[实用新型]煤矿井下超宽带定位系统

说明书

技术领域

本实用新型属于定位技术领域，具体地说是涉及一种煤矿井下超宽带精确定位系统。

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。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，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，地面成熟的定位技术无法直接应用于井下。

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。

超宽带技术采用极宽的频谱或极窄脉冲传送信息，具有很强的时间分辨能力，特别在使用基于到达时间的定位方法时能达到很高的精度，相对红外、超声波、蓝牙等方法，不需要产生正弦载波，结构简单、实现成本低；超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，抗干扰能力强；超宽带系统使用脉冲的持续时间一般在0.20ns～2ns之间，有很低的占空比，在高速通信时系统的耗电量仅为几百uW至几十mW，功耗低。而且井下封闭环境不受频率使用的限制。因此，基于超宽带的定位技术也应该非常适合在煤矿井下使用。

现有的超宽带定位系统大都采用单一的基于时间定位方法，或者结合基于时间和基于角度的定位方法。但巷道内存在大量的水汽、粉尘等，发射天线发出的每一个脉冲都会发生反射、散射、绕射等现象，沿着不同的路径到达接收端，这就给定位时间参数的测算带来很大的困难。不仅如此，由于巷道的几何形状的约束和定位成本的限制，定位参考节点不能在一个平面空间内随机的、密集的部署，只能沿巷道方向部署，而单一的基于时间的定位方法的精确度要求至少三个以上的参考点才能保证。此外，基于到达角度定位法需要是由阵列天线，系统设备比较昂贵、复杂，设备体积比较庞大，不适合矿井巷道使用。所以，地面现有的超宽带定位系统不能直接应用于矿井巷道。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述不足之处，特别是为解决目前矿井定位系统覆盖范围小、抗干扰能力差、定位精确度低、巷道中定位参考点的布置数量及布置密度受限、矿井定位设备体积受限，超宽带信号在矿井巷道中传输时多径效应严重等问题。本实用新型提供一种精确实时的煤矿井下超宽带定位系统。该系统充分利用超宽带技术抗干扰能力强、定位精确、系统设备结构简单、功耗低等特点，并结合矿井巷道实际工作环境，利用有限的参考点，实现实时精确地目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：