一種抑制巷道nlos時延誤差的toa井下人員定位系統及方法
2023-06-22 00:25:11 1
一種抑制巷道nlos時延誤差的toa井下人員定位系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統及方法，利用人員定位模塊進行TOA測距，測距值經傳輸模塊傳輸至定位伺服器，定位伺服器對測距值進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，估計出人員及定位卡的位置並存儲，並傳輸至監控調度模塊。定位伺服器進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，首先對TOA測距值中的偏差測距值進行判別、捨棄和替換，之後進行濾波處理，在此基礎上採用巷道幾何定位方法進行位置估計，能夠有效消除巷道NLOS時延誤差對TOA定位造成的影響。本發明解決了現有礦井人員定位系統和方法受巷道NLOS時延誤差影響而定位精確不足的問題，且只需對定位過程中的TOA測距數據進行處理，不需要進行大量前期測量工作。
【專利說明】-種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統及方 法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統及方法，具體是 應用於礦井監控與通信領域。
【背景技術】
[0002] 《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"。
[0003] 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。
[0004] 上述系統和方法在實際應用中存在著一定的問題。
[0005] 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定位卡進 行監測，監測到該區域內有某一 ID的定位卡時，讀取該定位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的定位卡所屬工作人員出 現在該區域內。區域定位技術的能夠監測某ID的定位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。
[0006] 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 (Received Signal Strength)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：
[0007] Lb = Lbf+A (dB) = 32. 45+20 Igf (MHz) +20 Igr (km) -Gi (dB) -Ge (dB) +A (dB) (1)
[0008] 式中：f為信號頻率，r為傳輸距離，Gp Gk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。
[0009] 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。
[0010] 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 of Arrival)方法，主要測量信號在發射機和接收機之間的傳播時間。但在煤礦井下的環境復 雜，深部井工開採方式決定了 GPS信號無法到達井下因此GPS方式不可應用於礦井，部分工 作面裡如掘進、採煤工作面中存在機車、架空線、標誌牌、輸送帶等多種設施及設備，均有可 能造成巷道電磁波傳播的NLOS時延，造成TOA定位的誤差，需要加以抑制方能夠保證TOA 定位精度。另一方面，礦井人員定位具有其特殊的特點：
[0011] 1)礦井巷道人員精確定位技術，由於寬度、高度與走向長度相比很小，因此以將巷 道視為一維分布較為符合巷道的實際條件；
[0012] 2)巷道空間有限，定位設備體積應儘量小，定位節點的設置需要儘可能減少數量 和密度；
[0013] 3)由於定位節點數有限，礦井人員定位需要在不超過雙站的定位錨節點情況下完 成對巷道NLOS時延誤差的抑制；
[0014] 4)定位方法及算法的研究需要緊貼礦井實際環境的特點，提出適用於礦井的定位 方法和算法。
[0015] 本發明提出一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統及方法，利用 人員定位模塊進行TOA測距，測距值經傳輸模塊傳輸至伺服器，伺服器對測距值進行抑制 NLOS時延誤差的數據處理，估計出目標節點的位置並存儲，並傳輸至監控調度模塊。抑制 NLOS時延誤差的數據處理對於TOA測距值中的偏差測距值進行判別、捨棄和替換，之後進 行濾波處理，在此基礎上採用巷道幾何定位方法進行位置估計，能夠有效消除巷道NLOS時 延誤差對TOA定位造成的影響，且提出的方法相比地面常用的非視距誤差鑑別抑制方法， 解決了多節點定位方式無法應用於井下特定環境的技術問題，且只需對定位過程中的TOA 測距數據進行處理，不需要依據大量前期測量進行參數設定和資料庫參照進行NLOS時延 誤差的抑制。
【發明內容】
[0016] 本發明提出一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統及方法，利用 人員定位模塊進行TOA測距，測距值經傳輸模塊傳輸至伺服器，伺服器對測距值進行抑制 NLOS時延誤差的數據處理，估計出目標節點的位置並存儲，並傳輸至監控調度模塊。抑制 NLOS時延誤差的數據處理對於偏差測距值進行判別、捨棄和替換，之後進行濾波處理，在此 基礎上採用巷道幾何定位方法進行位置估計，能夠有效消除巷道NLOS時延誤差對TOA定位 造成的影響。以下對本發明加以論述。
[0017] 一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特徵在於，包括以下模 塊：
[0018] 人員定位模塊，包括定位基站、定位卡，用於進行井下人員攜帶的定位卡和定位基 站之間基於TOA技術的測距；
[0019] 定位伺服器，用於接收定位數據，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理、對測量值 以及數據處理中的數據進行存儲，對定位結果進行存儲並傳輸至監控調度模塊；
[0020] 數據傳輸模塊，用於定位數據和調度指令的傳輸；
[0021] 監控調度模塊，用於人員位置監控、發送調度指令；
[0022] 所述人員定位模塊、數據傳輸模塊為本安防爆設備，防爆型式為礦用隔爆兼本質 安全型。
[0023] 一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特徵在於，所述人員 定位模塊中，所述定位基站，作為人員定位檢測的錨節點，設置間距固定，記為d，單位為 米_m ;所述定位卡，由井下人員攜帶，作為人員定位檢測的目標節點；每間隔一個定位檢測 周期進行一次定位，一次定位中定位卡與相鄰的兩個錨節點之間進行TOA測距；定位檢測 周期記為T，單位為秒-S ;
[0024] t時刻定位卡與相鄰的兩個定位基站進行TOA測距，定位卡的ID記為X ;相鄰的兩 個定位基站的1〇分別記為11、11+1，11=1，2,3...;1'(^測距值分別記為(1' !￡11(〇、(1'!￡11+1(〇， 單位為米-m，經數據傳輸模塊上傳至定位伺服器；依此類推，t時刻之前的TOA測距值 分別記為 d ' xn (t-T)、d ' xn (t-2T)、d ' xn (t-3T) · · ·以及 d ' xn+1 (t-T)、d ' xn+1 (t-2T)、 d' xn+1(t-3T)...，單位為米-m;t 時刻之後的 TOA 測距值記為 d' xn(t+T)、d' xn(t+2T)、 d，xn (t+3T) · · ·以及 d，xn+1 (t+T)、d，xn+1 (t+2T)、d，xn+1 (t+3T) · · ·，單位為米-m。
[0025] 一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特徵在於，所述定位服 務器，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，進一步包括以下步驟：
[0026] 步驟 1.在接收到 t+lT 時刻的 TOA 測量值 d' xn(t+lT)、d' xn+1 (t+lT)後，1 = 1， 2,3...，對七時刻1'(^測量值(1'!￡11(〇、(1'!￡11+1(〇進行偏差測量值的判斷、捨棄和替換，處 理後的結果記為d lxn(t)、dlxn+1 (t)，單位為米-m ;依此類推，t時刻之前對TOA測量值進行偏 差測量值的判斷、捨棄、替換處理後的結果分別記為dlxn(t-T)、d lxn(t-2T)、dlxn(t-3T)...以 及dlxn+1 (t-T)、dlxn+1 (t-2T)、dlxn+1 (t-3T)...，單位為米-m ;t時刻之後對TOA測量值進行偏 差測量值的判斷、捨棄、替換處理後的結果分別記為dlxn(t+T)、d lxn(t+2T)、dlxn(t+3T)...以 及 dlxn+1 (t+T)、dlxn+1 (t+2T)、dlxn+1 (t+3T) · · ·，單位為米-m ;
[0027] 步驟2.延時IT以後，對dlxn(t)、dlxn+1(t)進行濾波處理，處理後的結果為d 2xn(t)、 d&n+i⑴，單位為米-m ;
[0028] 步驟3.利用巷道幾何定位方法估計目標節點的位置，得到t時刻定位目標節 點的定位結果，定位結果中定位卡X與定位基站η距離為d xn(t)，與定位基站n+1距離為 dxn+1 (t)，dxn(t)、dxn+1⑴單位均為米-m ;依此類推，t時刻之前的目標節點定位結果中與定 位基站η的距離以及與定位基站n+1的距離分別記為：dxn(t-T)、d xn(t-2T)、dxn(t-3T)...以 及dxn+1 (t-T)、dxn+1 (t-2T)、dxn+1 (t-3T)...，單位為米-m ;t時刻之後目標節點定位結果與定 位基站η距離以及與定位基站n+1距離分別記為dxn(t+T)、d xn(t+2T)、dxn(t+3T)...以及 dxn+1 (t+T)、dxn+1 (t+2T)、dxn+1 (t+3T) · · ·,單位為米-m。
[0029] 一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特徵在於，所述定位服 務器，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，步驟1中對TOA測量值進行偏差測量值的判斷、 捨棄、替換處理，依據以下公式：
[0030]
【權利要求】
1. 一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特徵在於，包括以下模 塊： 人員定位模塊，包括定位基站、定位卡，用於進行井下人員攜帶的定位卡和定位基站之 間基於TOA技術的測距； 定位伺服器，用於接收定位數據，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理、對測量值以及 數據處理中的數據進行存儲，對定位結果進行存儲並傳輸至監控調度模塊； 數據傳輸模塊，用於定位數據和調度指令的傳輸； 監控調度模塊，用於人員位置監控、發送調度指令； 所述人員定位模塊、數據傳輸模塊為本安防爆設備，防爆型式為礦用隔爆兼本質安全 型。
2. 根據權利要求1所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特 徵在於，所述人員定位模塊中，所述定位基站，作為人員定位檢測的錨節點，設置間距固定， 記為d，單位為米-m ;所述定位卡，由井下人員攜帶，作為人員定位檢測的目標節點；每間隔 一個定位檢測周期進行一次定位，一次定位中定位卡與相鄰的兩個錨節點之間進行TOA測 距；定位檢測周期記為T，單位為秒-S ; t時刻定位卡與相鄰的兩個定位基站進行TOA測距，定位卡的ID記為X ;相鄰的兩個 定位基站的1〇分別記為11、11+1，11=1，2,3...;1'(^測距值分別記為(1'!￡1^)、(1' !￡11+1(〇， 單位為米-m，經數據傳輸模塊上傳至定位伺服器；依此類推，t時刻之前的TOA測距值 分別記為 d' xn(t-T)、cT xn(t-2T)、cT xn(t-3T)? ? ?以及 cT xn+1 (t-T)、cT xn+1 (t-2T)、 d' xn+1(t-3T)...，單位為米-m;t 時刻之後的 TOA 測距值記為 d' xn(t+T)、d' xn(t+2T)、 d，xn (t+3T) ? ? ?以及 d，xn+1 (t+T)、d，xn+1 (t+2T)、d，xn+1 (t+3T) ? ? ?，單位為米-m。
3. 根據權利要求2所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特 徵在於，所述定位伺服器，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，進一步包括以下步驟： 步驟1.在接收到t+lT時刻的TOA測量值d' xn(t+lT)、d' xn+1(t+lT)後，1 = 1，2， 3...，對t時刻TOA測量值d' xn(t)、d' xn+1(t)進行偏差測量值的判斷、捨棄和替換，處理 後的結果記為dlxn(t)、dlxn+1 (t)，單位為米-m ;依此類推，t時刻之前對TOA測量值進行偏差 測量值的判斷、捨棄、替換處理後的結果分別記為dlxn(t-T)、dlxn(t-2T)、d lxn(t-3T)...以及 dlm+1 (t_T)、dlxn+1 (t-2T)、dlxn+1 (t-3T)...，單位為米-m ;t時刻之後對TOA測量值進行偏差 測量值的判斷、捨棄、替換處理後的結果分別記為dlxn(t+T)、dlxn(t+2T)、d lxn(t+3T)...以及 dim+i (t+T)、dlxn+1 (t+2T)、dlxn+1 (t+3T) ? ? ?，單位為米-m ; 步驟2.延時IT以後，對dlxn(t)、dlxn+1(t)進行濾波處理，處理後的結果為d 2xn(t)、 d2m+i⑴，單位為米-m ; 步驟3.利用巷道幾何定位方法估計目標節點的位置，得到t時刻定位目標節點的 定位結果，定位結果中定位卡X與定位基站n的距離為dxn(t)，與定位基站n+1的距離為 dxn+1 (t)，dxn(t)、dxn+1⑴單位均為米-m ;依此類推，t時刻之前的目標節點定位結果中與定 位基站n的距離以及與定位基站n+1的距離分別記為：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、d xn(t-3T)...以 及dxn+1 (t-T)、dxn+1 (t-2T)、dxn+1 (t-3T)...，單位為米-m ;t時刻之後目標節點定位結果與定 位基站n距離以及與定位基站n+1距離分別記為dxn(t+T)、dxn(t+2T)、d xn(t+3T)...以及 dxn+1 (t+T)、dxn+1 (t+2T)、dxn+1 (t+3T) ? ? ?,單位為米-m。
4. 根據權利要求3所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特 徵在於，所述定位伺服器，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，步驟1中對TOA測量值進行 偏差測量值的判斷、捨棄、替換處理，依據以下公式：
式中，(11!￡11(1:)、(11!￡11+1(1:)為處理結果,(^為距離變化閾值,單位為米-111,(^ = 2.1\1+3。
5. 根據權利要求3所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其 特徵在於，所述定位伺服器，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，步驟2中延時IT以後，對 dlxn(t)、dlxn+1(t)進行濾波處理，依據以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)為處理結果。
6. 根據權利要求3所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，其特 徵在於，所述定位伺服器，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理，步驟3中，利用巷道幾何定 位方法進行目標節點的位置估計，依據以下公式：
t時刻定位目標節點所在位置為與定位基站n距離為dxn(t)，與定位基站n+1距離為 dm+1(t)的位置。
7. -種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位方法，其特徵在於，應用於一種抑 制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位系統，包括以下模塊： 人員定位模塊，包括定位基站、定位卡，用於進行井下人員攜帶的定位卡和定位基站之 間基於TOA技術的測距； 定位伺服器，用於接收定位數據，進行抑制NLOS時延誤差的數據處理、對測量值以及 數據處理中的數據進行存儲，對定位結果進行存儲並傳輸至監控調度模塊； 數據傳輸模塊，用於定位數據和調度指令的傳輸； 監控調度模塊，用於人員位置監控、發送調度指令； 所述人員定位模塊、數據傳輸模塊為本安防爆設備，防爆型式為礦用隔爆兼本質安全 型； 所述定位基站，作為人員定位檢測的錨節點，設置間距固定，記為d，單位為米-m ;所述 定位卡，由井下人員攜帶，作為人員定位檢測的目標節點；每間隔一個定位檢測周期進行一 次定位，一次定位中定位卡與相鄰的兩個錨節點之間進行TOA測距；定位檢測周期記為T， 單位為秒-S ; 一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位方法，具體包括以下步驟： 步驟I. t時刻定位卡與相鄰的兩個定位基站進行TOA測距，定位卡的ID記為X ;相 鄰的兩個定位基站的ID分別記為n、n+l，n= 1，2,3... ;T0A測距值分別記為d' xn(t)、 d' m+1(t)，單位為米_m，經數據傳輸模塊上傳至定位伺服器；依此類推，t時刻之前 的 TOA 測距值分別記為 cT xn(t-T)、cT xn(t-2T)、cT xn(t-3T)…以及 cT xn+1(t-T)、 d' xn+1(t-2T)、d' xn+1(t-3T).. ?，單位為米-m;t 時刻之後的 TOA 測距值記為 d' xn(t+T)、 d，xn(t+2T)、d，xn(t+3T)…以及 d，xn+1(t+T)、d，xn+1(t+2T)、d，xn+1(t+3T)...，單位為 米-m ; 步驟2.定位伺服器在接收到t+lT時刻的TOA測量值d' xn(t+lT)、d' xn+1 (t+lT)後， 七=1，2,3...，對1'(^測量值(1'!￡11(〇、(1'!￡11+1(〇進行偏差測量值的判斷、捨棄和替換， 存儲處理後的結果，處理後的結果記為dlxn(t)、dlxn+1 (t)，單位為米-m ;依此類推，t時刻 之前對TOA測量值進行偏差測量值的判斷、捨棄、替換處理後的結果分別記為dlxn(t-T)、 dlxn(t-2T)、dlxn(t-3T)…以及 dlxn+1 (t-T)、dlxn+1 (t-2T)、dlxn+1 (t-3T) ? ? ?，單位為米-m ;t 時 刻之後對TOA測量值進行偏差測量值的判斷、捨棄、替換處理後的結果分別記為dlxn(t+T)、 dlxn(t+2T)、dlxn(t+3T)…以及 dlxn+1 (t+T)、dlxn+1 (t+2T)、dlxn+1 (t+3T) ? ? ?，單位為米-m ; 步驟3.延時IT以後，定位伺服器對dlxn(t)、dlxn+1(t)進行濾波處理並存儲處理後的結 果，處理後的結果為d2xn(t)、d2xn+1⑴，單位為米-m ; 步驟4.利用巷道幾何定位方法估計目標節點的位置，得到t時刻定位目標節點的定 位結果並存儲，定位結果中定位卡X與定位基站n的距離為dxn(t)、與定位基站n+1的距離 為dxn+1(t)，dxn(t)、dxn+1(t)單位均為米-m ;依此類推，t時刻之前的目標節點定位結果與 定位基站n距離以及與定位基站n+1距離分別記為：dxn(t-T)、dxn(t-2T)、d xn(t-3T)...以 及dxn+1 (t-T)、dxn+1 (t-2T)、dxn+1 (t-3T)...，單位為米-m ;t時刻之後目標節點定位結果與定 位基站n距離以及與定位基站n+1距離分別記為dxn(t+T)、dxn(t+2T)、d xn(t+3T)...以及 dxn+1 (t+T)、dxn+1 (t+2T)、dxn+1 (t+3T) --?，單位為米-m ; 步驟5.定位伺服器將定位結果傳輸至監控調度模塊。
8.根據權利要求7所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位方法，其特 徵在於，所述步驟2中，對TOA測量值進行偏差測量值的判斷、捨棄、替換處理，依據以下公 式：
式中，(11!￡11(1:)、(11!￡11+1(1:)為處理結果,(^為距離變化閾值,單位為米-111,(^ = 2.1\1+3。
9. 根據權利要求7所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位方法，其特 徵在於，所述步驟3中，延時IT以後，對dlxn(t)、dlxn+1 (t)進行濾波處理，依據以下公式：
式中，d2xn(t)、d2xn+1(t)為處理結果。
10. 根據權利要求7所述的一種抑制巷道NLOS時延誤差的TOA井下人員定位方法， 其特徵在於，所述步驟4中，利用巷道幾何定位方法進行目標節點的位置估計，依據以下公 式：
t時刻定位目標節點所在位置為與定位基站n距離為dxn(t)，與定位基站n+1距離為 dm+1(t)的位置。
【文檔編號】H04W64/00GK104333905SQ201410605133
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】孫繼平, 李晨鑫 申請人:中國礦業大學(北京)