[发明专利]基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法

说明书

本发明公开了一种用于煤矿井下的基于最大似然估计法压缩感知的人员定位方法。本方法根据巷道的空间结构和电磁波的本身属性特点，在井上设备有监控中心(PC机)，运行人员定位管理软件，通过已有的网络与井下设备相连；井下设备包括定位分站和移动目标。在矿井的巷道内每隔一段距离放置一个定位分站。根据已知定位分站的位置以及定位分站到移动目标的距离，以定位分站为圆心，定位分站到移动目标的距离为半径，三圆交点即为移动目标位置。在信号的传输过程中，使用压缩感知算法，通过对原始信号的压缩采样以及精确重构，得到目标位置的精确坐标，实现精确定位。本发明的定位系统定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。

技术领域

本发明涉及煤矿井下安全监控领域，具体地说，是涉及一种基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，但由于我国煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，井下作业人员的生命安全受到严重威胁。一旦发生事故，地面人员需及时掌握井下人员的具体位置。因此，研究煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下安全生产、应急救援都具有重要的现实意义，井下目标定位系统精度的提高将极大地促进煤矿井下安全生产水平的提升。

由于巷道相对密闭，无法借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下的目标定位；矿井定位目标是在限定空间内，定位设备的体积不能太大；井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，井下定位装置必须是防爆型电气设备；巷道内的无线信道环境恶劣，存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。这些使地面成熟的定位方法不能直接应用于煤矿井下。

目前国内外目标定位技术采用的无线传输介质主要以电磁波为主。以电磁波为传输介质的定位方法主要分为基于测距(Range-based)的方法和基于非测距(Range-free)方法。Range-based方法通过测量点到点的距离和角度，使用三边测量(Trilateration)、三角测量(Triangulation)或最大似然估计(Multilateration)算法计算节点的位置；Range-free方法则根据网络的连通属性估算节点位置。

Range-based方法主要有接收信号强度指示(Receiced Signal StrengthIndiction,RSSI)、到达时间(Time of Arrival，TOF)、到达时间差(Time Difference ofArrival，TDOA)和到达角度(Angle of Arrival，AOA)等，后三种方法对硬件的要求都非常高，从成本角度考虑，不适合应用于煤矿井下，基于RSSI方法进行测距时，当距离较小时对接收机的灵敏度要求很高，误差难以保证。

典型的Range-free定位算法包括DV-Hop、凸规划、MDS-MAP等，Range-free方法无需测量节点间的距离和到达角度，在无线节点的成本和功耗方面有一定的优势，但是定位精度与定位分站的密度和布置策略有关，提高精度就需要增加定位分站的密度，但定位分站的布置受巷道和工作环境限制，一方面，狭窄的空间内无法保证定位分站的随意布置，另一方面，增加定位分站的数量除了意味着成本的提高外，还导致故障率的升高和可靠性的降低。

目前国内取得矿用产品安全标志证的井下目标定位系统(有些称为位置检测系统或作业人员管理系统等)，均采用电磁波作为无线传输介质，有基于RFID、蓝牙、WiFi和ZigBee等不同技术和协议，其中以RFID技术最普遍，但RFID的技术特点决定了定位精度取决于读卡器的密度，这就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技术的系统严格地说并不具备“定位”功能，而只是“位置检测”，只能确定井下人员的大致区域；蓝牙技术传输距离短，抗干扰能力差，矿井环境中稳定性较差；目前，在国内使用的目标定位系统的精度均大于5米，目前国内矿井巷道的宽度一般不大于10米，也就是说，目前矿井目标定位系统只能给出定位目标在巷道纵向上的信息。