基于UWB的矿井人员定位系统设计

杨楠

摘 要：矿产资源开采是一个高危的行业，环境复杂的矿下，存在着严重的安全隐患。设计一种稳定、精确的矿井人员定位系统，对于提高矿下工作人员管理及应急救援水平是十分必要的。针对矿井环境复杂的特点，合理安排系统结构，设计一种基于UWB的矿井人员定位系统。根据井下人员身上佩戴的电子标签发送的信号，利用TDOA的定位算法计算人员精确位置信息。经实验证明，本系统具有稳定和定位精确的特点，满足矿下人员定位的要求。

关键词：人员定位系统；UWB；电子标签；TDOA

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

我国是一个矿产资源大国，已探明的矿产资源总量占世界总量的12%，因此矿产开采有力地支撑了国民经济的发展。但是由于矿产开采业的特殊性，使之成为一个高危的行业。矿井灾难随时都会发生，威胁着矿产开采人员的生命安全。除了采取安全保障措施外，还需要制定及时营救措施，其中矿井人员位置的精确定位是营救被困人员的一个最重要信息[1]。

随着无线传感网络（Wireless sensor network，WSN）定位技术[2，3]的发展，国内外均采用该技术解决矿井人员定位问题。无线传感器网络定位技术根据定位时是否需要距离和角度信息，可分为测距和非测距两类[4，5]。测距定位算法主要有到达时间（TOA）、到达角度（AOA）、接收信号强度（RSSI）和到达时间差（TDOA）等[6]。然而在复杂的矿井环境下，有的方法不能够发挥本身的优点而得到理想的测量结果。对于井下人员定位，开始采用了IC卡和红外线编码等技术，但是这些技术只能实现简单的人员考勤管理，地面无法获取井下人员位置信息。无线采集、有线传输的井下人员定位方式是现阶段该应用研究的一个方向。

针对当前WSN定位算法在环境复杂矿井人员定位过程存在的缺陷，为提高矿井人员定位精度，提出一种基于UWB[7]的矿井人员定位系统。充分利用UWB的功能与特点，采用TDOA定位算法得到矿井人员具体位置信息。通过实验证明该矿井人员定位方法稳定性好、定位精度高。

1 定位系统关键技术

1.1 信号调制

本文的UWB脉冲信号是一种高斯脉冲信号，其时域波形表达式如下：

（1）

UWB系统单脉冲的频谱在低频段分量很丰富，常与现有系统共享极宽的带宽，有可能对现有系统产生干扰。在无载波UWB系统中，可以采用高斯脉冲的各阶导数来产生波形，通过频谱搬移改变频谱结构，来满足FCC的功率限制和频谱要求。求导的阶数越高，对其他系统的干扰就越小。根据本系统的应用特点，高阶高斯比一阶高斯会有更好的窄脉冲波形。当数据速率一定时，为了进一步提高UWB传输距离，增加发射功率。

为了产生UWB信号，发射时域上很短的脉冲 （0.1～0.5ns）产生很宽的频谱。通过对信息数据符号对产生的脉冲进行脉冲幅度调制（PAM）调制，还要用伪随机噪声（PN）对数据符号进行编码已形成信号频谱。

1.2 信号同步

信号的同步分为捕获和跟踪两个阶段。UWB脉冲信号具有持续时间短的特点，且信号功率较低，因此同步捕获信号和跟踪信号变得较为困难。在捕获阶段，接收机快速搜索信号到达时间，并根据搜索结果调整接收机定时，其目的是使本地参考信号与接收信号的相位差小于一定范围，使接收机可以在一定程度上解调信号；在跟踪阶段，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步，其目的是使本地参考信号与接收信号的相位差进一步减小。

1.3 定位技术

UWB具有定位精度高、可靠性高和低归功耗的优点。在UWB中，通过获取TDOA[8]的测量值，构成关于电子标签位置的圆周曲线方程组，求解该方程组得到具体位置信息。具体是发射节点发射两种不同频率的无线信号，接收节点根据接收到两种信号间的时间差来计算两个节点之间的距离。TDOA技术采用了AOA中的OWR（One Way Ranging，OWR）技术，其具有测量误差小、对硬件和成本要求低的特点。

2 系统结构及设计

2.1 系统构成

UWB无线定位系统网络结构如图1所示，主要由定位传感器，网络交换机，服务器，网线等部分组成。

定位传感器是用来接收定位标签发出的信号而对标签进行定位，多个定位传感器之间需要有网络和时间同步连接线。多个定位传感器构成传感器定位单元，每个单元有主从传感器之分。其中，主传感器通过时间同步线向从传感器发送时间同步信号。传感器接收到的定位标签信息通过网络数据线传送给UWB平台，计算后得到定位标签的精确位置信息。

图1 UWB无线定位系统网络结构如图

定位标签、主从传感器、POE交换机、DHCP服务器和UWB定位平台构成超宽带无线定位网络。定位平台可以是任何计算机设备，DHCP服务器的作用是给每一个传感器分配一个IP地址，用于区分主从传感器并用于传感器之间的信号同步。

2.2 TDOA定位算法

比较多种测距定位算法后，本文选择了定位时间差（TDOA）定位算法，与到达时间（AOA）算法类似，只是测量的是时间差，利用如图2所示的双曲线交叉进行定位。

图2 TDOA方式下传感器和定位目标的几何关系

定位标签发送UWB信号给定位单元，多个定位单元之间以及单个定位单元内部接收到信号，并开始同步信号，最后估算出标签的位置数据并出送给定位平台，定位传感器之间都是通过同步信号线来同步信号。

2.3 传感器定位单元安装

由于矿井环境复杂，单个定位单元不能够覆盖整个矿井，故需要多个定位单元结合联合定位，如图3所示。单个UWB定位单元传感器之间的时间同步线连接是有一定的规则的。一个典型的定位单元是10～30 m的矩形场所，两个传感器就可以定位标签位置，考虑到鲁棒性选择每个单元安置四个传感器。一个传感器需要被设置为时间源，即主传感器。时间信号通过同一单元的同步线传播到每个传感器。单个单元之间的时间同步线可以采用此图所示的星形连接，也可以采用环形连接。多个定位之间也需要一根时间同步线来连接，要确保各单元之间只有一根连线。可以从单元1中的任意一个连接到单元2中的任意一个，但是时间信号必须从被连接的传感器的右上角输入。我们选择第一个单元的主传感器为整个定位系统时间源。

图3 多个定位单元联合定位

3 结 语

矿井人员定位是矿井工作人员安全的保证，不仅可以合理调配井下工作人员，而且能够在发生矿难事故时，及时准确地定位被困人员而对其进行营救。

本文重点研究了UWB定位技术中的信号调制、信号同步和测距定位技术，定位单元的合理安排布放及网络系统的合理设计保证了本系统的高精度性和高稳定性。通过矿井实地验证，本文设计的基于UWB的矿井人员定位系统定位精度高、可靠性好，为矿井人员定位问题提出了新的解决方案。

参考文献

[1]华钢，周磊，任凯.地下煤矿人员定位跟踪系统发展综述[J].矿山机械，2008，36（6）：36-39.

[2] 赵俊. 基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统[D]. 镇江：江苏大学， 2007.

[3] 孙利民， 李建中， 陈渝， 等. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[4]刘晓文，王振华，王书涵，等.基于RSSI算法的矿机无线定位技术研究[J].煤矿机械，2009，30（3）：59-60.

[5] 田丰.基于Zigbee技术的煤矿井下GIS辅助定位算法[J].煤炭学报，2008，3（12）：1442-1446.

[6]于宁，万江文，吴银峰.无线传感器网络定位算法研究[J].传感技术学报，2007，20（1）：187-192.

[7]王秀贞.超宽带无线通信及其定位技术研究[D].上海：华东师范大学，2009.

[8]James J，Caffery J R.Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems[M]. Kluwer Acadamic Publishers，2000.