基于UWB 技术的矿井人员（设备）精准定位与环境监测综合基站研究

武 枝，王振飞，张效文，张东生，王宗江

（山东正元冶达科技发展有限公司，山东 济南 250000）

1 研究意义

UWB 技术定位技术，能够把测距与定位距离提升到厘米级精度，应用到地下矿山后，能够大幅提升矿山井下人员与关键设备的位置感知能力，基于UWB 技术的矿井人员（设备）精准定位与环境监测综合基站研发，对矿山安全生产、生产调度、灾害救援等方面都能提供很好的技术支撑，同时对提升矿井的管理水平，降低生产成本起到很好的作用。

矿井下作业人员流动性大，如果在事故发生后没有可靠的手段能及时统计井下人员的数量、所在位置和矿井的环境数据，就造成了大量救援时间和救援资源的浪费。通过数据的及时、准确上报，为领导和相关部门进行相关决策提供支持。通过项目的实施和应用，提高了信息化管理水平，为矿山安全提供了一种新思路，具有一定的指导意义。

2 综合基站-主要技术指标

2.1 定位精度

UWB 技术中，采用DW1000 芯片，运用到达时间差（TDOA）与飞行时间（TOF）组合定位方式，可将定位精度提高到0.1-0.15m 的范围。

2.2 穿透能力

UWB 低频分量具有很好的穿透能力，木板，玻璃等遮挡不影响定位精度，穿实体墙一睹信号衰减50%左右，定位精度变差。

2.3 通信能力

一个宽度趋于0 的脉冲会具有无限的带宽，即使UWB 可以把发送信号功率谱密度控制的非常低，仍可实现高达100Mb/s-500Mb/s 的传输速率。由于UWB 使用的频点较高，它的数据传输速率相当高。

2.4 抗干扰能力

UWB 不受高压线，手机信号，电台等电磁信号干扰，也不干扰这些信号。UWB 的超宽带宽，让其携带的信号，能够在更低的SNR 下进行传输。

2.5 系统容量

单区域可以兼容5000个定位标签，最大可以支持1万多个。

2.6 抗多路径能力

带宽越宽，多路劲分辨能力越强，相对获取更高的位置分辨率，因此UWB 的抗多路径能力强。

2.7 能效

UWB 的能效高，UWB 及窄带的信号能量曲线如下，可以看到UWB 的能效比窄带的高很多，这使得UWB可以以相对更低的发射功率，传输更远的距离。

3 技术路线

3.1 UWB 井下无线通信环境的研究

矿山井下巷道墙壁粗糙、巷道弯曲较多，UWB 信号在井下的传播与地面的传播特性存在很大的差异。UWB通信信号会受到如巷道拐弯、巷道倾斜以及巷道分支等的影响，主要选取UWB 井下反射传播特性、UWB 信道的频率色散等特性研究井下影响UWB 通信的因素，并结合现有的IEEE802.15.3a 和IEEE802.15.4a 信道模型研究适合UWB 井下通信的模型。

3.2 抗多径性能优异

UWB 信号由于它极高的频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，不同路径的分辨率可降到ns 量级，对信号多径衰减不敏感，具有优良的抗多径性能。同时定位精度不受粉尘、湿度等条件影响，可以在高电压、强磁场、高湿度条件下使用，因此UWB 无线通信技术较其他无线通信技术更适合矿山特殊环境的应用。

图1 信号多径传输示意图

3.3 受干扰可能性小

采用UWB 超宽带定位技术的系统工作频率在3.5GHz～6.5GHz，与常用的RFID、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、GPS、3G、4G 等均不存在频谱干扰。

3.4 UWB 井下反射传播模型

下图为仿真结果。随UWB 发射脉冲的宽度的增加，图a、图b 和图c 中接收波形的重叠现象是越来越严重的，尤其到了脉宽t。=33as 时，UWB 接收信号的包络叠加情况几乎接近传统窄带通信系统，通信系统的抗多径衰落性能大大下降。因此，要保证UWB 通信系统在矿山井下有效的通信必须要考虑合适的发射脉冲宽带。

图2 接收脉冲

4 平台内容

通过网络连接，可对矿井定位微基站进行控制，能够自动检测巷道里人员经过该监测点的地点信息、时间、人员轨迹等，并可以自动实现考勤的统计与管理；如果发现人员统计异常，系统软件控制矿井中定位微基站自动报警。系统开发了专用的数据库管理系统，包括人员通过巷道的信息采集和统计分析功能，考勤的统计与管理分析功能，显示并打印各种统计报表资料，为管理人员的查询与管理提供全方位的服务。

综合基站主要实现以下功能：

位置服务引擎。位置服务引擎的主要功能是将矿山人员定位系统采集的人员相对方向及距离数据转换为三维坐标。

三维巷道展示。提供矿区巷道的CAD 图纸，对井下巷道进行编辑，生成巷道三维模型，可以直接读取矿山已有的AutoCAD 格式的图纸结合井下巷道三维坐标数据，更加直观的展示精准定位位置。

地图监测。结合地理信息功能，基于巷道空间地图对井下的综合基站等设备的设备名称、精确位置信息进行展示，并展示设备的实时运行状态、井下人员的实际位置及人员数量、超时报警人员数量等，并有人员历史轨迹回放功能。

环境监测。矿山各类环境的监测主要借助于传感器中内置于综合基站的多种的传感器件，可以自动化上传周边环境中湿度、温度等信号。根据环境的变化可上传实时数据，智能传感器件增加环境监测模块部分，可以提高数据采集的质量和效率。在三维平台中管理分析通过智能传感器传输的环境监测数据。

5 创新点

超宽带（UWB）定位技术在室内定位已经成熟，并在工业生产的现场进行了较好的市场推广，基本理论和技术已经成熟，但针对井下复杂多变场景，尚未有成熟可靠的产品，需要对井下潮湿、多尘、地磁场变化复杂的特殊应用场景进行充分的调研、分析，然后进行定制开发。要实现智慧矿山，首当其冲的是要实现矿井下的精准定位系统，然后结合环境监测，最终实现综合基站建设。人员、车辆、设备、传感器的核心数据之一就是位置数据，没有位置数据，这些对象的管理便成了问题。集成创新UWB 融合定位以及环境监测综合基站技术，达到矿井复杂环境下的一维：10cm，二维20cm，三维30cm。并支持10Hz 高频率定位。

上述中我们已经阐述无论是TDOA 还是TOA 算法中，都需要至少三个基站，在巷道中，为了线缆铺设方便、降低施工难度、减少成本我们只能在巷道单边部署基站，但是TDOA 和TOA 的定位算法基础是三个基站以上，针对于上述问题，我们提出单基站双芯片的创新设计理念。

图3 单基站双芯片设计

这种设计方案及保证了本基站中两片DW1000的时钟同步，也最大限度的实现了单边铺设线缆达到精确定位效果。