[发明专利]煤矿井下超宽带定位方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下安全监控领域，具体的说是涉及一种煤矿井下超宽带精确定位方法及系统。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，但煤矿井下的工作环境恶劣，地质环境复杂，开采技术相对落后，井下生产人员素质较低，导致各种矿井的恶性事故不断发生，一旦事故发生，地面人员难以及时动态的掌握井下人员的分布及作业情况，抢险救灾效率低。井下工作人员的生命安全受到严重威胁。随着科学技术的不断进步，人们在井下布设了多种探测系统和监控系统，以便获知井下工作人员的位置，方便在发生矿难时及时开展救援工作以及日常生产中的管理调度。因此有必要研究矿井下目标精确定位系统与方法，这是矿井生产、调度和抢险救灾等的关键环节。

传统的煤矿井下无线测距与定位技术很多，包括红外线、超声波、射频识别、蓝牙、ZigBee和WiFi等，但这些方法都存在一定的局限性：红外线穿透性差，只适合短距离传输，且容易被灯光干扰；超声波受多径环境的影响严重；射频识别方法信号不稳定；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；基于ZigBee和WiFi等技术的计算电磁波能量的定位系统，在用于位置检测时难以达到很好的精度。

超宽带(UWB)作为一门新兴的无线通信技术，采用冲击无线电(IR)的形式，通过发送皮秒至纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据。超宽带无线通信系统具有许多与其他无线通信系统完全不同的特点：具有高速、低成本、低功耗、定位精确、时间分辨率高、抗多径干扰、穿透能力强等优点，因此，基于超宽带的定位技术非常适合在煤矿井下使用。

矿井下最主要的问题是非视距(NLOS)传输严重，一些基于到达时间(TOA)的超宽带定位技术，由于没有鉴别和消除NLOS传播误差，造成该类定位系统无法达到精确定位的要求。

发明内容

为了克服以上不足，特别是为了克服矿井定位系统抗干扰能力差、定位精确度低、矿井定位设备体积受限、超宽带信号在矿井下存在NLOS传播等问题，本发明提供了一种精确的矿井下超宽带定位方法及系统。该方法及系统充分利用超快带技术抗干扰能力强、定位精确、系统设备结构简单等特点，并结合巷道空间的实际特点，利用有限的参考节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于非参数NLOS鉴别和加权最小二乘法的UWB定位技术：根据煤矿井下巷道实际特点，在巷道的两侧边缘沿一定的距离线性部署参考节点，目标定位时，首先根据接收信号强度值确定参与目标节点精确定位的参考节点，并估计出每次来自目标节点的超宽带定位信号的到达时间(TOA)，在计算出M个相应的距离值，再利用非参数NLOS鉴别方法对目标结点和参考结点之间的信道进行NLOS鉴别，根据NLOS鉴别结果，分配最小二乘法定位算法的加权因子，构造加权因子最小二乘法定位算法的目标函数，并计算出目标节点的位置。

所述煤矿井下超宽带定位方法，包括以下步骤：

A.确定参与目标节点精确定位的参考节点，并计算出每次来自目标节点的超宽带定位信号的到达时间(TOA)，重复进行M次；

B.根据每个参考结点估计出的M个TOA值，计算出M个相应的距离值，再利用非参数NLOS鉴别方法对目标结点和参考结点之间的信道进行NLOS鉴别；

C.根据NLOS鉴别结果，分配最小二乘法定位算法的加权因子；

D.根据分配的加权因子，构造加权因子最小二乘法定位算法的目标函数，并估计目标节点的位置。

所述步骤A包括下列步骤：

A1.在巷道的两侧边缘沿一定的距离线性部署参考节点；

A2.在目标节点MS进入巷道后，MS向周围内的参考节点周期性地广播定位请求信号，连续发送M次，参考节点收到定位请求信号后，从中提出一组接收信号强度指示值(RSSI)，然后对这组RSSI值求平均，并记录该平均值；

A3.目标节点MS发送完M次定位请求后广播一次收集RSSI信息，这时周围参考节点会向该目标节点回复其记录的RSSI平均值，目标节点收集完RSSI信息后，如果收集到的RSSI值的个数小于3个，则再重新广播定位请求信号；否则，对收集到的RSSI值进行排序，并选取最大的3个作为参考节点，并向这3个参考节点再发送M次定位信号；