基于时间测距的矿井人员定位方法研究.pdf

第第44卷第卷第4期期 2018年年4月月工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 ; 分析研究言; 分析研究言 ♦_丨1丨 _ 令 _ 丨1丨 ■ 令 _ 丨丨丨 ■ 令 _ 丨1丨 _ 令 _ 丨丨丨令文章编号文章编号 6 7 1 -2 51X 201804-0 0 3 0 -04 D O I10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17297 基于时间测距的矿并八员定位方法研究孙哲星孙哲星12 1 .中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083; 2 .中国建设银行股份有限公司北京数据中心，北京中国建设银行股份有限公司北京数据中心，北京100068 摘要研究了摘要研究了 4种基于时间测距的矿井人员定位方法种基于时间测距的矿井人员定位方法 T O A、、T W R、、S D S -T W R和和T D O A定位方法，它定位方法，它们受巷道环境等影响小，适用于煤矿井下人员精确定位。们受巷道环境等影响小，适用于煤矿井下人员精确定位。T O A定位方法要求发射设备和接收设备的时间必定位方法要求发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步，对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高，并且要同步校准，定位卡和定位分站成本高。须严格准确同步，对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高，并且要同步校准，定位卡和定位分站成本高。 T W R定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了系统复杂度和成本，但定位精度受定定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了系统复杂度和成本，但定位精度受定位分站和定位卡的时钟误差影响，定位卡和定位分站成本较高。位分站和定位卡的时钟误差影响，定位卡和定位分站成本较高。S D S -T W R定位方法不要求信号发射设备定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了分站和定位卡的时钟误差对定位精度的影响，但定位精度仍受定位分站和与接收设备时钟严格同步，降低了分站和定位卡的时钟误差对定位精度的影响，但定位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响，定位卡和定位分站成本较高。定位卡的时钟误差影响，定位卡和定位分站成本较高。T D O A定位方法要求定位分站之间的时间必须严格定位方法要求定位分站之间的时间必须严格准确同步，对定位分站时钟精度要求高，并且要同步校准，定位卡成本低，定位分站成本高。准确同步，对定位分站时钟精度要求高，并且要同步校准，定位卡成本低，定位分站成本高。关键词矿井通信；人员定位％精确定位％时间测距％关键词矿井通信；人员定位％精确定位％时间测距％ TOA TDOA T W R ; SD S-TW R 中图分类号中图分类号 TD655 文献标志码文献标志码A 网络出版时间网络出版时间 0 1 8 -0 3 -2 8 1333 网络出版地址网络出版地址Gttp //k n s. cnki. n et/kcm s/detail/3 2 . 1627. T P. 20180328. 0918. 001. htm l Research on mine personnel positioning based on time range S U N Z h ex in g 1’2 1. School of M echanical E lectronic and In ation E ngineering, China U niversity of M ining and Technology B eijing’ Beijing 100083, C hina; 2. Beijing D ata C en ter’ China C onstruction B ank’ Beijing 100068, C hina A bstract F our kinds of m ine personnel positioning m ethods based on tim e range w ere researched’ nam ely T O A ’ T W R ’ SD S-TW R and T D O A positioning m ethods’ they are less influenced by roadw ay environm ent and suitable fo rm in e personnel precise positioning. T O A positioning m ethod requires tim e of transm itting device and receiving device m ust be strictly and accurately synchronized’ clock accuracy requirem ent of transm itting device and receiving device is very high w ith synchronous calibration’ so its positioning card and substation cost high. T W R positioning m ethod does not need to strictly synchronize in clock of signal transm itting device and receiving device’ so com plexity and cost of its positioning system is reduced’ but its positioning precision is affected by clock error of positioning card and sub station s’ 收稿日期收稿日期2017-11-20;修回日期修回日期2018-01-26;责任编辑张强。责任编辑张强。基金项目国家重点研发计划资助项目（基金项目国家重点研发计划资助项目（2016YFC0801800;国家自然科学基金重点资助项目（国家自然科学基金重点资助项目（51134024;国家高技术研究发展计划国家高技术研究发展计划 863 计划）资助项目（计划）资助项目（2012AA0622031。。作者筒介孙哲星作者筒介孙哲星“984 ）女，山西翼城人，工程师，博士研究生，研究方向为矿井人员定位，）女，山西翼城人，工程师，博士研究生，研究方向为矿井人员定位，E-mail308474693qq. com。。引用格式引用格式孙哲星孙哲星.基于时间测距的矿井人员定位方法研究工矿自动化，基于时间测距的矿井人员定位方法研究工矿自动化，2018,4440-33. SUN Zhexing. Research on mine personnel positioning based on time range[J]. Industry and Mine Automation, 2018，， 44430-337 2 0 1 8 年第 4 期孙哲星基于时间测距的矿井人员定位方法研究 31 positioning card and substation cost high. SDS T W R positioning m ethod does not need to strictly synchronize in clock of signal transm itting device and receiving device, so influence of clock error of its positioning substation and card on positioning precision is reduced, but its positioning precision is affected by clock error of positioning card and substations , positioning card and substation cost high. TD O A positioning m ethod requires tim e betw een positioning substations m ust be strictly and accurately synchronized, and clock accuracy requirem ent of positioning substations is very high w ith synchronous calibration, positioning card cost low er and positioning substation cost higher. Keywords m ine com m unication; personnel positioning; accurate positioning; tim e range; T O A ; T D O A；； T W R；； SDS T W R 〇引言〇引言为遏制煤矿井下超定员生产，避免或减少煤矿为遏制煤矿井下超定员生产，避免或减少煤矿重特大事故发生，国家安全生产监督管理总局于重特大事故发生，国家安全生产监督管理总局于 2 0 0 7年发布了中华人民共和国安全生产行业强制年发布了中华人民共和国安全生产行业强制标准标准A Q 1048 2007 煤矿井下作业人员管理系统煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范使用与管理规范 [1]和和A Q 1048 2007 煤矿井下作煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件业人员管理系统通用技术条件 [2]。。2 0 1 0年国务年国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发 [2 0 1 0 ]2 3号）要求煤矿、非煤矿山要制定和实施生号）要求煤矿、非煤矿山要制定和实施生产技术装备标准，安装监测监控系统、井下人员定位产技术装备标准，安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等安全避险和通信联络系统等安全避险“六大系统六大系统”，并于，并于3年年内完成内完成[3]。全国煤矿和非煤矿山安装使用了矿井人。全国煤矿和非煤矿山安装使用了矿井人员定位系统，提高了矿井安全装备水平，促进了矿山员定位系统，提高了矿井安全装备水平，促进了矿山安。安。煤矿井下无线传输衰减大，地面煤矿井下无线传输衰减大，地面G P S等卫星定等卫星定位信号无法达到井下。矿井人员定位方法主要有基位信号无法达到井下。矿井人员定位方法主要有基于无线信号强度、基于角度测量和基于时间测距的于无线信号强度、基于角度测量和基于时间测距的定位方法。矿井无线电信号传输受巷道分支、弯曲、定位方法。矿井无线电信号传输受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体（电缆、铁轨、水管等支护、纵向导体（电缆、铁轨、水管等横向导体（工横向导体（工字钢支护等字钢支护等设备等影响设备等影响[4]，因此，基于无线信号强，因此，基于无线信号强度的定位方法不适合用于矿井人员精确定位。矿井度的定位方法不适合用于矿井人员精确定位。矿井机械振动等影响定位天线，巷道分支、弯曲、倾斜和机械振动等影响定位天线，巷道分支、弯曲、倾斜和巷道中胶轮车、电机车和人员等影响基于角度测量巷道中胶轮车、电机车和人员等影响基于角度测量的定位精度的定位精度[5]，因此，基于角度测量的定位方法不适，因此，基于角度测量的定位方法不适合用于矿井人员定位。基于时间测距的定位方法的合用于矿井人员定位。基于时间测距的定位方法的定位精度只与信号发射设备与接收设备之间信号传定位精度只与信号发射设备与接收设备之间信号传输时间有关，受巷道及支护、巷道中导体和设备的影输时间有关，受巷道及支护、巷道中导体和设备的影响小响小[67]，因此，适合用于矿井人员精确定位。下面，因此，适合用于矿井人员精确定位。下面重点研究基于时间测距的矿井人员定位方法。重点研究基于时间测距的矿井人员定位方法。 1 1 TOA定位方法定位方法 T O A T im e of A rrival，到达时间）定位方法通，到达时间）定位方法通过检测无线信号在发射设备和接收设备之间的传输过检测无线信号在发射设备和接收设备之间的传输时间，乘以信号传输速度时间，乘以信号传输速度c 无线电信号传输速度为无线电信号传输速度为光速光速[6]，可计算出发射设备和接收设备之间的测量，可计算出发射设备和接收设备之间的测量距离心距离心 d c \ t1 t2 | 1 式中）为发射设备信号发送时刻）为接收设备信式中）为发射设备信号发送时刻）为接收设备信号接收时刻。号接收时刻。 T O A 方法方法的的度度与与号号时时间间关，与信号强度无关，定位精度不受信号发送功率、关，与信号强度无关，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响（但应保证信号正接收灵敏度和信号传输衰减影响（但应保证信号正确接收）。巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、确接收）。巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体（电缆、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体（电缆、铁轨、水管等铁轨、水管等横向导体横向导体工字钢支护等工字钢支护等设备等造设备等造的的号号衰衰减减，， T O A 度度。。 T O A 方方法法用用于于煤煤矿矿井井下下人人。。，， T O A定位方法要求发射设备和接收设备的时间必定位方法要求发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步，对发射设备和接收设备时钟精度须严格准确同步，对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高，并且要同步校准，定位卡和定位分站成要求非常高，并且要同步校准，定位卡和定位分站成高。高。 2 2 TWR定位方法定位方法为减少发射设备和接收设备时钟误差对定位精为减少发射设备和接收设备时钟误差对定位精度的影响度的影响， T W R T w o-W ay R anging，双程测距）定，双程测距）定位方法和位方法和 SD S-TW R Sym m etric D ouble-Sided T w o-W ay R anging，双边双程测距）定位方法被提，双边双程测距）定位方法被提出。出。 T W R定位方法是定位方法是T O A定位方法的改进方法，定位方法的改进方法，分站分站与与卡卡间的间的双双向向号号实实距，如图距，如图1所示。所示。分站定位卡分站定位卡图图1 TW R定位方法测距原理定位方法测距原理 Fig. 1 Range principle of TWR positioning T W R定位方法测距计算公式为定位方法测距计算公式为 32工矿自动化2 0 1 8 年第 4 4 卷式中Wam为定位分站到定位卡之间的测量距离； TAM为分站从发送测距信号到接收定位卡反馈信号的时间；Tm为定位卡从接收到测距信号到反馈信号的延迟时间[ 8 1 0 *，即定位卡的数据处理时间，了 / 与定位卡处理器速度和时钟频率等因素相关，由于时钟频率精度不同，不同定位卡的Tm值不同。设 A为定位分站的时钟频偏，M为定位卡的时钟频偏，tAm为分站从发送测距信号到接收定位卡反馈信号的真实时间，TM为定位卡从接收到测距信号到反馈信号的真实延迟时间，则有 Tam , Tam “ 2 Ka 3 Tm ，Tm 1 2 Km 4 设，am为定位分站到定位卡之间的真实距离，定位误差为Aam，贝 1J有 SDS-TW R测距计算公式为 Wam , 4cTam Tm 2 Tma Ta 8 式中 Tma为定位卡从发送测距信号到接收到分站反馈信号的时间；Ta为分站从接收到测距信号到反馈信号的延迟时间，即分站的数据处理时间， Ta与分站处理器速度和时钟频率等因素相关，不同分站时间同。设T /a为定位卡从发送测距信号到接收到分站反馈信号的真实时间，T\ 为分站从接收到测距信号到反馈号的实时间， Tam ， T2m 1 2 Ka 9 Tm -tM 1 2km10 T/a t/a 1 2 Km 11 Ta ,T2 1 2ka12 定位分站到定位卡之间的真实距离W Am为 t aMTM t aM t/ 2 T /ata 13 AM k AM 1 Ad am Ad am am dAM 二 -2-cTam_ Tm -2-cTAm TM k i[TAm 1 Ka TM 1Km tAm 1 t/ * k-2- c tAm k a t/ m 7 从以上分析可看出，T g R定位方法适用于煤矿井下人员精确定位，不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了系统复杂度和成本，但其定位精度受定位分站和定位卡的时钟误差影响，定位卡和定位分站成本较高。 3 3 SDS- -TWR定位方法定位方法 SDS-TW R定位方法是T g R定位方法的进一步改进，是在T g R测距过程基础上，定位卡再主动与定位分站进行一次双向信号传输过程实现测距，如图2 所示。分站定位卡分站定位卡图图2 SDS-TWR定位方法测距原理定位方法测距原理 Fig. 2 Range principle of SDS-TWR positioning 定位分站到定位卡之间的测量距离dAM为 dAM ，，dAM 2 AdAM 14 由式（ 8 式（ 14可得 A d AM k d AM d AM k 4 -cTam Tm Tma Ta 1 4 It am Tm Tma T a k -cTAm 1 Ka TM 1 Km T /a 1 Km TA 1 ka tAm tM-t/a tA * k 1 4 IT amKa T mm Tmam T aKa 1 c [ tAm - TAa T /a - T/ m * 15 以上分可出，， SDS-TWR 方法用于煤矿井下人员精确定位，不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了分站和定位卡的时钟误差对定位精度的影响，但定位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响，定位卡和定位分站成高。。 4 4 TDOA定位方法定位方法 TDOATime Difference of Arrival，到达时间差定位方法除需要人员定位卡外，至少需要2 个固定定位分站A和B，A和B之间的距离已知。人员定位卡发送信号，固定定位分站A和B接收信号，分别记录信号到达时刻和“，通过计算到达时间 2 0 1 8 年第期孙哲星基于时间测距的矿井人员定位方法研究 33 差可计算出人员定位卡与固定定位分站差可计算出人员定位卡与固定定位分站A和和B的的距离差进而计算出人员定位卡与固定定位分站距离差进而计算出人员定位卡与固定定位分站 A和和B的距离。人员定位卡与固定定位分站的距离。人员定位卡与固定定位分站A和和 B的距离差的距离差d为为 d c \ t3 4 | 16 从以上分析不难看出，从以上分析不难看出，T D O A定位方法的定位定位方法的定位精度与固定定位分站精度与固定定位分站A和和B接收定位信号的时刻接收定位信号的时刻 3和和t 有关，与信号强度无关，定位精度不受信号有关，与信号强度无关，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响（但应保发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响（但应保证信号正确接收）。证信号正确接收）。T D O A定位方法定位精度不受定位方法定位精度不受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体（电缆、铁轨、水管巷道表面粗糙度、支护、纵向导体（电缆、铁轨、水管等）、横向导体等）、横向导体工字钢支护等）、设备等造成的信号工字钢支护等）、设备等造成的信号传输衰减影响传输衰减影响[1112]。因此，。因此，T D O A定位方法适用于定位方法适用于煤矿井下人员精确定位。但是，煤矿井下人员精确定位。但是，T D O A定位方法要定位方法要求定位分站之间的时间必须严格准确同步，对定位求定位分站之间的时间必须严格准确同步，对定位分站时钟精度要求高，并且要同步校准，定位卡成本分站时钟精度要求高，并且要同步校准，定位卡成本低，定位分站成本高。低，定位分站成本高。 5结论5结论 “ T O A定位方法受巷道环境等影响小，适用定位方法受巷道环境等影响小，适用于煤矿井下人员精确定位，但要求发射设备和接收于煤矿井下人员精确定位，但要求发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步，对发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步，对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高，并且要同步校准，定位卡设备时钟精度要求非常高，并且要同步校准，定位卡分站分站高。高。 2 T W R定位方法是定位方法是T O A定位方法的改进定位方法的改进方法，同样适用于煤矿井下人员精确定位，不要求信方法，同样适用于煤矿井下人员精确定位，不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，解决了号发射设备与接收设备时钟严格同步，解决了 T O A 定位方法要求信号发射设备与接收设备时钟严格同定位方法要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步的难题，降低了系统复杂度和成本，但定位精度受步的难题，降低了系统复杂度和成本，但定位精度受分站分站卡的时钟卡的时钟，，卡卡分站分站高。高。 “ S D S -T W R定位方法是定位方法是T W R定位方法的定位方法的改进方法，同样适用于煤矿井下人员精确定位，不要改进方法，同样适用于煤矿井下人员精确定位，不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了求信号发射设备与接收设备时钟严格同步，降低了分站分站卡的时钟卡的时钟对对度的度的，，位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响，定位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响，定卡卡分站分站高。高。 “ T D O A定位方法受巷道环境等影响小，适定位方法受巷道环境等影响小，适用于煤矿井下人用于煤矿井下人，，要要分站分站间间的时间必须严格准确同步，对定位分站时钟精度要的时间必须严格准确同步，对定位分站时钟精度要求非常高，并且要同步校准，定位卡成本低，定位分求非常高，并且要同步校准，定位卡成本低，定位分站站高。高。参考文献（参考文献（References 1 ] AQ10482007煤矿井下作业人员管理系统使用与煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范管理规范[S]. 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