基于CSS技术的井下精确定位系统设计.pdf

第 4 O卷 第 1期 2 O 1 4年 1月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 0 NO ．1 J a n ．2 0 1 4 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 1 0 0 0 5 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x 。 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 2 张科帆 ， 朱海霞 ， 包建军． 基于 C S S技术的井下精确定位系统设计E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 5 8 ． 基于 C S S技术的井下精确定位系统设计 张科 帆 ， 朱 每霞。 ， 包建军 1 ． 天地 常州 自动化股份有 限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 江苏城市职业学院 信息 亡 程系 ， 江苏 南京 2 1 0 0 3 6 摘要 针对现有井下定位 系统大多只能提供 区域性定位功能， 无法为人 员或设备提供精 准、 实时的位置 信 息 的 问题 ， 提 出了基 于 C S S技 术 的 井下精 确定 位 系统设计 方案 。该 系统利 用 S Ds _ TWR 定位 算 法和 定位 管理协 议 ， 在得 到 高定位 精度 的 同时 ， 不 需要 进行 系统 的 时钟 同步 ， 增 强 了系统 的 可 实现性 和 稳 定性 。井 下 测试 结果表 明， 该 系统 可 实现 井 下设 备 和人 员的 高精 度 定 位 ， 定 位 精 度 达 到 3 m 以 内， 最远 传 输 距 离达 到 35 0 m 。 关 键词 煤 矿 井下 ；精 确定位 ；线性 调频 扩频 ； 低 功耗 ；S DS TwR；定位 管理 协议 中图分 类号 TD 6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 3 1 2 3 1 0 8 5 1 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 2 ． h t ml De s i g n o f u n de r g r o u nd p r e c i s e p o s i t i o n i ng s y s t e m ba s e d o n CS S t e c h n o l o g y Z HANG Ke f a n ， ZHU Ha i x i a ， BAO J i a n j u n 1 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5，Ch i n a ；2 ． De p a r t me n t o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Ci t y Vo c a t i o n a l Co l l e g e o f J i a n g s u，Na n j i n g 2 1 0 0 3 6，Ch i n a Ab s t r a c t M os t un de r g r ou nd po s i t i on i ng s y s t e ms c a n o nl y p r o vi de r e gi o na l p os i t i o ni n g f u nc t i o n a n d a r e una bl e t o p r o v i d e a c c ur a t e r e a l - t i m e l o c a t i o n i nf o r m a t i on f o r p e r s o n ne l s o r e q ui p m e nt s ，a de s i g n s c he m e o f und e r g r ou nd pr e c i s e po s i t i o ni ng s ys t e m b a s e d on CSS t e c hno l o gy wa s p r o po s e d． The s y s t e m u s e s SDS TW R l oc a l i z a t i o n a l g o r i t hm a nd p os i t i o ni ng ma n a ge m e nt pr o t o c ol t o g e t hi gh p os i t i on i n g a c c ur a c y． M e a n whi l e ，i t do e s n t n e e d t o do c l o c k s y n c hr o ni z a 1， i o n， whi c h e nh a nc e s r e a l i z a bi l i t y a nd s t a b i l i t y of t he s y s t e m ．Th e t e s t i ng r e s ul t s s ho w t ha t t he s ys t e m r e a l i z e s hi gh p r e c i s i o n po s i t i o ni n g f o r u nd e r g r o u nd e q ui p m e nt s a n d pe r s on ne l s ， whi c h po s i t i o ni n g a c c u r a c y i s l e s s t h a n 3 m a n d t he f a r t he s t t r a n s mi s s i on di s t a nc e i S 3 5 0 m ． Ke y wo r ds c o a l m i ne un de r gr ou nd； p r e c i s e p o s i t i o ni n g； c h i r p s p r e a d s p e c t r u m ； l o w p owe r c o ns umpt i on；SDS TW R ；po s i t i o ni n g m a n a g e me nt pr o t o c ol 0 弓 I 言 井下人员和设备定位监测系统在矿井生产管理 和安全 监 测 等 方 面 发 挥 着 举 足 轻 重 的 作 用 。 目 前 ， 国内市场上的井下无线定位系统大多数采用 了 高频技术 ， 虽然种类 繁多， 但大 多局限 于区域性定 位 ， 无法为人员或设备提供精准、 实时的位置信息 。 井下工作环境恶劣、 无线传输模型复杂 、 电磁干 扰严重 、 电气设 备功 耗 受 安 全条 件 制 约 等 因 素决 定 了许多 在地 面上 可行 的定 位理论 和方 法无 法应 用到 煤 矿井 下 。研 究 井下无 线精 确定 位 的方法 并开 发满 足矿井实际需求的产品和系统已经成为 目前矿山采 掘 行业 迫切 需要解 决 的问题 j 。 本 文在研 究基 于 C S S C h i r p S p r e a d S p e c t r u m， 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 - 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 3 1 0 2 6 。 基金项 目 中国煤炭科工集 团有限公司科技创新基金项 目 2 0 1 2 MS 0 1 7 1 。 作 者简 介 张科帆 1 9 8 4 一 ， 男 ， 江苏常州人 ， 工程 师 ， 主要从事煤矿通信技术 的研究工作 ， E - ma il z k f 0 3 1 9 h o t ma i l ． c o rn。 6 工矿 自动 化 2 0 1 4年 第 4 0卷 线性调 频扩 频 技 术 的定 位测距 方 法的基 础上 ， 提 出 了一种 基 于 C S S技 术 的 井 下精 确 定 位 系 统 的设 计 方案 ， 并 通 过 系 统 在 井 下 的 试 验 测 定 证 明 了 运 用 C S S技术 实现井 下高精 度定 位 的可行性 。 1 C S S技术 C S S技术 是 由 C h i r p信 号 进 行 扩 频 的 。C h i r p 信号 是一 种扩 频 信号 ， 在一 个 C h i r p信 号 周期 内会 表现 出线性 调频 的 特性 ， 即信 号 频率 随时 间 变化 而 线性变化 。C h i r p信号的频率在一个信号周期内会 “ 扫 过” 一 定 的带 宽 ， 所 以 C h i r p信 号 又 被 形 象地 称 为“ 扫频信号” 。C h i r p信号 的扫频特性可以应用在 通信领域 ， 用以表征数据符号， 达到扩频的效果 。近 年来 ， I E E E将 C S S技术 列为 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 a技术 标 准的底 层实 现方 式 之一 ， 该 项 技 术在 通 信 领 域 的 应用 正 日益受 到关注[ 2 ] 。 C S S 技 术 是 一 种 时 分 多 址 Ti me D i v i s i o n Mu l t i p l e Ad d r e s s ， TD MA 的定 制 应 用 ， 利 用 脉 冲 压缩 使得 接收脉 冲 能量非 常集 中 ， 极易被 检测 出来 ， 提 高 了抗 干扰 和多径 效应 能力 ， 有 很好 的鲁棒 性口 ] 。 C S S技术 可 以直 接捕 获 脉 冲压 缩 ， 从 而 利 用锁 相 环 电路 进行 同步 ， 且 脉 冲 压缩 技 术 有 很好 的抗 频 率偏 移特 性 ， 能 满足 高可靠 性和低 功耗 要求 。 2 系统 设计 2 ． 1 系统基本 构 架 为 了验证 基 于 C S S技 术 的 定 位 方 法 的 可 行性 与实际 的定位 精度 ， 设计 了基 于 C S S技 术 的井 下 精 确定 位 系统 。该 系统 主 要 由移 动 定位 终 端 、 无 线定 位 基站 、 监测分 站 以及 地 面 定位 服 务 器 和一 些 通 用 的接 口转换设 备等 组成 ， 总体结 构如 图 1 所 示 。 定位服务器 ⑤ ⋯ ⑤ ⋯ ⑤ 图 1 基于 C S S技术的井下精确定位 系统结构 移 动定 位 终 端 和无 线 定 位 基 站 都 内嵌 了基 于 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 a标 准 的 C S S射 频 收 发 器 ， 采 用 了 S DS T wR 的定位 算 法 。在 硬 件 上 ， 移 动 定 位 终 端 和 无线定 位基 站都采 用 意法 半 导体 的 S TM3 2系列 C M3内核微 处 理器 作 为 控 制 核 心 。无 线 定 位 基 站 具有按 键、 显 示 等 辅 助 功 能， 配 备 高 速 以太 网、 RS 4 8 5总线、 C AN总线等通信接 口。移动定位终端 可 以利用 固定 电池供 电 ， 问歇性 地执行 定位 功能 ， 降 低 终端整 体功 耗 。 2 ． 2 系统 工作流程 移 动定位 终端 可 以由井下 人员携 带或安 装在 需 要 精确 定位 的设 备 上 。 由定 位 终 端 发 起 定 位 数 据 包 ， 经过 与无 线定位 基站 的 2 次 定位数 据包 交互 后 ， 移动定 位终 端对定 位 的数 据包 和空 中传输 时 间进行 处 理 ， 计算 出与无线 定位基 站 的距离 ， 并把距 离数 据 和一些传感控制信息组成数据包通过无线信道发送 给无线 定位 基站 。 无 线定 位 基 站 配备 RS 4 8 5总 线 、 C A N 总 线 等 总线数据接 口， 定位数据通过相应 的总线传输 给监 测分 站 ， 在 系统 中主要 起 到 定 位参 考 点 和 定位 数 据 传输 的作用 。 监 测分 站通过 无线定 位基 站对移 动定 位终 端发 出 的距 离数 据进行 接 收 处 理 ， 可检 测 出井 下人 员或 设备等动 目标的精确位置和一些传感控制信息 ， 并 通过 高速 以太 网接 口上 传 到地 面定 位 服 务器 ， 是整 个系 统 的数 据传输 中枢 。 地面定 位服 务器 可 以实 现井下 和地 面 的整个 网 络信 息 的监 控 ， 实时 显 示各 个 巷 道 和工 作 面 人 员 及 移动设备的数量、 分布状况 、 活动轨迹 ； 可 以查 询任 一 指 定井下 人员 在 当前 或 指 定 时刻 所 处 的 区域 、 坐 标、 活动轨迹等信息。 3 系统测 距原 理与定 位管理 协议 设计 3 ． 1 对 称 双 边 双 路 测 距 原 理 对 称 双 边 双 路 S DS T W R测 距 方 法 基 于 T wR[ 4 的思 想 ， 类 似 于 T OF l 4 方 式 ， 根 据 数 据 包在 2个节 点之 间进行 双 向传 输 的时 间来 计 算得 到 2个 节 点之 间的距 离 。这 种方式 不需要 2 个 节点 的时 钟 进行 同步 ， 降低 了系统 对硬件 时钟 的要 求 ， 能 够避 免 因时钟不 同步 而引起 的误差 ] 。 S D S TWR测 距 方 法 的测 距 过 程 如 图 2所 示 。 在第 1个 周期 ， 节 点 A 记 录 下发 送 前 时 间 节 点 ， 并 发送定位数据包给节点 B， 节点 B接收到数据包后 记录时间节点 ， 同时回复节点 A确认帧 ， 在这个传 输 过程 中时 间 T 和 T 。 即 可 确 定 。 同理 ， 在 炳 2 0 1 4年第 1期 张科帆等 基于 C S S技术的井下精确定位系统设计 7 第 2个 周 期 ， 由节 点 B 首先 发 送 定 位 数 据 包 给 节点 A， 并完成与第 1 个周期相同的通信流程 ， 确定 2个时间 ⋯a e 和 丁r e p 】 。通过 2个对称 的数据传 输 ， 记录时间， 便可计算得到节点 A与节点 B之 间 的距 离 。 图 2 S DS - TW R测 距 原 理 数据包在空中的传播时间计算公式为 一 二 1 吐 由空中传输时间 t 。 和光速 c 3 1 0 m／s 即可 推算 出节 点 A 与节 点 B之 间 的距 离 d d c t p 2 由于节点 A和节点 B两端的 C P U在实际工作 中避免不 了时钟 晶振产生 的时 钟偏频 差， 设 E 和 E 为节点 A、 B的误差 系数 ， 则信号实 际的传播 时 间为 t 一 [ T d A 1 E A 一 T l B 1 E 出 T ⋯ d B 1 E B 一 T l A 1 E A ] ／ 4 3 定位 数据 包在 空 中传输 的时 间误 差为 A T一 一 一 呈 垒 _ 二 二 4 吐 节点 A 与 节点 B的距离 误差 由式 5 求 出 △ Df △ T一 垒 二 一 l旦 1 1些二互 5 假 设 A、 B 节 点 的 时 钟 偏 频 差 为 4 O 1 O ～ ， 节点 A、 B的 响 应 时 间 差 为 0 ． 1 ms ， 则 测 距 误 差 为 0 ． 3 m。 由上 述 分 析 可 知 ， 利 用 S D S - T WR 定 位 算 法得到高定位精度 的同时 ， 不需要进行系统 的时钟 同步 ， 增 强 了 系统 的可实 现性 和稳 定性 。 3 ． 2 定位 管 理协议 设 计 S D S TWR测距 方法 相 当于 在被 定 义 的时 间 内 进行了 2次测距 。通过测量信号在 2 个节点间的传 输 时 间来测 量 距 离 ，因 此 ， 对 时 间 精 度 有 着 严 格 的 要求 ， 这 意味着 在 2次测 距 的过 程 中不 允 许 发 生 因 数据碰撞而引起的通信失败 。这在单节点的情况下 是很 容易 实现 的 ， 但 是在 多节 点 的环境 下 ， 不 可避 免 地会产生定位数据的信道碰撞 。所 以， 在多点 同时 定位 的 系统 中 ， 必 须对 定 位 系 统 进行 统 一 的管 理来 最大 程度 地避 免碰 撞 的发 生 ， 从 而 提升 整 个 定 位 系 统 的定 位成 功 率 。 为 了解 决 多点 定 位 防碰 撞 的问题 ， 设 计 了一套 定位管理协议 ， 如图 3所示 。无线定位基站周期性 地在 一定 时间 间 隔 内发 送 空 闲 时 隙 的广 播 数据 包 ， 告知 定位节 点 系统 中现 可用 的空 闲时 隙 。每 个移 动 节点收到时隙广播数据包后 ， 发送回复帧， 请求一个 时间间隙 ， 在图 3中， 节点 A、 B、 C分别请求得到了 时间 间 隙 T 、 T 2 、 T3 ， 并 在各 自的 占用 时 间 间 隙 内 与无线定位基站进行测距 。无线定位基站在特定时 隙内与 特定 的节 点进 行 测 距 操 作 ， 此 时 其 他移 动 节 点 均处 于睡 眠状 态 。 节点A 节点B 节点C 无线定位 基站 ， I⋯口 l 请求时隙 I ． { 軎毋时睹7 ． ． 广播 ⋯～⋯ r _ 请 L ， 工 J △l J 删I E E Ⅱ p - -口 d J L 甘 J 口 c - 一 时隙。 目 IJ ， 。 l【 巳 ’ _ L l 一进入睡 眠- 一 - 世Jn 口 6。A ● 测量节点B 与基站距离 时隙 返回节点B 时隙 L I 一 进入睡眠 。 l 卜 ． 发送节 点c 测距命令 ● 测量节点c 与基站距离,4b 时隙 一 返 回节 点c 时 隙 l 一进入睡眠- 图 3定 位 管 理 协 议 通过 上述 定位 管 理 协 议 ， 定 位 系 统 中 的各 个 节 点 与无线 定位 基 站之 间形 成 了一种 同步 机 制 ， 节 点 与节点之间能很大程度地避免信道碰撞 的产生 ， 增 加了系统的通信稳定性 ， 扩大 了系统的节点容量。 4试验 结果 分析 4 ． 1 系统传 输距 离与 定位精 度 测试 为了验证所设计 的系统 的传输性 能和定位 精 度， 在河北张矿集团宣东二矿进行了实地测试 。 在温 度为 1 O℃ ， 湿度 为 5 0 的巷道 环境 中 ， 移 动定位终 端 和无 线定位基 站 的发 射功率 为 2 O d B m 前端设 计 了 2 O d B m 的功 率放 大 电路 ， 接 收 灵 敏度为一9 5 d B m， 数据传输率为 1 Mb i t ／ s ， 定位 8 工矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 0卷 时间 间隔为 1 0 0 ms ， 无 线 定位 基 站 采 用 6 d B i 增 益 的棒状 全 向天 线 ， 移 动 定位 终 端 分 别 采 用 1 d B i 片 状 陶瓷 天线 、 3 d B i 棒状全 向天 线 、 6 d B i 棒状 全 向天 线进行 测试 ， 测试 结果见 表 1 。 表 1 系统传输距离与定位精度测试结 果 m 测 试 距 离 实际距离平均精度 1 d B i 天线 3 d B i 天线 6 d B i 天线 根据测 试结果 ， 在 相 同的条件 下 ， 移 动定 位终端 采用 1 d B i 片状 陶瓷 天 线 、 3 d B i 全 向 外 置 天 线 和 6 d B i 的全 向外置 天线 ， 稳定定 位 的最远距 离分 别为 1 5 0 I l l- ， 3 0 0 m 和 3 5 0 m 左 右 。定 位 的 精 度 达 到 了 3 m 以内 。整 个测 试结果 远优 于现 在井 下普 遍 采用 的 R S S I 定位 技术 。 由此 可见 ， 基 于 C S S技 术 和 S D S TWR 的测距 算法是井下精确定位的一种可行有效的方式 。 4 ． 2移 动 定 位 终 端 功 耗 测 试 系统 中 的移 动定 位终端 由井 下人 员携带 或安装 在需要精确定位的设备上 ， 由固定容量的电池进行 供 电 。为 了验证 移 动定 位 终 端 的 功耗 性 能 ， 对 其 能 耗指 标进 行 了测 试 。 移动 定位终 端 供 电电压 为 3 ． 6 V， 发 射 功 率 为 2 O d B I T I 前 端 设 计 了 2 0 d B m 的 功 率 放 大 电 路 ， 接 收 灵 敏度 为 一 9 5 d BI n ， 数据 传 输 率 为 1 Mb i t ／ s ， 定位 时 间间 隔 为 3 S 3 S定 位一 次 ， 其他 时 间移动 定位终 端 处 于 深 度睡 眠 状 态 。在 移 动 定 位终 端 的电源输 入 端 串入 1 Q 小 电阻 ， 用示 波 器 测 量 出 电阻端 电压 ， 并 计 算 出整个 终 端 在 不 同工 作 模 式 下 的静 态 电流 ， 测 试结果 见表 2 。 表 2 移动定位终端静态 电流测试结果 工作模式 静态电流 深度 睡眠 发 送 接 收 1 5 O u A 2 2 0 mA 8 0 mA 在上述 定位 模 式不 变 的情况 下 ， 移 动 定 位终 端 采用 本安 可 充 电镍 氢 电池 P H AAA8 O O L S D 进 行 供 电 ， 电池容量 为 8 O O mA h ， 供 电电压 为 3 ． 6 V， 最大开路电压为 4 ． 5 V， 欠压电压为 3 V， 电池的持 续 工作 时间可 达 2 8 d左右 。 由表 2可 知 ， 基 于 C S S技术 的 高精 度定 位 终 端 在 最低 功耗模 式下 静 态 电 流达 到 了微 安 级 的水平 ， 在 采用 既定 的电池 能 耗场 合 ， 在 实 现 定 位功 能 的 同 时 ， 减少 了终端 的整 体功耗 ， 可 以满足井 下移 动定 位 终 端 的功耗要 求 。 5 结 语 基于 C S S技术的井下精确定位系统采用 S D S T wR定 位 算 法 和 定位 管理 协 议 ， 实 现 了井 下 设 备 和人员 的精确 定 位 。通 过 相应 的性 能 试 验 与分 析 ， 证 明了采用 C S S技 术 的 井 下定 位 系统 定 位 精 度 达 到 了 3 1T I 以 内 ， 远 优 于 现 在 井 下 普 遍 采 用 的 基 于 R S S I 定位技 术 的定位 系统 。 参 考 文献 [ 1 ] 包建军 ， 霍振龙 ， 徐炜 ， 等． 一种高精度井下人员无 线定 位方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 0 9 ， 3 5 1 O 1 8 2 1 ． [ 2 ] 张骁耀 ， 王玫．基于 C S S技术 的室 内定 位通信 系统 的 研究与实现[ J ] ．网络与通信 ， 2 0 1 2 1 3 4 9 5 2 ． [ 3 ] 张岩 ， 魏书 田， 张守祥．啁啾扩频超 宽带技术 的测 距定 位研究 [ J ] ． 计 算 机工 程 与应 用 ， 2 0 1 2 ， 4 8 2 8 1 3 0 1 34 ． [ 4 ] 蔡永棋． NL O S环境下的 T DO A定 位算 法研 究[ D ] ． 长 沙 中南大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 陈素梅． 非视 距 下基 于 卡尔 曼 滤波 的无 线 定位 方 法 [ D ] ． 济南 山东大学 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ] P OL AS T R E J ， S Z E WC AY K R ． An a y s i s o f wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s f o r h a b i t a t mo n i t o r i n g [ C ] ／ ／ WS NA 0 2 Pr o c e e d i n gs of t he 1 s t ACM I n t e r n a t i o na l W or ks h op on W i r e l e s s Se n s o r Ne t wo r k s a n d Ap pl i c a t i o ns，Ne w Yo r k，2 0 02 8 8 9 7． [ 7 ] P I NK NE Y J ， S E S AYA， NI CH0 L S S ， e t a 1 ．A r o b u s t hi gh s pe e d i n do or wi r e l e s s c omm u ni c a t i o ns s ys t e m u s i n g c h i r p s p r e a d s p e c t r u m [ C] ／ ／ I E E E C a n a d i a n Co nf e r e nc e on El e c t r i c a l a n d Compu t e r Eng i n e e r i n g， Ed mont on ， Al be r t a， 1 99 9 8 4 8 9． ∞ 啪 猢 湖 姗