现下发和接收矿用惯导装置数据；万兆工业环网接收矿用惯导装置数据和下发惯导控制指令；矿用5G专网核心交换机通过三层互联路由配置实现接入和移动管理、核心网上报建立接入请求和安全隔离。通过系统配置和架构融合，实现惯导系统服务器至井下工作面采掘机机载惯导装置的端到端数据交互，满足矿用惯导系统通信时延、信道带宽、通信稳定性的应用需要。

Description

一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下无线通信方法及系统，特别是一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统及方法。

背景技术

当前在用的矿用惯导至上位机服务器通信方法：惯导安装于煤矿井下的低速移动载体，RS422串行通信、动力电缆载波通信、复合动力电缆控制芯线通信、光纤通信等有线信道将惯导数据传输给上位机服务器进行数据解算。煤矿井下生产过程中因设备频繁移动、落煤、落石、浸水等因素常出现通信线挤压、弯折、破损等因素影响，有线通信介质(网线、光缆、通信电缆、串行通信线等)易受损伤，导致机载惯导系统通信异常，现有数据通信稳定性很难满足系统长时间稳定运行需要。

有线通信存在信道线缆敷设困难、通信稳定性不足、维护成本高、通信速率低、通信实时性不足等多个技术难题。

而采用无线通信技术在煤矿井下应用，wifi作为一种煤矿井下常用的无线通信技术，很多矿井采煤和掘进工作面已实现信号覆盖，但因wifi技术的通信原理限制，存在跳站或通信稳定性不足等信道质量问题，通信可靠性不能满足系统需要。

惯导5G无线通信方法：惯导安装在煤矿井下，应用于煤矿井下的低速运载体机身，将实时采集的载体位置、姿态信息通过串行通信口传输至接口转换部件，接口转换部件需要通过信道将惯导数据传输给上位机服务器进行数据解算。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种矿用惯导5G无线通信系统及通信方法，通过接口转换部件、5GCPE通信模组将惯导数据通过矿用本安型5G模组接入矿用5G专网，惯导上位机服务器通过5G专网实现惯导数据的接收和通信，满足矿用惯导系统通信时延、信道带宽、通信稳定性的应用需要。

本发明目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，包括地面调度信息中心和采掘工作面通信系统；

地面调度信息中心包括地面调度指挥中心控制主机、万兆工业环网交换机、惯导系统服务器、矿用5G专网核心交换机、5GC核心网服务器和安全隔离防火墙；

采掘工作面通信系统包括井下工作面万兆网交换机、井下集控中心控制主机、5G边缘计算服务器、矿用惯导装置、矿用5G基站控制器和矿用5G基站；

矿用惯导装置信号连接矿用5G基站，矿用5G基站信号连接矿用5G基站控制器，矿用5G基站控制器分别信号连接5G边缘计算服务器和矿用5G专网核心交换机，将生产过程中采掘机位置姿态和惯导数据信息传输至地面；

井下集控中心控制主机通过井下工作面万兆网交换机与万兆工业环网交换机信号连接；矿用5G专网核心交换机通过安全隔离防火墙与万兆工业环网交换机信号连接；万兆工业环网交换机连接惯导系统服务器，实现下发和接收矿用惯导装置数据；万兆工业环网交换机连接地面调度指挥中心控制主机实现接收矿用惯导装置数据和下发惯导控制指令；

矿用5G专网核心交换机分别连接5GC核心网服务器、矿用5G基站控制器和安全隔离防火墙，通过三层互联路由配置实现接入和移动管理、核心网上报建立接入请求和安全隔离。

作为优选，地面调度信息中心包括：

地面调度指挥中心控制主机，用于登录惯导系统服务器，配置修改工作面参数、通信方式；

万兆工业环网交换机，用于分别与井下工作面万兆环网交换机、惯导系统服务器和5G专网核心交换机连接，基于三层互联实现工业网与矿用5G专网的访问控制和融合对接；

惯导系统服务器，用于实时解算矿用5G专网核心交换机上传的惯导数据，实时展示井下采掘机位置姿态信息，对煤矿井下的矿用惯导装置下发操作指令；

矿用5G专网核心交换机，用于与矿用5G基站控制器和万兆工业环网交换机的访问控制和融合对接；

5GC核心网服务器，用于实现与矿用5G专网核心交换机的信息承载和管理；

安全隔离防火墙，用于对矿用5G专网核心交换机与万兆工业环网交换机网络的隔离防护。

作为优选，采掘工作面通信系统包括：

井下集控中心控制主机，用于对工作面采掘机进行远程集控，实现采掘工作面生产设备的远程集中管理和操作控制；

井下工作面万兆网交换机，用于将井下采煤工作面集控中心各控制主机汇聚接入和数据交互，实现矿用5G专网业务数据、工业环网生产控制数据的汇聚接入和路由转发；

5G边缘计算服务器，用于进行矿用5G基站控制器本地分流；

矿用惯导装置，安装部署于井下采煤工作面采掘机机身，用于实时测量采掘机械位置、姿态信息，通过矿用5G专网实现信息数据的上传，接收地面调度指挥中心控制主机、惯导系统服务器下发的控制指令；

矿用5G基站控制器，用于矿用5G基站信号调制、解调和协议解析，进行无线信号传输，为矿井提供5G信号覆盖；

矿用5G基站，用于解析并放大矿用5G基站控制器基带信号，接收来自矿用惯导装置的5G CPE通信模组信号，进行数字处理传输至矿用5G基站控制器。

作为优选，当需要提高井下工作面矿用惯导装置与惯导系统服务器数据通信实时性和解算效率时，采用5G边缘计算服务器进行惯导系统服务承载，降低通信时延。

作为优选，矿用5G基站控制器安装于井下采掘工作面监控中心，通过万兆光链路连接部署于地面的矿用5G专网核心交换机，实现与5GC核心网服务器的通信、5G专网基带信号调制、解调和协议解析。

作为优选，矿用惯导装置包括惯性测量单元、接口转换部件和5G CPE通信模组、供电系统单元和辅助校准传感器；惯性测量单元、接口转换部件和5G CPE通信模组依次连接，通过接口转换部件连接辅助校准传感器；

供电系统单元包括电源保护单元和AC/DC电源，AC/DC电源分别连接惯性测量单元和机载辅助校准传感器。

作为优选，所述接口转换部件包括与FPGA分别连接的惯性测量单元、编码器、CAN转换模块、调试串口和网口；

所述惯性测量单元通过RS422隔离收发器连接FPGA；

所述编码器和CAN转换模块分别通过依次连接的保护/匹配电路、隔离式CAN收发器、CAN总线控制器和CAN电平转换器连接FPGA；

所述调试串口通过RS232驱动器和电平转换器连接FPGA；

所述网口通过以太网变压器和以太网收发器连接FPGA。

作为优选，所述机载5G CPE通信模组包括接口板和天线单元，接口板包括CPU和5G模块，接口板分别通过低频天线、中频天线、高频天线和GPS天线连接天线单元。

本发明另一方面，提供了一种所述系统的煤矿井下机载惯导5G无线通信方法，包括：

将矿用机载惯导装置实时采集生产过程中煤矿井下工作面采掘机位置姿态信息；将获取的采掘机位置姿态信息传输至矿用5G基站；

矿用5G基站解析并放大基带信号，接收来自矿用惯导装置的5G CPE通信模组信号，数字处理后传输至矿用5G基站控制器；

矿用5G基站控制器进行本地分流配置，通过5G边缘计算服务器实现矿用惯导数据就近转发、就地解算和处理；

矿用5G基站控制器将实时采集的采掘机位置姿态信息上传至矿用5G专网核心交换机，经安全隔离防火墙实现矿用5G专网和万兆工业环网的互联，实现矿用惯导装置与惯导系统服务器通信；

5GC核心网服务器与矿用5G专网核心交换机、矿用5G基站控制器和矿用5G基站共同构成矿用5G专网，实现矿用5G专网数据传输；

惯导系统服务器通过矿用5G专网接收矿用惯导装置工作状态和采掘机位置姿态信息，进行存储和解算；

地面调度信息中心控制主机和井下集控中心控制主机实现对惯导系统服务器数据WEB端界面的显示和对矿用惯导装置的操作控制；井下集控中心控制主机通过井下工作面万兆工业环网交换机与地面万兆工业环网交换机的对接，实现对矿用惯导装置的操作控制和参数配置。

作为优选，矿用机载惯导装置实时采集生产过程中煤矿井下工作面采掘机位置姿态信息，包括：

S101，工作面采掘机启动惯性测量单元开机，惯性测量单元通过接口转换部件连接5G CPE通信模组，向5G CPE通信模组发送采掘机位置姿态信息；

S102，5G CPE通信模组通过射频天线实现与工作面矿用5G基站接入；

S103，通过5G CPE通信模组接收矿用5G基站下发的控制指令，惯性测量单元通过向矿用5G基站实时反馈工作运行状态，完成对准，进入导航状态；

S104，惯性测量单元通过矿用5G专网实时上传采掘机位置姿态信息，并通过万兆工业环网交换机和井下工作面万兆环网交换机以及矿用5G专网接收惯导系统服务器操作指令；

S105，采掘机停机，惯导系统服务器、地面调度指挥中心控制主机和井下集控中心控制主机检测到惯导测量装置通信中断，直至惯性测量单元和机载5G CPE通信模组再次开机运行，接入矿用5G专网后，系统重复执行步骤S101～S104工作流程。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1、本发明采用了在井下采掘机电控箱上配置矿用惯导装置，通过5G CPE通信模组与5G专网通信，通过接口转换部件实现了惯导接口协议由串行通信至以太网通信协议的转换，实现了5G CPE通信模组和接口转换部件的网络适配应用，解决了现有通信技术存在的实时性、稳定性、安装维护便利性等不能满足惯导系统通信工程应用的现状。

2、通过安全隔离防火墙防护策略、路由参数配置实现了矿用5G专网同矿用万兆工业环网的融合对接，实现了5G终端设备(矿用惯导装置)与惯导系统服务器的数据交互以及端到端数据通信。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为矿用惯导5G无线通信系统架构图；

图2为矿用惯导装置与工作面矿用5G系统通信构架图；

图3为基于5G通信的矿用惯导装置工作流程图；

图4为接口转换部件系统架构图；

图5为5GCPE通信模组系统架构图。

图6为实施例煤矿井下采煤工作面5G专网通信系统布置图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例提供的煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，包括地面调度信息中心和采掘工作面通信系统。

其中，地面调度信息中心包括地面调度指挥中心控制主机、万兆工业环网交换机、惯导系统服务器、矿用5G专网核心交换机、5GC核心网服务器和安全隔离防火墙。

地面调度指挥中心控制主机，用于登录惯导系统服务器，实现惯导系统软件界面展示，查看系统通信状态、运行状态、工作面采掘信息，查询系统历史轨迹曲线数据，配置修改工作面参数、通信方式等。

万兆工业环网交换机，用于分别与井下工作面万兆环网交换机、惯导系统服务器和5G专网核心交换机连接，实现三层互联矿井工业生产网络，井下相关网段网关、路由等参数配置，基于三层互联实现工业网与矿用5G专网的访问控制和融合对接。

惯导系统服务器，用于通过惯导系统上位机服务软件、数据库软件实现基于矿用5G专网核心交换机实时上传的惯导数据的自动解算，将经井下采掘机采煤工作面获取的采掘机位置、姿态信息进行实时展示，工作面直线度检测曲线的自动存储，以及液压支架电液控制系统找直参数的计算和输出。通过万兆工业环网交换机对煤矿井下矿用惯导装置下发操作指令，接口转换部件转发操作指令数据到安全隔离防火墙时，安全隔离防火墙通过跨网段(5G网段、工业环网段)互通策略、通信协议、端口配置，经三层互联路由将操作指令数据转发给5G专网下挂的惯导内置5G CPE模组，实现惯导系统服务器(工业云服务器)或控制主机对惯导的操作和控制。

其中，5G网段为矿用5G专网，由5GC核心网服务器、矿用5G专网核心交换机、矿用5G基站控制器和矿用5G基站共同构成。工业环网段为工业生产网，由万兆工业环网交换机、井下工作面万兆环网交换机共同构成。

矿用5G专网核心交换机，用于通过矿用5G专网相关网段的网关、路由等参数配置，实现与井下矿用5G基站控制器和万兆工业环网交换机的访问控制和融合对接。矿用5G专网核心交换机汇聚连接5GC核心网服务器、矿用5G基站控制器、安全隔离防火墙，通过三层互联路由配置实现以上3种设备的互联和融合应用：(1)5GC核心网服务器通过矿用5G专网核心交换机实现接入和移动管理、会话管理功能，对5G CPE模组或智能终端5G专网接入请求进行鉴权服务，实现矿用5G专网核心业务承载和管理。(2)矿用5G基站控制器通过连接矿用5G专网核心交换机路由，向5GC核心网服务器上报所在区域建立请求和终端接入请求。(3)安全隔离防火墙通过矿用5G专网核心交换机三层互联控制矿用5G专网对矿井万兆工业环网的数据交互请求，实现万兆工业环网和矿用5G专网的安全隔离。

5GC核心网服务器，用于通过矿用5G专网服务软件(主要包括接入和移动管理功能、会话管理功能、用户平面功能、鉴权服务器功能、统一数据管理功能、贮存功能)等网元结构，基于3GPP R15标准协议，实现与矿用5G专网核心交换机的信息承载和管理。

安全隔离防火墙，安装于地面调度信息中心机房，通过三层互联接口地址连接万兆工业环网交换机和矿用5G专网核心交换机，用于对矿用5G专网核心交换机与万兆工业环网交换机网络的隔离防护，通过网段划分、安全策略配置、通信协议管理、路由管理等参数配置，实现矿用5G专网与工业生产网的数据互通控制和业务管理。

其中，井下采掘工作面通信系统包括井下工作面万兆网交换机、井下集控中心控制主机、5G边缘计算服务器、矿用惯导装置、矿用5G基站控制器和矿用5G基站。

井下工作面万兆网交换机，用于将井下采煤工作面集控中心各控制主机的汇聚接入和数据交互，实现矿用5G专网业务数据、工业环网生产控制数据的汇聚接入和路由转发。

井下集控中心控制主机，用于采掘工作面各生产系统服务软件的安装部署和系统展示，生产现场生产技术人员可通过控制主机对工作面采掘机进行远程集控，实现采掘工作面生产设备的远程集中管理和操作控制。

5G边缘计算服务器，用于惯导系统上位机服务软件的容器化安装和部署，当井下工作面对井下工作面矿用惯导装置与惯导系统服务器数据通信的惯导系统数据提出小于10ms的控制操作和解算效率时，通过矿用5G基站控制器进行本地分流，由5G边缘计算服务器进行惯导系统服务承载，进一步降低通信时延。

矿用5G基站控制器，是一种矿用型基站的接入单元，用于矿用5G基站信号调制、解调和协议解析，采用数字化技术，基于光纤承载进行无线信号传输，为矿井提供5G信号覆盖。矿用5G基站控制器安装于井下采掘工作面监控中心，控制器通过万兆光链路连接部署于地面的5G专网核心交换机，实现和5GC核心网服务器的通信，实现5G专网基带信号调制、解调和协议解析，实现5G所在区域的配置和建立，惯导5G通信模组正常实现所在区域信号接入。

矿用5G基站，用于解析并放大矿用5G基站控制器基带信号，接收来自矿用隔离兼本安型陀螺仪上的5G终端通信模组的信号，进行数字处理传输至矿用5G基站控制器。

矿用惯导装置，安装部署于井下掘进采煤工作面采煤采掘机机身电控箱中，用于实时测量采掘机械位置、姿态信息，通过矿用5G专网实现信息数据的上传，接收控制主机、服务器下发的控制指令。

如图2所示，矿用惯导装置包括惯性测量单元、接口转换部件和5G CPE通信模组，配套机载组件包括供电系统单元和辅助校准传感器。供电系统单元包括电源保护单元和AC/DC电源；惯性测量单元、接口转换部件和机载5G CPE通信模组依次连接，通过接口转换部件连接辅助校准传感器，供电系统单元的AC/DC电源分别连接惯性测量单元和机载辅助校准传感器。

生产过程中，矿用惯导装置通过5G CPE通信模组实时采集采掘机位置姿态信息，通过串行通信接口将信息传输至本发明的接口转换部件，接口转换部件将辅助校准传感器数据和5G CPE通信模组的惯导数据组合计算后，将信号转换为以太网协议，通过工作面安装的矿用5G基站，实现惯导数据信息的矿用5G专网接入和数据交互。

工作面采掘机开机启动后，惯性测量单元实时测量采煤机、采掘机位置、姿态信息，通过串行通信将数据发送给接口转换部件，接口转换部件对接收的惯导数据和辅助校准传感器数据进行解析和组合导航运算，并转换为以太网通信，机载5G模组将解算数据转换为5G无线蜂窝网络通信，实现惯导数据的5G通信。

如图3所示，矿用惯导装置的工作流程如下：

S101，采掘生产开始前，首先为采掘工作面内主要生产设备和通信系统设备恢复提供正常供电，采掘机、工作面矿用5G基站上电启动；检查设备连接是否正常，连接正常后，工作面运载体启动惯性测量单元开机；如果有异常，则向惯导系统服务器给出惯性测量单元通信状态异常提示；

S102，惯性测量单元开机启动后，通过设备自检对惯导系统服务器输出运行状态。5G CPE通信模组连接正常后，惯性测量单元通过接口转换部件连接5G CPE通信模组，向内置5G CPE通信模组反馈设备通信状态和工作状态；

S103，5G CPE通信模组与接口转换部件连接，接收惯性测量单元状态字和数据信息，5G CPE通信模组WAN口通过射频天线实现矿用5G专网接入；5G CPE通信模组正常启动后开始实时搜索5G射频通信信号，将5G CPE通信模组内置的SIM卡信息和5G网接入请求实时上传至矿用5G基站；入网成功后会获取矿用5G核心网分配的IP地址，进入正常通信工作状态；5G CPE通信模组通过通信和转换协议实现惯导数据信息5G专网接入应用；

S104，通信链路正常建立后，如果通信状态和信号质量能够满足应用需求，则反馈惯性测量单元通过机载5G通信模组接收矿用5G基站下发的初始化对准指令；惯性测量单元并通过向矿用5G基站实时反馈工作运行状态，直至完成对准，进入正常导航状态；

S105，惯性测量单元正常工作模式下，通过矿用5G专网实时上传采掘机位置姿态信息数据，通过万兆工业环网交换机和井下工作面万兆环网交换机以及矿用5G专网向惯导系统服务器回传数据，接收服务器操作指令；

S106，采掘机停机运行，惯导系统服务器、地面调度指挥中心控制主机和井下集控中心控制主机检测到惯导测量装置通信中断，直至惯性测量单元和机载5G CPE通信模组再次开机运行，接入矿用5G专网后，系统重复执行上述工作流程。

如图4所示，接口转换部件包括与FPGA分别连接的惯性测量单元、编码器、CAN转换模块、调试串口和网口；惯性测量单元通过RS422隔离收发器连接FPGA；编码器通过依次连接的保护/匹配电路2、隔离式CAN2收发器、CAN2总线控制器和CAN2电平转换器连接FPGA；CAN转换模块通过依次连接的保护/匹配电路1、隔离式CAN1收发器、CAN1总线控制器和CAN1电平转换器连接FPGA；调试串口通过RS232驱动器和电平转换器连接FPGA；网口通过以太网变压器和以太网收发器连接FPGA。

如图5所示，机载5G CPE通信模组包括接口板和天线单元，接口板包括CPU和5G模块，接口板分别通过低频天线、中频天线、高频天线和GPS天线连接天线单元。

本发明基于煤矿井下机载惯导5G通信系统实现煤矿井下机载惯导5G通信，具体方法包括如下步骤：

步骤1，将矿用机载惯导装置安装于煤矿井下工作面采掘机，实时采集生产过程中采掘机位置姿态信息；通过加工的接口转换部件、矿用本安型5G CPE通信模组，将获取的采掘机位置姿态惯导数据信息传输至矿用5G基站；

步骤2，矿用5G基站解析并放大基带信号，接收来自矿用惯导装置上的5GCPE通信模组终端信号，进行数字处理传输至矿用5G基站控制器。

步骤3，将5G边缘计算服务器下沉至煤矿井下采掘生产工作面，通过矿用5G基站控制器本地分流配置，实现矿用惯导数据就近转发至安装于工作面的5G边缘计算服务器，数据无需回传矿井地面的就地进行解算和处理，提高惯导系统服务数据通信实时性(时延实测≤10ms，最小6ms)和解算效率，可实现井下采煤工作面集控中心本地服务情况下，通过安装部署于采掘工作面的矿用5G基站控制器和5G边缘计算服务器实现矿用惯导数据就近转发、就地解算和处理；

步骤4，惯导系统通过矿用5G基站控制器将实时采集的载体位置、姿态信息上传至矿用5G专网核心交换机，经安装于地面的安全隔离防火墙实现矿用5G专网和万兆工业环网的互联，实现矿用惯导装置与惯导系统服务器通信；

步骤5，5GC核心网服务器与矿用5G专网核心交换机、矿用5G基站控制器和矿用5G基站共同构成矿用5G专网，实现矿用5G专网数据传输；

步骤6，惯导系统服务器通过矿用5G专网接收矿用惯导装置工作状态和采掘机位置姿态信息，进行存储和解算；

步骤7，地面调度信息中心控制主机和井下集控中心控制主机实现对惯导系统服务器数据WEB端界面的显示和对矿用惯导装置的操作控制；井下集控中心控制主机通过井下工作面万兆工业环网交换机与地面万兆工业环网交换机的对接，实现对矿用惯导装置的操作控制和参数配置。

下面通过一个具体实施例来进一步说明本发明。

惯导系统应用于某煤矿实例，如图6所示。

(1)矿井设备安装

矿井地面海拔约1246m，井深约262m，采煤工作面长度300m，煤层厚度平均9.5m，安装液压支架150组，工作面安装矿用5G基站控制器1台(安装于工作面集控中心)，矿用5G基站5台(工作面内部每间隔40组液压支架安装1台，工作面集控中心安装1台)，通过对采煤机进行改造和适配测试后，在机身电控箱安装矿用5G惯导装置1套(包括如图2所示的矿用惯导运载体电控箱虚线边框内相关单元模块)，采煤工作面内矿用5G专网、惯导系统相关设备安装部署情况如图1所示。

煤矿井下综采工作面5G专网通信系统主要由矿用5G基站、馈线、5G射频天线、机载5Gcpe通信模组单元组成。

矿用5G基站安装于工作面液压支架四连杆中部，2条馈线通过液压支架顶梁延伸至立柱前沿，通过板状定向天线实现向左右两侧的5G信号覆盖。

根据工作面切眼长度和地形起伏等因素，通过多台矿用5G基站设备安装部署，实现整个工作面的矿用5G专网信号覆盖。

矿用惯导装置和5G模组安装于运载体(采煤机)电控箱内部，射频馈线通过电控箱射频通信口连接全向天线，实现5G专网信号的接收。

(2)矿用5G专网接入

惯导系统装置(惯性测量单元、接口转换部件、5G CPE通信模组等模块)通过加工过渡安装板实现在综采工作面采煤机电控箱内部的安装固定。设备通过工作面安装的4台矿用5G基站和定向板状射频天线，实现5G射频信号的接入。

(3)惯导系统通信

经实际测试惯导系统工业云服务器同惯导网络通信时延稳定于9ms～45ms，系统通信速率：上行通信速率ulTp(320Mbps～340Mbps)，下行通信速率dlTp(120Mbps～140Mbps)，通信稳定性和信号质量完全满足惯导系统通信要求，详细数据见表1所示。

表1惯导系统通信配置

本发明能够应用于煤矿井下，实现5G终端设备矿用惯导装置与惯导系统服务器的数据交互以及端到端数据通信，避免了有线通信稳定性不足、通信速率低、通信实时性等不足。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，其特征在于，包括地面调度信息中心和采掘工作面通信系统；

地面调度信息中心包括地面调度指挥中心控制主机、万兆工业环网交换机、惯导系统服务器、矿用5G专网核心交换机、5GC核心网服务器和安全隔离防火墙；

采掘工作面通信系统包括井下工作面万兆网交换机、井下集控中心控制主机、5G边缘计算服务器、矿用惯导装置、矿用5G基站控制器和矿用5G基站；

矿用惯导装置信号连接矿用5G基站，矿用5G基站信号连接矿用5G基站控制器，矿用5G基站控制器分别信号连接5G边缘计算服务器和矿用5G专网核心交换机，将生产过程中采掘机位置姿态和惯导数据信息传输至地面；

井下集控中心控制主机通过井下工作面万兆网交换机与万兆工业环网交换机信号连接；矿用5G专网核心交换机通过安全隔离防火墙与万兆工业环网交换机信号连接；万兆工业环网交换机连接惯导系统服务器，实现下发和接收矿用惯导装置数据；万兆工业环网交换机连接地面调度指挥中心控制主机实现接收矿用惯导装置数据和下发惯导控制指令；

矿用5G专网核心交换机分别连接5GC核心网服务器、矿用5G基站控制器和安全隔离防火墙，通过三层互联路由配置实现接入和移动管理、核心网上报建立接入请求和安全隔离。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，其特征在于，地面调度信息中心包括：

地面调度指挥中心控制主机，用于登录惯导系统服务器，配置修改工作面参数、通信方式；

万兆工业环网交换机，用于分别与井下工作面万兆环网交换机、惯导系统服务器和5G专网核心交换机连接，基于三层互联实现工业网与矿用5G专网的访问控制和融合对接；

惯导系统服务器，用于实时解算矿用5G专网核心交换机上传的惯导数据，实时展示井下采掘机位置姿态信息，对煤矿井下的矿用惯导装置下发操作指令；

矿用5G专网核心交换机，用于与矿用5G基站控制器和万兆工业环网交换机的访问控制和融合对接；

5GC核心网服务器，用于实现与矿用5G专网核心交换机的信息承载和管理；

安全隔离防火墙，用于对矿用5G专网核心交换机与万兆工业环网交换机网络的隔离防护。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，其特征在于，采掘工作面通信系统包括：

井下集控中心控制主机，用于对工作面采掘机进行远程集控，实现采掘工作面生产设备的远程集中管理和操作控制；

井下工作面万兆网交换机，用于将井下采煤工作面集控中心各控制主机汇聚接入和数据交互，实现矿用5G专网业务数据、工业环网生产控制数据的汇聚接入和路由转发；

5G边缘计算服务器，用于进行矿用5G基站控制器本地分流；

矿用惯导装置，安装部署于井下采煤工作面采掘机机身，用于实时测量采掘机械位置、姿态信息，通过矿用5G专网实现信息数据的上传，接收地面调度指挥中心控制主机、惯导系统服务器下发的控制指令；

矿用5G基站控制器，用于矿用5G基站信号调制、解调和协议解析，进行无线信号传输，为矿井提供5G信号覆盖；

矿用5G基站，用于解析并放大矿用5G基站控制器基带信号，接收来自矿用惯导装置的5G CPE通信模组信号，进行数字处理传输至矿用5G基站控制器。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，其特征在于，当需要提高井下工作面矿用惯导装置与惯导系统服务器数据通信实时性和解算效率时，采用5G边缘计算服务器进行惯导系统服务承载，降低通信时延。

5.根据权利要求3所述的一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，其特征在于，矿用5G基站控制器安装于井下采掘工作面监控中心，通过万兆光链路连接部署于地面的矿用5G专网核心交换机，实现与5GC核心网服务器的通信、5G专网基带信号调制、解调和协议解析。

6.根据权利要求3所述的一种煤矿井下机载惯导5G无线通信系统，其特征在于，矿用惯导装置包括惯性测量单元、接口转换部件和5G CPE通信模组、供电系统单元和辅助校准传感器；惯性测量单元、接口转换部件和5G CPE通信模组依次连接，通过接口转换部件连接辅助校准传感器；

供电系统单元包括电源保护单元和AC/DC电源，AC/DC电源分别连接惯性测量单元和机载辅助校准传感器。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下机载惯导5G无线通信方法，其特征在于，所述接口转换部件包括与FPGA分别连接的惯性测量单元、编码器、CAN转换模块、调试串口和网口；

所述惯性测量单元通过RS422隔离收发器连接FPGA；

所述编码器和CAN转换模块分别通过依次连接的保护/匹配电路、隔离式CAN收发器、CAN总线控制器和CAN电平转换器连接FPGA；

所述调试串口通过RS232驱动器和电平转换器连接FPGA；

所述网口通过以太网变压器和以太网收发器连接FPGA。

8.根据权利要求6所述的煤矿井下机载惯导5G无线通信方法，其特征在于，所述机载5GCPE通信模组包括接口板和天线单元，接口板包括CPU和5G模块，接口板分别通过低频天线、中频天线、高频天线和GPS天线连接天线单元。

9.一种权利要求1-8任一项所述系统的煤矿井下机载惯导5G无线通信方法，其特征在于，包括：

将矿用机载惯导装置实时采集生产过程中煤矿井下工作面采掘机位置姿态信息；将获取的采掘机位置姿态信息传输至矿用5G基站；

矿用5G基站解析并放大基带信号，接收来自矿用惯导装置的5GCPE通信模组信号，数字处理后传输至矿用5G基站控制器；

矿用5G基站控制器进行本地分流配置，通过5G边缘计算服务器实现矿用惯导数据就近转发、就地解算和处理；

矿用5G基站控制器将实时采集的采掘机位置姿态信息上传至矿用5G专网核心交换机，经安全隔离防火墙实现矿用5G专网和万兆工业环网的互联，实现矿用惯导装置与惯导系统服务器通信；

5GC核心网服务器与矿用5G专网核心交换机、矿用5G基站控制器和矿用5G基站共同构成矿用5G专网，实现矿用5G专网数据传输；

惯导系统服务器通过矿用5G专网接收矿用惯导装置工作状态和采掘机位置姿态信息，进行存储和解算；

地面调度信息中心控制主机和井下集控中心控制主机实现对惯导系统服务器数据WEB端界面的显示和对矿用惯导装置的操作控制；井下集控中心控制主机通过井下工作面万兆工业环网交换机与地面万兆工业环网交换机的对接，实现对矿用惯导装置的操作控制和参数配置。

10.根据权利要求9所述的煤矿井下机载惯导5G无线通信方法，其特征在于，矿用机载惯导装置实时采集生产过程中煤矿井下工作面采掘机位置姿态信息，包括：

S101，工作面采掘机启动惯性测量单元开机，惯性测量单元通过接口转换部件连接5GCPE通信模组，向5G CPE通信模组发送采掘机位置姿态信息；

S102，5G CPE通信模组通过射频天线实现与工作面矿用5G基站接入；

S103，通过5G CPE通信模组接收矿用5G基站下发的控制指令，惯性测量单元通过向矿用5G基站实时反馈工作运行状态，完成对准，进入导航状态；

S104，惯性测量单元通过矿用5G专网实时上传采掘机位置姿态信息，并通过万兆工业环网交换机和井下工作面万兆环网交换机以及矿用5G专网接收惯导系统服务器操作指令；

S105，采掘机停机，惯导系统服务器、地面调度指挥中心控制主机和井下集控中心控制主机检测到惯导测量装置通信中断，直至惯性测量单元和机载5GCPE通信模组再次开机运行，接入矿用5G专网后，系统重复执行步骤S101～S104。

Images