矿用精确定位系统中单站判断方位的方法

张银

摘 要随着我国煤矿信息化的程度进一步的提高，矿用精确定位系统在煤矿井下的应用逐步普及。目前的主流精确定位系统均采用读卡器对标识卡测距的方式来对标识卡进行精确定位。但是如何准确高效而且经济的判断标识卡的方位是精确定位系统的中的一个难点之一。为了解决该问题，本文提出了一种利用读卡器接收的RSSI值和天线的前后比来判断标识卡方位的方法，并通过实验验证了方法的可行性。该方法相对于传统的双站法，可以节省一半的读卡器，从而减小了系统复杂度和系统造价。

【关键词】精确定位 方位判断

1 前言

煤炭是我国主要的能源之一，我国的煤炭生产主要是井下开采，井下的自然环境复杂，安全生产是我国煤炭开采中的重中之重。因此，煤矿井下人员定位系统得到了广泛的应用。前些年，我国煤矿主要采用的是区域定位系统，该系统只能够监测到矿工在某读卡器覆盖范围内。而随着近年来信息技术的迅速发展，精确定位系统在我国煤矿井下的应用正在逐渐普及。精确定位系统不仅能够监测到矿工所在的区域，还能够监测到矿工距离读卡器的准确距离和方位。精确定位系统的核心技术主要是测距和方位判断。

在地面时，若需要对标识卡进行平面定位则至少需要三个读卡器，三个读卡器分别对标识卡进行测距，再结合读卡器自身的位置坐标，根据毕达哥拉斯定理及相关算法即可得到标识卡的坐标，从而实现定位。

考虑到井下的实际环境多数情况为巷道，即可以简化一维直线模型。即只需要两个读卡器，间距d0为已知，如图1所示，两个读卡器分别对标识卡进行测距，其结果分别为d1和d2，若d2-d1=d0，即可知标识卡在图1中S0位置，反之，若d1-d2=d0，即可知标识卡在图1中S'0位置。该方法可以称为双站法。双站法可以根据读卡器的测距精度情况适当的选择两个读卡器之间的间距d0。但该方法在实际应用中存在供电和布线这两方面问题，读卡器通常采用本安电源供电，负载能力有限，一个布点就有两台读卡器，增加了系统中电源和电缆的数量，因此整个系统的造价相对比较高。因此，研究出一种只用一台读卡器就既能测距又能判断方位的方法就显得非常有必要，这对降低系统成本，优化系统布局和简化系统维护具有重要意义。

2 单站判断方位原理

2.1 RSSI

RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信号的强度指示的简称，是近距无线通信技术，如ZigBee，CDMA等基站侧的常用技术指标，它通常用来判定链接质量。RSSI值越大表示接收信号越强，反之则表示接收信号越弱。

2.2 前后比（front-to-rear ratio）

定向天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0°）的功率通量密度与相反方向附近（规定为180°±20°范围内）的最大功率通量密度之比值，如式（1），其中SF和SB分别表示前向和后向功率密度。它用来衡量定向天线后瓣抑制的好坏，前后比越大表示天线后向辐射（接收）越小。在工程中，天线的方向图通常用对数形式的功率方向图来表示，因此，前后比可简化为方向图前后瓣最大值之差，如式（2）所示，其中PF（dB）和PB（dB）表示前后向最大辐射功率。

（1）

（2）

2.3 基于RSSI和前后比的方位判断原理

该读卡器的基本组成如图2所示，主控制器外接两个测距模块，每个测距模块外各接一个高前后比的定向天線，这两个天线的指向相反。每次测距时，用这两个测距模块分别对标识卡进行测距，由于时间间隔非常短（通常在ms级别，甚至更短），可以认为两次测距时，标识卡状态（发射功率，方位等），传输链路（遮挡，反射折射等）均相同，只有天线的指向不同。显然，理论上，天线正对标识卡的测距模块接收到的RSSI值应比天线背对标识卡的测距模块接收到的RSSI值高一个定值，该定值即为定向天线的前后比。因此，可以通过比较两个测距模块接收到的RSSI值即可判断标识卡的方位。如图3所示，为单个读卡器在巷道中的覆盖范围示意图，实线区域为朝右的定向天线覆盖区域，虚线区域为朝左的定向天线覆盖区域。当标识卡位于Ⅰ区时，即距离较近，两个定向天线前后瓣均能覆盖的重叠区域时，则需比较两个测距模块接收到的RSSI值。若朝右的定向天线的RSSI值大于朝左侧的定向天线的RSSI值，则可以判断标识卡在右侧，反之则可以判断标识卡在左侧。当标识卡位于Ⅱ区和Ⅲ区时，即距离较远时只有正对的定向天线还能够进行测距，背对的定向天线则不能接收到信号或者信号较弱已不能正常测距，此时，则仅仅只有一个定向天线能够对标识卡进行正常测距，标识卡的方位判断就变得相对容易，即哪个定向天线能够对标识卡进行测距则标识卡即在哪一侧，如式（3）所示。在实际应用中，仍然会出现偶然的未知因素，导致方位判断错误，此时，可以采用反复多次测距取RSSI的平均值的方法来提高该方法的准确性。

（3）

3 测试结果

从上述原理可知，选用RSSI稳定性越好，天线的前后比越高，则出现判断错误的概率越小。因此，本文选用了JN5168作为读卡器和标识卡的测距模块，JN5168是一款超低功耗、高性能的无线SOC模块。具有高性能的CPU、超低功耗、大容量存储、优异RF性能等特点。另外，选用了前后比为25dB的八木天线作为读卡器天线。八木天线具有很好的方向性，具有较高的前后比，是该应用理想的天线形式。

为了验证上述方法的有效性，特此加工出了样机进行地面测试。将标识卡分别放置在10m，50m，100m处测试一段时间。测试结果如图4，图中纵坐标表示正反向RSSI值之差，此处的RSSI值为测距模块JN5168寄存器中给出的相对大小，因此均为正值。从结果中可以看出，在距离为10m处，绝大多数数据正反向测距模块均能接收到标识卡信号，正向RSSI值均大于反向RSSI值；在距离为50m处，部分数据双向均能接收到标识卡信号，部分数据只有正向测距模块能接收到标识卡信号；在距离为100m处，可以看到几乎所有的数据均只有正向模块能接收到标识卡信号。在以上三个距离的所有数据中，均能正确的判断出标识卡的方位，达到了验证该方法的基本目的。

4 结论

本文针对精确定位系统中双站法在实际应用中的两方面缺点，提出了一种利用单站即可判断标识卡方位的方法，并通过实测数据验证了该方法可行有效。该方法相对传统的单站法，可以减少系统电缆和本安电源的使用量，从而大大减少系统复杂性和系统造价。对于精确定位系统在我国煤矿中的推广普及有重要意义。

参考文献

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作者单位

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆市 400037