[发明专利]煤矿井下超宽带定位方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种定位方法及系统，具体地说，是涉及一种煤矿井下超宽带精确定位方法及系统。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，但由于我国的煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，开采技术水平相对落后，生产人员素质较低，导致我国煤矿生产的事故频发，煤矿安全问题严重制约了我国煤炭工业的健康发展。一旦发生事故，地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。因此有必要研究煤矿井下目标精确定位方法与系统，这是矿井安全生产的重要保障和应急救援必要手段，同时对提高生产效率、保障井下人员的安全、灾后及时施救与自救都具有十分重要的意义。

我国煤矿井下是一个特殊的受限环境，它是由各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道组成，其长度可达几十到上百公里，且在工作面处巷道的长度是变化的，因此矿井巷道目标定位同一般建筑物内、公路、铁路隧道等限定空间的目标定位相比，其服务半径较大。煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，因此，定位设备必须是防爆型电气设备，并宜采取安全性能好的本质安全型防爆措施。无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。矿井巷道空间狭小，定位设备的体积、特别是天线体积不能很大。本质安全型防爆电气设备的最大输出功率为25W左右，为将矿井定位设备制成本质安全型防爆电气设备，设备的发射功率一般较小。由于巷道相对密闭，不能借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下定位。由此可见，地面成熟的定位方法无法直接应用于井下。

目前定位方法主要分为三类：接近式定位、推算定位和无线电定位。前两种方法是基于非测距的定位方法，而无线定位算法是基于测距的定位方法，它通过测量节点间距离或角度信息计算节点位置，更具可靠性。无线电定位又可以分为卫星无线电定位和地面无线电定位。卫星定位则利用GPS、GLNOASS、伽利略、我国的北斗双星等卫星系统的多个卫星实现移动目标的三维位置定位；地面无线定位是通过测量无线电波从发射机到接收机的参数来实施移动目标的定位。传统的无线电定位方法，按照所检测的特征测量值的不同，分为以下几种：到达角度定位(AOA)，接收信号强度定位法(RSS)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。RSS是测量接收信号的强度值，然后根据已知的信道衰落模型及发射信号场强值来测算参考点与目标点之间的距离，进而实现定位。TOA就是测量出两个(或多个)已知参考点与目标点之间的信号传播时间，分别得出目标点与参考点之间的距离，然后以各参考点位置为圆心，以测得的距离为半径画圆，可以得到两个(或多个)圆，这些圆的交点从理论上讲就应该是目标节点在二维平面的位置。TDOA采用了测量目标点发射信号到达两不同已知参考点接收机的时间差来实现定位。通过测量出两个参考点和目标点之间的到达时间的差值，从而得出目标点与参考点之间的距离。AOA是利用参考点接收机上的阵列天线来测量目标点发射机到达信号的角度来实现定位的。

上述方法可以利用不同媒介来实现。目前，我国的井下人员无线定位系统主要以射频识别RFID或PHS技术来实现，它是一种二级集散式的监测系统实现对井下人员位置监测，显示人员身份等信息。国内外针对煤矿井下的定位方法及系统还有：WiFi、ZigBee，以及红外、超声波、蓝牙等。但上述方法和系统都存在这以下问题：RFID方法信号不稳定，漏读本身决定了定位精度取决于基站的密度，这就限制了定位精度的提高；红外线穿透性差，只适合短距离传输，且容易被荧光灯或直射光干扰；超声波在多径环境下效果差；无线局域网技术要求被定位的物体必须支持无线局域网，且定位精度低；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；基于Zigbee、WiFi等技术的计算电磁波能量的定位系统，目前国内已有相关产品出现，如KJ361等，由于这些技术自身的特点决定，在用于位置检测时这类系统难以达到很好的精度，基于Zigbee、WiFi等技术的定位系统在地面室内环境的应用情况也不理想。