[实用新型]基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种矿用人员定位系统，具体地说，是涉及一种基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统。 

背景技术

煤炭是我国的重要能源，约占一次能源的70％，在我国95％以上的煤矿是井工开采。由于科学技术水平相对较低、管理不善等原因，煤矿一直是高危行业，频发的矿难严重制约了我国煤炭事业的健康发展，其所造成的生命财产损失及由此社会影响也是难以估量的。矿井人员定位系统是矿井安全生产的重要保障和应急救援必要手段，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。目前煤炭行业的热点话题煤炭物联网的发展也依赖于煤矿井下目标定位技术的进步，需要很好的目标定位作基础。 

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。而且矿井巷道空间狭小，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，设备功率需满足井下防爆的要求。同时由于巷道相对密闭，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。因此要建立一套适合煤矿井下无线传输环境的目标定位体系。 

地下空间定位原理与室内定位相似，它利用位置固定的无线电发射基站替代卫星，在地下封闭空间中进行局部测量，建立局域坐标体系；地下定位目标通过与基站的无线电信号进行交互以实现定位。煤矿井下定位技术除射频识别外，还包括WiFi、ZigBee，以及红外、超声波、蓝牙等。目前，煤矿井下定位系统只能达到2～10m的非连续定位精度，主要由无线发射基站数量与分布密度决定。 

从定位系统的媒介来划分，针对受限空间内目标的无线定位，国外学者以红外、超声波、射频信号、图像为媒介进行了一些研究。1992年剑桥Ar&LT实验室开发的ActiveBadge系统，是利用红外线技术实现的单元接近度系统；1999年剑桥Ar&T实验室开发的ActiveBat系统，以及2000年剑桥Ar&T实验室开发的Cricket系统，是采用超声波传输的时间延迟技术实现定位；2000年Microsoft研究院开发的RADAR系统，是基于IEEE802.11无线局域网技术的室内跟踪定 位系统；2001年，Microsoft研究院开发的EasyLiving系统，是基于计算机视觉技术的定位系统。该系统用实时三维照相机实现了家庭环境中的立体视觉定位功能；2002年，意大利Trento大学和意大利网络计算研究委员会开发的BIPSE系统，是一个基于蓝牙的室内定位系统；由Auto-ID中心开发无线射频识别(RFID)技术，它基于信号强度分析法，采用聚合的算法对三维空间进行定位，如SpotON系统和PinPoint 3D-iD系统。 

这些方法存在了一些局限性：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；立体视觉定位技术易受环境复杂度的影响，且当场景复杂度增加，并发生更多的运动冲突时，视觉定位系统很难持久保持较高精度；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；无线射频识别技术作用距离近，不具备通信能力，不便和其他系统整合，定位精度受环境影响及参考点数量较大。 

超宽带相对红外、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。 

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)，信号强度分析法(RSS)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。