基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法

孙继平，李晨鑫

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法

孙继平，李晨鑫

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

针对现有煤矿井下目标定位方法精度不能满足应急救援、井下人员作业管理以及煤矿物联网建设对精确定位的需要，提出基于TOA(Time of Arrival)的煤矿井下目标精确定位方法。针对TOA方法用于目标定位受设备计时误差影响较大，井下巷道呈一维条状分布，无法采用地面常用的二维、三维抑制误差算法，提出基于计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法，建立双路WiFi(Wireless Fidelity)信道+单路光纤信道的一维定位方法和信号收发计时方式，在此基础上提出计时误差抑制算法。测试结果证明计时误差抑制算法在采用此定位方法基础上，有效地抑制了设备计时误差造成的测距误差，实测误差不影响定位精度，验证了此方法的定位性能。

煤矿井下；目标定位；TOA；WiFi；计时误差抑制算法

现有煤矿井下目标定位方法定位精度不足，不能满足事故应急救援、井下作业人员管理、煤矿物联网建设对精确定位的需求[1-6]。

目前，基于到达时间的TOA(Time of Arrival)方法应用于目标精确定位具有一定研究基础[7-11]。TOA方法定位精度受设备时延、计时器频率偏移等计时误差因素影响，二维平面、三维空间定位的算法可以对抑制计时误差，但不适用呈条状分布的煤矿井下巷道一维环境。对称双边双路测量的SDS-TWR方法[12-13]能部分抑制计时误差，但仅针对每次信号收发处理时延完全一致的情况，未考虑每次处理时延存在差异造成的影响。

笔者提出针对煤矿井下特定环境的TOA目标定位方法，建立双路WiFi(Wireless Fidelity)信道+单路光纤信道的一维定位方法，提出抑制计时误差的算法，将计时误差在计算中抵消，实现TOA方法在煤矿井下目标定位中的有效应用。

1 计时误差对TOA方法的影响

TOA方法利用信号在发射机和接收机之间的传播时间计算距离，实现目标定位。计时误差对定位精度影响较大。

1.1 计时误差对单程测距的影响

利用信号单程传播时间测距方法计算公式为

(1)

式中，d为发射机与接收机距离；c为光速；t为测得的信号传播时间；Δt为设备时钟同步时延。

测距误差与同步时延的关系如图1所示。同步时延对单程测距方法影响极大。

图1 单程测距误差Fig.1 Error of one-way distance-measuring

1.2 计时误差对双程测距的影响

利用信号双程往复传播时间方法计算公式为

(2)

式中，T1为发射机自发出检测信号起至接收到回应信号止的时间；T2为接收机自接收到检测信号起至发出回应信号止的时间；e1，e2分别为发射机计时器、接收机计时器的频率偏移系数。

双程测距方法误差-(e1T1-e2T2)是由于计时器存在频率偏移造成计时误差导致。参考IEEE802.11标准，频率偏移不超过±25×10-6[14]，测距误差与收发计时器频率偏移系数差、处理时延的关系如图2所示。计时器频率偏移及处理时延对双程测距方法影响较大。

图2 双程测距误差Fig.2 Error of reciprocating path distance-measuring

1.3 小 结

图1和图2表明，TOA定位的精度受设备时延、计时器频率偏移等计时误差因素影响较大，必须加以抑制才可用于煤矿井下目标精确定位。地面环境采用二维、三维算法进行误差抑制。煤矿井下巷道呈一维条状，无法采用上述算法，需要建立针对井下特定环境的定位方法和计时误差抑制算法。

2 方法描述

根据前文所述，实现TOA方法在煤矿井下目标定位中的应用，需要建立一维定位方法，并解决如下技术问题:

(1)导致计时误差的因素多，包括同步时延、计时器频率偏移、处理器的处理时延；

(2)导致计时误差的因素不易被消除、不易被测得、多为变量。

基于上述原因，笔者提出煤矿井下一维TOA目标定位方法和计时误差抑制算法:针对存在多个计时误差因素，提出三条信道的进行定位检测的方法，包括一条已知长度的光纤信道和两条用于定位测距的WiFi信道，提出三条信道的信号收发及计时方式；针对计时误差变量不易被测量、多为变量，抑制误差算法利用三条信道的信号传输时间关系和长度关系建立计算式，应用矩阵计算的消元方法将造成误差的变量在计算中抵消，建立计算结果仅与实测时间值有关的距离计算公式。

2.1 技术方案

提出双路WiFi信道+单路光纤信道的一维定位方法(图3)。

图3 双路WiFi信道+单路光纤信道Fig.3 Two-way WiFi channel+one-way fiber channel

该方法构成包括综合通信基站，定位分站，识别卡，埋入式光纤网络。

(1)综合通信基站，为具有定位子站的通信基站，间距为2d*，计算中为已知值，根据WiFi天线覆盖性能[15-17]和系统设计需求进行设定；

(2)定位分站，置于2个综合通信基站的中点；因此定位分站与综合通信基站的距离为d*；

(3)识别卡，作为定位标识由定位目标携带，集成于WiFi手机，识别卡与综合通信基站、定位分站的距离分别记为d1，d2，为待测值；

(4)埋入式光纤网络用于综合通信基站和定位分站的有线连接；

(5)综合通信基站，定位分站，识别卡均有计时功能和计算功能，其中识别卡与WiFi手机共用计时器和处理器；计时器满足分辨率τ≤1×10-8s，可实现定位精度为AC=τ×c≤3 m，c为光速；

(6)综合通信基站和定位分站分别采用2个定向天线进行WiFi信号覆盖和接收信号方向判别，定向天线的覆盖方向即为目标所在方向；

(7)本技术方案需建立在支持SerialNET(透明传输模式)方式的WiFi通信模块上，以实现作为定位节点的识别卡与作为锚节点综合通信基站的定位子站和定位分站同时进行通信。

在本技术方案基础上，利用2.2节提出的信号收发及计时方式得出每一条信道上的信号收发时间，利用2.3节提出的抑制误差算法计算得出识别卡与综合通信基站距离d1、定位分站的距离d2，确定目标位置。

2.2 信号收发及计时方式

双路WiFi信道+单路光纤信道方法的信号收发计时方法流程如图4所示。利用信号收发两端时间相减的方式对信号在节点之间的双程传播时间计算，能够消除WiFi技术本身存在的时延问题。

图4 信号收发及计时过程Fig.4 Process of signal transceiving and timing

综合通信基站、定位分站分别记为锚节点A、锚节点B，目标及识别卡记为移动节点M。

(1)M分别向A和B发出信号SMA和SMB，开始记录时间TMA和TMB；

(2)B收到SMB，向M回复信号SBM，计时TBM；

(3)A收到SMA，向M回复信号SAM，计时TAM；

(4)M收到SBM，SMA，分别结束计时，记录TMB，TMA；

(5)A向B发送信号SAB，开始记录时间TAB；

(6)B收到SAB，向A回复信号SBA，计时TBA；

(7)A收到SBA，结束计时，记录TAB；

(8)M和B分别将时间值TMB，TMA和TBM，TBA包含于信号STM和STB中发送至A。

综合通信基站A利用时间值TAM，TAB，TMB，TMA，TBM，TBA，采用2.3节提出的计时误差抑制算法的距离计算式(13)，计算得出识别卡与综合通信基站距离d1、定位分站的距离d2，确定目标位置。

2.3 计时误差抑制算法

本文在双路WiFi信道+单路光纤信道方法基础上提出计时误差抑制算法。

图4所示的A与B之间的有线信号传输时间计算中，存在以下关系:

(3)

(4)

IEEE802.11规定，设备的时钟频率偏移容限为±25×10-6[14]，因此，存在下面的关系:

(5)

TAB-TBA→

(6)

即

(7)

同理,M与A，B之间的WiFi信号传输时间存在类似关系:

(9)

图3所示方法存在距离之间的关系:

(10)

因此:

(11)

消元变换得:

(12)

计时误差抑制算法的距离计算公式为

(13)

计时误差抑制算法的距离计算式(13)显示，距离计算结果仅与测得的时间值有关，与设备同步时延、计时器频率误差系数、信号处理时延等计时误差无关，计时误差的影响能够被有效抑制。

3 实 验

3.1 计时误差抑制结果

对比1.1，1.2节的方法与2.3节抑制误差算法，对计时误差导致的测距误差进行仿真实验。测试条件:d=400m，同步时延≤1μs，计时器频率偏移不超过±25×10-6[14],处理时延≤4ms(考虑WiFi时延，利用BCM8000WiFi模块多次处理得出参考值)。

计时误差导致的测距误差如图5和表1所示。

表1误差最值
Table1Maximumsandminimumsoferrors

方法误差区间最值1/m误差区间最值2/m单程测距方法-299 2733299 9853双程测距方法-52 770951 4159计时误差抑制算法-0 01660 0174

图5 误差抑制结果Fig.5 Results of error suppression

1000次随机仿真实验结果显示，前两种方法的测距误差分布区间为[-299.273 3 m,299.9853 m],[-52.7709m,51.4159m]，本文提出的计时误差抑制算法的测距误差分布区间为[-0.016 6 m,0.017 4m]，抑制误差效果明显。

3.2 实测实验

采用BCM8000WiFi模块作为信号收发器，FCA3000高分辨率计时器作为计时器，利用高约3 m，宽约4m,长约100m的计算机机房通道模拟巷道环境，BCM8000WiFi模块提供网线接口可直接利用机房的双绞线进行有线连接，每间隔5m进行5次定位测试并取平均值。测试环境如图6所示。

图6 测试环境示意Fig.6 Schematic plan of test environment

准确位置与测试位置对比如图7所示。

实测误差如图8所示。

图7 实测结果Fig.7 Results of tests

图8 实测误差Fig.8 Errors of tests

测试结果显示，定位结果与实际位置误差最大值为-2.4m，平均为0.58m，其中，接近综合通信基站或定位分站时误差相对较大，这是由于本文定位方法忽略煤矿井下巷道侧壁高度和顶底板宽度，将巷道视为一维环境进行目标定位，会对目标定位结果产生一定误差。实测误差小于定位精度，因此误差不会影响系统3 m的定位精度。

3.3 小 结

仿真和实际测试结果显示本文提出的方法，可以实现本文所述指标下的3 m的定位精度。

4 结 论

(1)提出的计时误差抑制算法有效抑制了计时误差对TOA方法用于煤矿井下目标定位造成的误差。

(2)提出的基于计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法在不增加系统复杂度的前提下，具有3 m的定位精度，能够有效实现TOA方法在煤矿井下目标定位中的有效应用。

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TOAundergroundcoalminetargetpositioningmethodbasedonWiFiandtimingerrorsuppression

SUN Ji-ping,LI Chen-xin

(SchoolofMechanicalElectronic&InformationEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083，China)

As the precision of the existing target positioning methods for underground coal mine can not meet the requirements of emergency rescue and operation management of underground personnel as well as the requirements for accurate positioning of the construction of coal mine-related internet of things,a precise positioning method based on TOA(Time of Arrival)was proposed.As for the impact from equipment timing errors upon the target positioning by TOA method and the failure of two-dimensional or three-dimensional error suppression algorithms commonly used on the ground due to the one-dimensional strip distribution in the tunnel,the TOA target positioning method for underground coal mine based on timing error suppression was proposed,to establish the one-dimensional positioning method and signal transceiving timing method with two-way WiFi(Wireless Fidelity)channel+one-way fiber channel,and on such basis,the timing error suppression algorithm was put forward.The test results prove that such algorithm based on the positioning method in this paper effectively suppresses the ranging error caused by the equipment timing error,and the actually-measured error does not affect the positioning accuracy,which verifies the positioning performance of this method.

undergroundcoal mine;target positioning;TOA;WiFi;timing error suppression algorithm

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0082

国家自然科学基金重点资助项目(51134024)；国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2012AA062203)

孙继平(1958—)，男，山西翼城人，博士，教授，博士生导师。Tel:010-62331929，E-mail:sjp@cumtb.edu.cn。通讯作者:李晨鑫， E-mail:cumtblichenxin@126.com

TD655

A

0253-9993(2014)01-0192-06

孙继平，李晨鑫.基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法[J].煤炭学报,2014,39(1):192-197.

Sun Jiping,Li Chenxin.TOA underground coal mine target positioning method based on WiFi and timing error suppression[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):192-197.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0082