基于 UWB测距技术的煤矿井下精确定位研究

基于 UWB测距技术的煤矿井下精确定位研究

曹田兵

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省 常州 市 213015

摘要: 随着煤矿信息化进程的推进，精确定位已经成为煤矿井下定位的一个趋势。由于现有矿井人员及机车定位主要采用区域定位技术，存在定位精度不高、抗干扰及穿透能力差等问题。通过基于UWB测距技术的煤矿井下精确定位研究和应用，对提高煤矿安全生产管理水平与应急救援具有重要的现实意义。本文通过对UWB测距技术进行了分析研究，并对UWB定位系统时钟同步提出了可行的定位方案。探讨了煤矿井下NLOS环境下UWB定位的改进算法，有效提高了定位精度，具有较好的实用性。

关键词：UWB测距技术；煤矿井下；精确定位；算法

1.UWB技术介绍

UWB超宽带技术是一种无线载波通信技术，最早来自于上世纪90年代美国国防部的正式术语，主要用来描述脉冲超宽带传输信息的无线电技术。UWB超宽带技术与传统通信技术有极大的差异，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。与现有的zigBee、蓝牙等短距离无线通信技术相比，UWB技术具有功耗低、穿透力强、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供高精度定位等优点。

2.UWB井下无线测距定位技术

2.1基于AOA的测距定位技术

基于信号到达角度AOA测距定位技术主要是通过天线阵列作为参考节点来测量与目标节点之间的夹角从而获取目标节点的位置信息。该AOA定位方法要求使用天线阵列，对天线安装维护具有较高要求，在煤矿井下实施应用难度较大。

2.2基于RSS的测距定位技术

RSS测距技术由于利用路径损耗来定位会对环境的变化（例如多径衰落变化等）极为敏感，因此有学者对不同环境下UWB信号传播特性作深入的研究。通过解方程组的知识可知至少要三个参考节点进行测量才能获取目标节点的二维平面空间信息。

2.3基于TOA/TDOA的测距定位技术

基于TOA/TDOA测距定位是通过测算目标节点发射信号到到两个参考节点的传输时间差来获取目标节点的空间位置信息。相比AOA、RSS定位，基于时间TOA/TDOA定位技术充分利用了UWB信号具有极强的时间分辨率特性，更能够克服煤矿井下巷道多径衰落等对定位精度产生的影响。

2.4井下UWB定位方案

由于井下环境极为恶劣容易产生时间抖动，制约了UWB定位系统采用TOA定位估算方法实现收发两端的实时同步和定位。本文从UWB定位系统时钟同步的角度研究两种可行的定位方案。如图：

2.4.1有线信标节点统一授时定位

基于时间TDOA定位算法实现定位的关键在于使各个参考站之间实现实时的同步来保证井下定位的精度。有线信标节点统一授时方案主要是使主站通过光纤电缆对各个参考站进行统一授时，井下UWB定位系统结构由主站（MS：MainStation）、参考站（RS：ReferenceStation）和目标节点（UN：UnknowNode）组成，主站与各参考节站采用光缆连接，从而有效地避免煤矿井下电磁场的干扰，同时也保证了各参考站之间的同步。

2.4.2信标节点差分定位

信标节点差分定位主要是由N个参考站（RS：ReferenceStation）和目标节点（UN：UnknownNode）组成。该定位参考站RS仅负责接收和发送UWB信号功能，目标节点UN则需负责接收UWB信号、时间计算以及UN位置信息的计算。该系统可以通过参考站RS间时序差分关系完成时序同步。首先由参考站RS1的UWB发射机同时向参考站RS2和目标节点发射测距信息，参考站RS2接收到参考站RS1发射来的定位信息等待固定时间间隔T以后，向参考站RS3和目标节点发射测距信息，以此类推，参考站N−1的RS等待固定时间间隔T以后，向参考站N的RS和目标节点发射测距信息，目标节点则将每一次的测距信息进行收集，然后交由数字处理单元计估算出相应的TDOA值并计算出目标节点的位置信息。

2.5井下NLOS环境下定位算法

在井下UWB无线定位系统中，通过对目标节点与多个参考节点的TDOA测量值的获取来构建目标节点的空间位置的双曲线方程组并对其进行求解，从而实现目标节点的实时定位。

2.5.1基于Taylor级数的UWB定位算法

基于Taylor级数最小二乘定位算法是目前最基本的工程定位算法，该算法主要采用在目标节点初始值位置进行泰勒级数展开式，一般选取保留展开式的前两项而忽略二次以上的项，从而将目标节点的非线性位置方程转化成线性方程，然后进行加权最小二乘估算来获取目标节点的空间位置信息。该算法具有通用性强的特点，能适应大部分的定位系统，但是Taylor定位算法的定位精度往往不是很高。

2.5.2基于Chan氏的UWB定位算法

Chan氏算法是一种采用非递归方式求解双曲线方程组的解析表达式解法（closed form solution）。虽然在LOS环境且噪声服从高斯分布的条件下，Chan氏算法具有计算量小、定位精度高的优点，但是在井下NLOS环境下，Chan氏算法的定位精度会出现明显的下降从而影响其在煤矿井下的应用。

2.5.3井下非视距条件下UWB定位的改进算法

由于煤矿井下巷道空间狭长且存在拐弯或起伏特征，因此井下巷道内的通信传播较多为NLOS传播环境，井下巷道部分拐弯或起伏位置上无法进行直射传播，定位信号只能通过反射等方式进行非视距NLOS传播。通过比较可以发现非视距NLOS传播路径相对视距LOS传播路径要长，因此进行TOA测算时会出现超量延时的NLOS误差。所以非视距传播一定会产生一个正均值的随机误差，从而影响井下人员定位的精度。通过以上定位算法，Taylor级数最小二乘定位算法具有较强的适应性，但该算法只有在足够精确的初始位置用于递归计算，且其目标节点的空间位置误差门限值必须设置较小，才能获得较高的精度。对于Chan氏算法虽然计算量较小，LOS环境下定位精度较高的特点，但是在井下NLOS环境中Chan氏算法会出现定位精度下降的问题。可以通过采用计算量较低的基于面积形心的压缩算法将目标节点的空间位置定位在一个较小的区域，从而减少非视距NLOS误差对TOA/TDOA测量值的影响。然后将处理后的值作为Taylor初始参数实现递归运算，最后利用定位与测量值间的残差关系计算出Taylor与Chan氏算法中个定位分量的加权系数，从而进行最终的目标节点运算提高定位精度。

3.结论

本文主要是对煤矿井下UWB精确定位进行了研究。探讨了煤矿井下巷道特定环境中UWB无线传播的特性，针对性提出了井下非视距条件下UWB定位的改进算法，通过基于UWB测距技术的煤矿井下精确定位研究表明，采用UWB定位技术对煤矿井下人员及机车等实现高精度的定位，提高煤矿的安全生产管理水平，同时能够为应急救援提供实时的井下人员精确位置信息，具有良好的应用前景。

参考文献:

［1］庞艳,乔静.UWB无线定位技术探讨[J];电信快报;2005年11期

［2］张文杰,王艳芬.Chirp-UWB无线通信技术在煤矿井下的应用研究[J];工矿自动化;2007年02期

［3］刘林,邓平,范平志.基于Chan氏算法和Taylor级数展开法的协同定位方法[J];电子与信息学报;2004年01期

［4］任斌,徐会彬.基于总体最小二乘的泰勒级数展开的TOA的UWB定位方法[J];科学技术与工程;2013年21期