[发明专利]基于模式匹配的井下超宽带电磁波超声联合定位系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下安全监控领域，具体地说，是涉及一种基于模式匹配的煤矿井下超宽带电磁波超声联合定位系统与方法。

背景技术

矿山井下是一个特殊的工作环境，地质条件复杂，生产条件恶劣，安全隐患较多。我国开采技术水平相对落后，井下生产人员素质较低，导致我国煤矿生产的事故频发。一旦事故发生，地面人员需及时动态掌握井下人员的具体位置及作业情况，进行安全救护。因此，研究切实可行的煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下人员的人身安全、灾后及时施救都具有非常高的现实意义。并且精确的井下人员定位系统也在井下的日常生产、管理调度中发挥着关键的作用。

目前，国内外关于井下定位方法中应用中，完全基于电磁波传输技术的很多，有基于WiFi、ZigBee，RFID、蓝牙等。但是这些方法都有各自的缺点：RFID方法信号不稳定，漏读本身决定了定位精度取决于井下中心站的密度，这就限制了定位精度的提高；无线局域网技术要求被定位的物体必须支持无线局域网，且定位精度低；蓝牙技术成本高，复杂环境中稳定性较差；基于Zigbee、WiFi等技术的计算电磁波能量的定位系统，目前国内已有相关产品出现，如KJ361等，由于这些技术自身的特点决定，在用于位置检测时这类系统难以达到很好的精度，基于Zigbee、WiFi等技术的定位系统在地面室内环境的应用情况也不理想。

近来，超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术成为当前无线通信研究中的热点，它是一种非传统的、新颖的无线传输技术，可以在非常宽的带宽内，使用脉冲无线电(Impulse Radio，IR)传输技术，发送噪音以下的低功率信号，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低等优点。

由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量，多径分辨能力强。所以，UWB能在极低功率消耗情况下同时提供通信和高精度测距和定位能力，测距定位精度高，非常适合对功率限制要求高并且多径干扰严重的煤矿井下的人员定位的应用。

UWB定位技术中最常用的主要有：信号到达角度测量(AOA)、到达时间定位(TOA)及到达时间差定位(TDOA)等。但是由于基于接收时间和信号到达角度的定位方法对于硬件的要求非常高，使得完全使用基于UWB的定位方案，需要使用大量高要求的定位节点，很大的程度上提高了定位的成本。

除了电磁波以外，超声波的传播速度远低于电磁波，能够降低对硬件的要求，并且，对环境的敏感程度比红外要小，因此也受到了比较多研究。

超声波的主要优点有：超声波信号波速相对较小，对硬件要求较低；超声波可以测量较近目标的距离，精度高，在毫米级甚至更高，完全满足井下定位的要求；超声波纵向分辨率较高，对光照度和电磁场不敏感，适应环境恶劣的场所；超声波传感器的结构接单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化。另外，使用超声波测距还有一个优点，只需要一端发射信号，另一端无需安装其他装置，只通过检测反射回来的超声波到达的时间，就可以实现非常精确的测距。

但是，单纯的使用超声波实现井下定位，也存在很多弊端。超声波的速度小，使得测量较长距离时，时延比较大；超声波也存在多径效应，且超声波在多径环境下效果差，需要对其进行编码或者其他方式来客服多径效应，这又会使定位的时延加大，有可能不能满足实时监控的要求；超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小距离内的测距应用，如果在煤矿井下完全使用超声定位，需要布置大量的锚节点，可能造成成本的提高；另外，全矿范围内的超声定位，对于超声波收发探头的选择要求较高，这又是一个很大的挑战。

综上所述，目前的井下人员定位技术的研究受到井下环境和成本的双重制约，使得定位精度不能满足实际应用的需要。超宽带电磁波虽然在井下定位方面拥有很好的应用前景，但是单纯的基于电磁波或者单纯的基于超声波的定位方法，一方面不能综合利用两种介质的优点，另一方面受到本身物理属性的限制，都不能从根本上解决井下环境、成本限制和定位精度等问题。

发明内容