一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統及定位方法

2023-06-19 15:58:56 4

專利名稱：一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統及定位方法
技術領域：
本發明涉及一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統及定位方法，具體是應用於礦井監控與通信領域。
背景技術：
《國家安全生產監督管理總局國家煤礦安全監察局關於建設完善煤礦井下安全避險「六大系統」的通知》(安監總煤裝[2010] 146號)要求建設完善煤礦井下人員定位系統。發揮井下人員定位系統在定員管理和應急救援工作中的作用。「應優先選擇技術先進、性能穩定、定位精度高的產品，確保準確掌握井下人員動態分布情況和採掘工作面人員數量」。目前我國煤礦建設煤礦井下人員定位系統的建設普及情況良好。目前國內採用的系統基本採用有源方式的傳輸網絡結合無線發射器，所採用的礦井人員定位技術主要是區域定位技術和基於接收場強的RSS(Received Signal Strength)方法。上述系統和方法在實際應用中存在著一定的問題。區域定位技術獲取人員位置信息的方式是通過監測站對一定區域內的識別卡進行監測，監測到該區域內有某一 ID的識別卡時，讀取該識別卡信息並將其傳輸至監控室，其位置信息即被記為該監測站的位置信息，即監測結果為該ID的識別卡所屬工作人員出現在該區域內。區域定位技術的能夠監測某ID的識別卡所屬工作人員出現在該區域內，但並不能向監控室提供該工作人員 在該區域的具體位置，如監測站的監測半徑不小於30m，這就意味著區域定位技術的定位精度不大於30m,因此,在特殊情況下,如發生事故後的應急救援過程中，無法確定被困人員的精確位置，就會對救援工作產生不利的影響。另一方面，目前所採用的區域定位技術所監測記錄的井下人員活動路線，是通過井下人員經過的每個監測點的位置進行連線所得出的，從數學語言而言，目前的井下人員活動路線繪圖是離散的，在某種情況下並不能代表井下人員的真實活動路線。此外，如需提高定位精度，需要採用增加監測設備來實現，但是過多增加設備會增大系統負荷和降低系統穩定性。目前我國煤礦採用的精確定位技術主要是基於接收場強的RSS(ReceivedSignalStrength)方法。利用電磁波傳播的信道衰落模型，通過檢測收發信號的場強損耗反推出信號傳輸的距離，根據計算得出相應的人員所在位置。實際當中，電波在巷道中傳播有能量損耗，需要根據空間有損信道傳輸損耗公式進行計算，空間有損信道傳輸損耗公式為Lb = Lbf+A (dB) = 32. 45+201gf (MHz) +20Igr (km) -Gi (dB) -Ge (dB) +A (dB) (I)式中f為信號頻率，r為傳輸距離，Gi, Ge分別為發射天線增益和接收天線增益，Lb為空間有損信號傳輸信號，Lbf為自由空間傳輸損耗，A為巷道的損耗中值Lb。但是，煤礦井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，空間狹小且有風門、機車等阻擋體、巷道傾斜、有拐彎和分支、巷道表面粗糙等，傳輸損耗大，在通信信道中會出現很多不固定、不可預知的損耗因素，巷道損耗中值很難準確地描述巷道無線信道的損耗模型，這是RSS方法的一個主要弊端。另一方面，由於傳輸損耗大，在通信信道中會出現很多不固定、不可預知的損耗因素，在有機車經過或者其他偶然出現時，機車等物體會造成識別系統之間信號傳播的較大損耗，會造成較大的識別誤差；在監測站覆蓋的遠端，甚至會出現漏檢的狀況。作為人員精確位置定位的另一種技術手段，基於到達時間的T0A(Time ofArrival)方法，主要測量信號在發射機和接收機之間的單程傳播時間或者往復傳播時間，前一種方法需要接收機知道信息發出的準確時間，並且接收機具有非常穩定和準確的時鐘；後一種方法不要求發射機和接收機同步，是一種測量時間的方法。TOA方法不是通過計算無線信號損耗來確定人員位置，而是通過測量信號到達時間來測量人員位置，受環境影響相對小，在航空、電信行業中作為人員精確定位的技術手段被廣泛應用，但在煤礦井下的環境複雜，不同於航空、電信行業定位技術的應用環境。目前WiFi (Wireless Fidelity)通信系統在煤礦井下得到了廣泛應用，通信頻率在2. 4GHz，工作頻率高，其網絡結構採用基站+交換機的方式，技術是現在的主流短距離無線通信技術，802.1lg協議的帶寬可達54Mbit/s，抗幹擾能力比較強；設備體積小，成本低，適合用於全礦井移動通信系統，符合煤礦井下人員定位技術的發展方向和應用要求。中國專利申請號200910079144. X，
公開日2009年07月29日，公開了一種TOA估計方法及裝置，該方法包括根據幹擾消除後的NB和本地訓練序列進行信道估計，並生成信道估計值；根據所述信道估計值進行TOA估計，並根據TOA估計結果對當前NB的同步位置進行調整。在進行TOA估計之前，對信號先進行幹擾消除的方式，克服在現有的強幹擾無線環境中由幹擾引起的能量估值的偏差，從而最終影響TOA估計的缺陷。能夠在強幹擾無線環境下能夠獲得更為準確的能量估值，並且無需對搜索窗的調整方法進行調整。中國專利申請號200910237602. 8，
公開日2010年05月05日，公開了一種TOA定位的估計方法及基於該估計方法的精確定位方法。該定位方法包括步驟發射帶定位信息的多載波數位電視信號，定位信息包括發射端的二維或三維坐標位置信息和定位數據，定位數據為已知序列；對接收到的多載波數位電視信號進行時域幀同步，從而得到傳輸時延粗估計值；截取定位數據 ，利用TOA定位估計方法計算得到傳輸時延細估計值，進而得到接收端與發射端間距離的估計值；求出接收端與多個發射端之間距離的估計值之後，根據距離的估計值及二維或三維坐標位置信息利用定位算法計算得到用戶所在位置的二維或三維位置信息及二維或三維速度信息。煤礦井下巷道中，具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，空間狹小且有風門、機車等阻擋體、巷道傾斜、有拐彎和分支、巷道表面粗糙等，傳輸損耗大，在通信信道中會出現很多不固定、不可預知的損耗因素，無法有效進行信號能量估值；同時，煤礦井下巷道呈條狀或帶狀分布，巷道走向長度可達數十公裡，而寬度與高度僅僅可達數米，因此不可作為二維平面或者三維空間進行分析，因此，應用於地面的上述結合能量估值或者以二維平面或者三維空間為定位環境的TOA定位系統和方法不適合直接應用於煤礦井下人員定位。

發明內容
本發明提供了一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統及定位方法，將煤礦井下巷道作為一維通道進行分析，採用WiFi綜合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人員定位卡的系統結構，以及雙路WiFi媒介+單路光纖媒介的模式，利用一條明確參考距離的有線信號路徑和兩條待測距離的無線WiFi信號路徑，進行抑制計時誤差計算，得到準確的人員定位卡與通信基站之間、與定位分站之間的信號傳輸時間，進而得出相關距離，結合綜合通信基站定向天線的接收信號方向獲取人員所在方向，實現煤礦井下人員位置精確定位以下對本發明加以論述。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，包括以下模塊地面監控調度模塊，用於接收通過數據傳輸處理模塊傳輸的井下人員定位模塊的
人員位置信息和身份信息，在煤礦地面工作點對井下人員位置進行監控，在出現事故預警
或報警時發送調度指令由數據傳輸處理模塊傳輸至井下人員定位模塊，對入井人員進行告m.1=I ，數據傳輸處理模塊，用於地面監控調度模塊與井下人員定位模塊間數據的處理、傳輸；井下人員定位模塊，基於WiFi通信系統，利用TOA方法檢測井下工作人員的位置信息，並通過數據傳輸處理模塊與地面監控調度模塊進行數據傳輸，傳輸人員位置信息和身份信息，接收出現事故預警或報警時的調度指令並進行告警；所述井下人員定位模塊、數據傳輸處理模塊所有設備均為本安防爆設備，防爆型式為礦用隔爆兼本質安全型。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述地面監控調度模塊進一步包括監控主機、監控平臺軟體、調度系統軟體；所述數據傳輸處理模塊進一步包括交換機、總線、埋入式光纖傳輸網絡，所述埋入式光纖傳輸網絡作為人員定位信號的有線傳輸媒介，需施工時埋入巷道側壁或底板；所述井下人員定位模塊的定位精度可達到2m以內，進一步包括WiFi綜合通信基站、WiFi定位分站、WiFi人員定位卡。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述WiFi綜合通信基站記為A類錨節點，集成於煤礦井下WiFi通信系統共用，用於煤礦井下WiFi通信系統通信功能與所述一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統定位功能的實現，間隔為一可設置的已知值，記為2d，單位為m-米，進一步包括WiFi通信子站與WiFi定位子站。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述WiFi定位子站，用於接收來自地面監控調度模塊的調度指令，向地面監控調度模塊發送定位人員的位置信息和身份信息；進一步包括電源、2個定向天線、WiFi信號收發器、有線光信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器、告警器；所述2個定向天線，分別向巷道的兩個走向發送和接收WiFi信號實現信號覆蓋，覆蓋距離為已知值d，並判別人員所在方向，與巷道走向相同的天線覆蓋方向記為DPM，與巷道走向相反的天線覆蓋方向記為D_，定位過程中WiFi綜合通信基站接收到WiFi信號的定向天線覆蓋方向即為人員所在位置方向；所述WiFi信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行WiFi信號的發送和接收；所述有線光信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行光信號的發送和接收、接收來自地面監控調度模塊的調度指令並發送告警指令控制告警器告警、向地面監控調度模塊發送人員位置信息和身份信息；所述計時器計為Ca，時
間解析度值T滿足r S用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計 時模式進行計時；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對定向天線覆蓋方向數據、計時器計時數據的處理、按照抑制誤差計算公式進行人員位置的距離計算以及整合方向數據和距離數據生成人員位置信息，並將所述人員位置信息與人員身份信息整合由所述有線光信號收發器發送；所述存儲器，用於運算處理器處理數據存儲；所述告警器，用於接收到來自有線光信號收發器發出的告警指令時，播放告警音進行告警。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述WiFi定位分站用於實現人員定位功能，記為B類錨節點，設置於2個WiFi綜合通信基站距離的中點位置；進一步包括電源、2個定向天線、WiFi信號收發器、有線光信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器；所述2個定向天線，分別向巷道的兩個走向發送和接收WiFi信號實現WiFi信號覆蓋，覆蓋距離為已知值d ;所述WiFi信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行WiFi信號的發送和接收；所述有線光信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行光信號的發送和接收；所述計時器
計為Cb，時間解析度T滿足|xl(T8〃，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號
收發及計時模式進行計時和記錄；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對計時器記錄時間數據的處理；所述存儲器，用於運算處理器處理數據的存儲。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述WiFi人員定位卡，用於人員身份信息的存儲和人員定位功能的實現，記為M類移動節點，進一步包括電源、全向天線、WiFi信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器，集成於煤礦井下WiFi手機或單獨配置；所述全向天線用於所述WiFi人員定位卡的信號傳輸，傳輸距離為已知值d ;所述WiFi信號收發器，用於所述WiFi人員定位卡按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收
發及計時模式進行信號發送與接收；所述計時器計為Cm，時間解析度T滿足rS.xlCTh， 按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行計時和記錄；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對計時器記錄時間數據的處理；所述存儲器，用於人員身份信息的存儲以及運算處理器處理數據的存儲。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式，通過所述M類移動節點與所述A類錨節點之間、與所述B類錨節點之間的兩路WiFi傳輸媒介，所述A類錨節點之間和所述B類錨節點之間一路光纖媒介實現信號傳輸，進一步包括以下步驟步驟1.所述M類移動節點每0. 4s發送WiFi送檢信號Sma和Smb分別至所述A類錨節點和所述B類錨節點，當M類移動節點發出Sma和Smb時，本人次人員定位過程開始，所述計時器Cm開始計時，開始記錄時間值Tma和時間值Tmb,時間值Tma的結束時刻與來自A類錨節點的WiFi應答信號Sam到達時刻有關，時間值Tmb的結束時刻與來自B類錨節點的WiFi應答信號Sbm到達時刻有關；所述Tm、Tmb的單位均為S-秒；步驟2.所述B類錨節點接收到Smb時，由所述計時器Cb開始記錄B類錨節點處理來自M類錨節點的Smb的時延的時間值Tbm，發送Sbm至所述M類移動節點，Sbm發出時所述計時器Cb對時間值Tbm的計時結束，記錄時間值Tbm ;當M類移動節點接收到Sbm時，所述計時器Cm對時間值Tmb的計時結束，記錄時間值Tmb ;所述時間值Tbm單位為S-秒；步驟3.所述A類錨節點接收到Sma時，由所述計時器Ca開始記錄A類錨節點處理來自M類錨節點的Sma的時延的時間值Tam，同時判斷接收到Sma的天線的覆蓋方向信息為Dpm或為D_並記錄；發送Sam至所述M類移動節點，Sam發出時計時器Ca對時間值Tam的計時結束，記錄時間值Tam ；當所述M類移動節點接收到Sam時，所述計時器Cm對時間值Tma計時結束，記錄時間值Tma ;所述A類錨節點在發送Sam後，發送有線檢測信號Sab至記錄方向上的所述B類錨節點，並由所述計時器Ca開始記錄時間值Tab，時間值Tab的結束時刻與來自B類錨節點有線應答信號Sba到達時刻有關；所述時間值Tam與Tab的單位均為S-秒；計時器Cm在對時間值Tma和時間值Tmb計時均完成後，結束本人次人員定位過程內的計時；步驟4.所述B類錨節點接收Sab時，由所述計時器Cb開始記錄對B類錨節點處理來自A類錨節點的Sab的時延的時間值Tba，發送Sba至所述A類錨節點，Sba發出時所述計時器Cb對時間值Tba的計時結束，記錄時間值Tba ;所述A類錨節點接收到Sba時，所述計時器Ca對時間值Tab的計時結束，記錄時間值Tab ;其中所述時間值Tab的單位為S-秒；所述B類錨節點發送有線時間信號Stb至A類錨節點，Stb內容為時間值Tbm、Tba ;當A類錨節點對時間值1 與時間值Tab的計時均結束後，計時器Ca本人次人員定位過程的計時結束；當8類錨節點對時間值Tbm和時間值Tba的計時均結束後，計時器Cb本人次人員定位過程的計時結束，同時B類錨節點本人次人員過程的工作結束；步驟5.所述M類移動節點發送WiFi時間信號Stm至所述A類錨節點，Stm內容為時間值Tm、Tmb以及人員身份信息，M類移動節點本人次人員定位過程的工作結束；步驟6.所述A類錨節點接收到Stb和STM，Stb包含時間值TBM、Tba, Stm包含時間值Tm、Tmb以及人員身份信息，A類錨節點計時器Ca記錄時間值Tam、Tab ;本人次人員定位過程「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收 發及計時模式的工作結束。一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述WiFi綜合通信基
站的定位子站，進行人員位置的距離計算，計算公式為
權利要求
1.一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，包括以下模塊地面監控調度模塊，用於接收通過數據傳輸處理模塊傳輸的井下人員定位模塊的人員位置信息和身份信息，在煤礦地面工作點對井下人員位置進行監控，在出現事故預警或報警時發送調度指令由數據傳輸處理模塊傳輸至井下人員定位模塊，對入井人員進行告警； 數據傳輸處理模塊，用於地面監控調度模塊與井下人員定位模塊之間數據的處理、傳輸;井下人員定位模塊，基於WiFi通信系統，利用TOA方法檢測井下工作人員的位置信息， 並通過數據傳輸處理模塊與地面監控調度模塊進行數據傳輸，傳輸人員位置信息和身份信息，接收出現事故預警或報警時的調度指令並進行告警；所述井下人員定位模塊、數據傳輸處理模塊所有設備均為本安防爆設備，防爆型式為礦用隔爆兼本質安全型。
2.根據權利要求1所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於， 所述地面監控調度模塊進一步包括監控主機、監控平臺軟體、調度系統軟體；所述數據傳輸處理模塊進一步包括交換機、總線、埋入式光纖傳輸網絡，所述埋入式光纖傳輸網絡作為人員定位信號的有線傳輸媒介，需施工時埋入巷道側壁或底板；所述井下人員定位模塊的定位精度可達到2m以內，進一步包括WiFi綜合通信基站、WiFi定位分站、WiFi人員定位卡。
3.根據權利要求2所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於， 所述WiFi綜合通信基站記為A類錨節點，集成於煤礦井下WiFi通信系統共用，用於煤礦井下WiFi通信系統通信功能與所述一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統定位功能的實現，間隔為一可設置的已知值，記為2d，單位為m-米，進一步包括WiFi通信子站與WiFi 定位子站。
4.根據權利要求3所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於， 所述WiFi定位子站，用於接收來自地面監控調度模塊的調度指令，向地面監控調度模塊發送定位人員的位置信息和身份信息；進一步包括電源、2個定向天線、WiFi信號收發器、有線光信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器、告警器；所述2個定向天線，分別向巷道的兩個走向發送和接收WiFi信號實現信號覆蓋，覆蓋距離為已知值d，並判別人員所在方向， 與巷道走向相同的天線覆蓋方向記為Dpm,與巷道走向相反的天線覆蓋方向記為D_,定位過程中WiFi綜合通信基站接收到WiFi信號的定向天線覆蓋方向即為人員所在位置方向； 所述WiFi信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行WiFi信號的發送和接收；所述有線光信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行光信號的發送和接收、接收來自地面監控調度模塊的調度指令並發送告警指令控制告警器告警、向地面監控調度模塊發送人員位置信息和身份信息；所述計時器計為Ca，時間解析度值τ滿足『<|\10'%，用於按照「雙路們？1媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行計時；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對定向天線覆蓋方向數據、計時器計時數據的處理、按照抑制誤差計算公式進行人員位置的距離計算以及整合方向數據和距離數據生成人員位置信息，並將所述人員位置信息與人員身份信息整合由所述有線光信號收發器發送；所述存儲器，用於運算處理器處理數據存儲；所述告警器，用於接收到來自有線光信號收發器發出的告警指令時，播放告警音進行告警
5.根據權利要求2所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於， 所述WiFi定位分站用於實現人員定位功能，記為B類錨節點，設置於2個WiFi綜合通信基站距離的中點位置；進一步包括電源、2個定向天線、WiFi信號收發器、有線光信號收發器、 計時器、運算處理器、存儲器；所述2個定向天線，分別向巷道的兩個走向發送和接收WiFi 信號實現WiFi信號覆蓋，覆蓋距離為已知值d ;所述WiFi信號收發器，用於按照「雙路WiFi 媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行WiFi信號的發送和接收；所述有線光信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行光信號的發送和接收；所述計時器計為Cb,時間解析度τ滿足用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行計時和記錄；所述運算處理器，工作頻率高於 150MHz，用於對計時器記錄時間數據的處理；所述存儲器，用於運算處理器處理數據的存儲。
6.根據權利要求2所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於， 所述WiFi人員定位卡，用於人員身份信息的存儲和人員定位功能的實現，記為M類移動節點，進一步包括電源、全向天線、WiFi信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器，集成於煤礦井下WiFi手機或單獨配置；所述全向天線用於所述WiFi人員定位卡的信號傳輸，傳輸距離為已知值d ;所述WiFi信號收發器，用於所述WiFi人員定位卡按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行信號發送與接收；所述計時器計為Cm，時間解析度τ滿足r S * X 10.%，按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行計時和記錄；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對計時器記錄時間數據的處理；所述存儲器，用於人員身份信息的存儲以及運算處理器處理數據的存儲。
7.根據權利要求4至6中任一權利要求所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於，所述「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式，通過所述M類移動節點與所述A類錨節點之間、與所述B類錨節點之間的兩路WiFi傳輸媒介，所述A類錨節點之間和所述B類錨節點之間一路光纖媒介實現信號傳輸，進一步包括以下步驟步驟1.所述M類移動節點每O. 4s發送WiFi送檢信號Sma和Smb分別至所述A類錨節點和所述B類錨節點，當M類移動節點發出Sma和Smb時，本人次人員定位過程開始，所述計時器Cm開始計時，開始記錄時間值Tma和時間值Tmb,時間值Tma的結束時刻與來自A類錨節點的WiFi應答信號Sam到達時刻有關，時間值Tmb的結束時刻與來自B類錨節點的WiFi應答信號Sbm到達時刻有關；所述Tm、Tmb的單位均為S-秒；步驟2.所述B類錨節點接收到Smb時，由所述計時器Cb開始記錄B類錨節點處理來自 M類錨節點的Smb的時延的時間值TBM，發送Sbm至所述M類移動節點，Sbm發出時所述計時器 Cb對時間值Tbm的計時結束，記錄時間值Tbm ;當M類移動節點接收到Sbm時，所述計時器Cm 對時間值Tmb的計時結束，記錄時間值Tmb ;所述時間值Tbm單位為S-秒；步驟3.所述A類錨節點接收到Sma時，由所述計時器Ca開始記錄A類錨節點處理來自 M類錨節點的Sma的時延的時間值TAM，同時判斷接收到Sma的天線的覆蓋方向信息為Dpro或為D_並記錄；發送Sam至所述M類移動節點，Sam發出時計時器Ca對時間值Tam的計時結束， 記錄時間值Tam ;當所述M類移動節點接收到Sam時，所述計時器Cm對時間值Tma計時結束， 記錄時間值Tma ;所述A類錨節點在發送Sam後，發送有線檢測信號Sab至記錄方向上的所述 B類錨節點，並由所述計時器Ca開始記錄時間值TAB，時間值Tab的結束時刻與來自B類錨節點有線應答信號Sba到達時刻有關；所述時間值Tam與Tab的單位均為S-秒；計時器Cm在對時間值Tma和時間值Tmb計時均完成後，結束本人次人員定位過程內的計時；步驟4.所述B類錨節點接收Sab時，由所述計時器Cb開始記錄對B類錨節點處理來自 A類錨節點的Sab的時延的時間值TBA，發送Sba至所述A類錨節點，Sba發出時所述計時器Cb 對時間值Tba的計時結束，記錄時間值Tba ;所述A類錨節點接收到Sba時，所述計時器Ca對時間值Tab的計時結束，記錄時間值Tab ;其中所述時間值Tab的單位為S-秒；所述B類錨節點發送有線時間信號Stb至A類錨節點，Stb內容為時間值TBM、Tba ;當A類錨節點對時間值Tam 與時間值Tab的計時均結束後，計時器Ca本人次人員定位過程的計時結束；當B類錨節點對時間值Tbm和時間值Tba的計時均結束後，計時器Cb本人次人員定位過程的計時結束，同時 B類錨節點本人次人員過程的工作結束；步驟5.所述M類移動節點發送WiFi時間信號Stm至所述A類錨節點，Stm內容為時間值TM、Tmb以及人員身份信息，M類移動節點本人次人員定位過程的工作結束；步驟6.所述A類錨節點接收到Stb和STM, Stb包含時間值TBM, Tba, Stm包含時間值TM、 Tmb以及人員身份信息，A類錨節點計時器Ca記錄時間值TAM、Tab ;本人次人員定位過程「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式的工作結束。
8.根據權利要求7所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，其特徵在於， 所述WiFi綜合通信基站的定位子站，進行人員位置的距離計算，計算公式為
9.一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位方法，其特徵在於，應用於基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統，所述基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統包括地面監控調度模塊，用於接收通過數據傳輸處理模塊傳輸的井下人員定位模塊的人員位置信息和身份信息，在煤礦地面工作點對井下人員位置進行監控，在出現事故預警或報警時發送調度指令由數據傳輸處理模塊傳輸至井下人員定位模塊，對入井人員進行告警； 數據傳輸處理模塊，用於地面監控調度模塊與井下人員定位模塊之間數據的處理、傳輸;井下人員定位模塊，基於WiFi通信系統，通過TOA技術檢測井下工作人員的位置信息， 並通過數據傳輸處理模塊與地面監控調度模塊進行通信，傳輸人員位置信息和身份信息， 接收出現事故預警或報警時的調度指令並進行告警；所述井下人員定位模塊、數據傳輸處理模塊所有設備均為本安防爆設備，防爆型式為礦用隔爆兼本質安全型；所述井下人員定位模塊，包括WiFi綜合通信基站，記為A類錨節點，集成於煤礦井下WiFi通信系統共用，用於煤礦井下WiFi通信系統通信功能與所述基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統定位功能的實現，間隔為一可設置的已知值，記為2d，單位為m-米，進一步包括WiFi通信子站與WiFi定位子站；WiFi定位子站接收來自地面監控調度模塊的調度指令，向地面監控調度模塊發送定位人員的位置信息，進一步包括電源、2個定向天線、WiFi信號收發器、有線光信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器、告警器；所述2個定向天線，分別向巷道的兩個走向發送和接收WiFi信號實現信號覆蓋，覆蓋距離為已知值d，並判別人員所在方向，與巷道走向相同的天線覆蓋方向記為DPM，與巷道走向相反的天線覆蓋方向記為D_，定位過程中WiFi綜合通信基站接收到WiFi信號的定向天線覆蓋方向即為人員所在位置方向；所述WiFi信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行WiFi信號的發送和接收；所述有線光信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行光信號的發送和接收，接收來自地面監控調度模塊的調度指令，向地面監控調度模塊發送定位人員的位置信息和身份信息；所述計時器計為Ca，時間解析度τ滿足r <|x10-85，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行計時；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對定向天線覆蓋方向數據、計時器計時數據的處理、按照抑制誤差計算公式進行人員位置的距離計算以及整合方向數據和距離數據的生成人員位置信息，整合人員位置信息和身份信息並由有線光信號收發器發送；所述存儲器，用於運算處理器處理數據存儲；所述告警器，用於接收告警音指令並播放告警音進行告警； WiFi定位分站，用於實現人員定位功能，記為B類錨節點，設置於2個WiFi綜合通信基站距離的中點位置；進一步包括電源、2個定向天線、WiFi信號收發器、有線光信號收發器、 計時器、運算處理器、存儲器；所述2個定向天線，分別向巷道的兩個走向發送和接收WiFi 信號實現WiFi信號覆蓋，覆蓋距離為已知值d;所述WiFi信號收發器，用於按照「雙路WiFi 媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行WiFi信號的發送和接收；所述有線光信號收發器，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行光信號的發送和接收；所述計時器計為Cb，時間解析度τ滿足Γ^|χ10'8〃，用於按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信`號收發及計時模式進行計時和記錄；所述運算處理器，工作頻率高於 150MHz，用於對計時器記錄時間數據的處理；所述存儲器，用於運算處理器處理數據的存WiFi人員定位卡，用於人員身份信息的存儲和人員定位功能的實現，記為M類移動節點，包括電源、全向天線、WiFi信號收發器、計時器、運算處理器、存儲器，可集成於煤礦井下 WiFi手機,也可單獨配置；所述全向天線，用於所述WiFi人員定位卡的信號傳輸，傳輸距離為已知值d ;所述WiFi信號收發器，用於所述WiFi人員定位卡按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行信號發送與接收；所述計時器，計為CM，時間解析度τ滿足r <|xlO-S，按照「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行計時和記錄；所述運算處理器，工作頻率高於150MHz，用於對計時器記錄時間數據的處理；所述存儲器，用於人員身份信息的存儲以及運算處理器處理數據的存儲；該定位系統，按照以下步驟進行人員定位步驟A.所述M移動節點、所述A類錨節點、所述B類錨節點進行「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式進行信號發送、接收及相關的時間值計時，所述A類錨節點還需記錄其接收來自M類移動節點信號的天線的覆蓋方向信息；步驟B.所述A類錨節點對相關時間值，利用本發明提出的抑制TOA測距誤差的距離計算方法的計算公式得出所述M類移動節點至A類錨節點的距離值dm和M類移動節點至所述B類錨節點的距離值dm ;所述距離值dM、(Imb的單位均為m-米；M類移動節點即WiFi人員定位卡的持卡人員所在位置為該段巷道內，所述步驟A所記錄的方向上，距離所述A類錨節點的距離為dM，距離所述B類錨節點的距離為CL的位置；步驟C.所述A類錨節點將檢測到所述M類移動節點的位置信息和身份信息通過所述數據傳輸處理模塊進行處理傳輸至地面監控調度模塊，地面監控調度模塊對本人次人員位置信息和身份信息進行顯示、記錄、存儲及相關調度管理工作，本人次人員定位結束。
10.根據權利要求9所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位方法，其特徵在於， 所述M移動節點、A類錨節點、B類錨節點進行信號發送、接收及相關的時間值計時的「雙路 WiFi媒介+單路光纖媒介」方式，通過所述M類移動節點與所述A類錨節點之間、與所述B 類錨節點之間的兩路WiFi傳輸媒介，所述A類錨節點之間和所述B類錨節點之間一路光纖媒介實現信號傳輸，進一步包括以下步驟步驟Al.所述M類移動節點每O. 4s發送WiFi送檢信號Sma和Smb分別至所述A類錨節點和所述B類錨節點，當M類移動節點發出Sma和Smb時，本人次人員定位過程開始，所述計時器Cm開始計時，開始記錄時間值Tma和時間值Tmb,時間值Tma的結束時刻與來自A類錨節點的WiFi應答信號Sam到達時刻有關，時間值Tmb的結束時刻與來自B類錨節點的WiFi應答信號Sbm到達時刻有關；所述Tm、Tmb的單位均為S-秒；步驟A2.所述B類錨節點接收到Smb時，由所述計時器Cb開始記錄B類錨節點處理來自M類錨節點的Smb的時延的時間值TBM，發送Sbm至所述M類移動節點，Sbm發出時所述計時器Cb對時間值Tbm的計時結束，記錄時間值Tbm ;當M類移動節點接收到Sbm時，所述計時器 Cm對時間值Tmb的計時結束，記錄時間值Tmb ;所述時間值Tbm單位為S-秒；步驟A3.所述A類錨節點接收到Sma時，由所述計時器Ca開始記錄A類錨節點處理來自M類錨節點的Sma的時延的時間值TM，同時判斷接收到Sma的天線的覆蓋方向信息為Dpm 或為D_並記錄；發送Sam至所述M類移動節點，Sam發出時計時器Ca對時間值Tam的計時結束，記錄時間值Tam ;當所述M類移動節點接收到Sam時，所述計時器Cm對時間值Tma計時結束，記錄時間值Tma ;所述A類錨節點在發送Sam後，發送有線檢測信號Sab至記錄方向上的所述B類錨節點，並由所述計時器Ca開始記錄時間值TAB，時間值Tab的結束時刻與來自B類錨節點有線應答信號Sba到達時刻有關；所述時間值Tam與Tab的單位均為S-秒；計時器Cm在對時間值Tma和時間值Tmb計時均完成後，結束本人次人員定位過程內的計時；步驟A4.所述B類錨節點接收Sab時，由所述計時器Cb開始記錄對B類錨節點處理來自 A類錨節點的Sab的時延的時間值TBA，發送Sba至所述A類錨節點，Sba發出時所述計時器Cb 對時間值Tba的計時結束，記錄時間值Tba ;所述A類錨節點接收到Sba時，所述計時器Ca對時間值Tab的計時結束，記錄時間值Tab ;其中所述時間值Tab的單位為S-秒；所述B類錨節點發送有線時間信號Stb至A類錨節點，Stb內容為時間值TBM、Tba ;當A類錨節點對時間值Tam與時間值Tab的計時均結束後，計時器Ca本人次人員定位過程的計時結束；當B類錨節點對時間值Tbm和時間值Tba的計時均結束後，計時器Cb本人次人員定位過程的計時結束，同時 B類錨節點本人次人員過程的工作結束；步驟A5.所述M類移動節點發送WiFi時間信號Stm至所述A類錨節點，Stm內容為時間值TM、Tmb以及人員身份信息，M類移動節點本人次人員定位過程的工作結束；步驟A6.所述A類錨節點接收到Stb和STM，Stb包含時間值TBM、TBA, Stm包含時間值TM、 Tmb以及人員身份信息，A類錨節點計時器Ca記錄時間值TAM、Tab ;本人次人員定位過程「雙路WiFi媒介+單路光纖媒介」信號收發及計時模式的工作結束。
11.根據權利要求10所述的一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位方法，其特徵在於，所述抑制TOA測距誤差的距離計算方法的計算公式為
全文摘要
本發明公開了一種基於TOA的煤礦井下WiFi人員定位系統及定位方法，屬於礦井監控與通信領域。井下人員定位模塊採用WiFi綜合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人員定位卡的系統結構，利用一路有線信號媒介和兩路無線WiFi信號媒介測量信號在人員定位卡與通信基站之間、與定位分站之間的傳輸時間，進行抑制計時誤差計算，得到準確的距離值，利用接收信號的定向天線覆蓋方向獲取人員方向，實現煤礦井下人員位置準確定位。本發明以不增加設備數量和密度為前提，集成於煤礦井下WiFi綜合通信系統中實現煤礦井下人員準確定位，解決了現有煤礦井下人員定位系統提高人員定位準確性的難題及與通信系統分立管理的問題。
文檔編號H04W64/00GK103052153SQ20121058383
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者孫繼平, 李晨鑫 申請人:中國礦業大學(北京)