楊楠
摘 要:礦產(chǎn)資源開(kāi)采是一個(gè)高危的行業(yè),環(huán)境復(fù)雜的礦下,存在著嚴(yán)重的安全隱患。設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定、精確的礦井人員定位系統(tǒng),對(duì)于提高礦下工作人員管理及應(yīng)急救援水平是十分必要的。針對(duì)礦井環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn),合理安排系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)一種基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)。根據(jù)井下人員身上佩戴的電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào),利用TDOA的定位算法計(jì)算人員精確位置信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)具有穩(wěn)定和定位精確的特點(diǎn),滿足礦下人員定位的要求。
關(guān)鍵詞:人員定位系統(tǒng);UWB;電子標(biāo)簽;TDOA
中圖分類號(hào):TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2015)02-00-02
0 引 言
我國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó),已探明的礦產(chǎn)資源總量占世界總量的12%,因此礦產(chǎn)開(kāi)采有力地支撐了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是由于礦產(chǎn)開(kāi)采業(yè)的特殊性,使之成為一個(gè)高危的行業(yè)。礦井災(zāi)難隨時(shí)都會(huì)發(fā)生,威脅著礦產(chǎn)開(kāi)采人員的生命安全。除了采取安全保障措施外,還需要制定及時(shí)營(yíng)救措施,其中礦井人員位置的精確定位是營(yíng)救被困人員的一個(gè)最重要信息[1]。
隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor network,WSN)定位技術(shù)[2,3]的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外均采用該技術(shù)解決礦井人員定位問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)根據(jù)定位時(shí)是否需要距離和角度信息,可分為測(cè)距和非測(cè)距兩類[4,5]。測(cè)距定位算法主要有到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)角度(AOA)、接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)和到達(dá)時(shí)間差(TDOA)等[6]。然而在復(fù)雜的礦井環(huán)境下,有的方法不能夠發(fā)揮本身的優(yōu)點(diǎn)而得到理想的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于井下人員定位,開(kāi)始采用了IC卡和紅外線編碼等技術(shù),但是這些技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人員考勤管理,地面無(wú)法獲取井下人員位置信息。無(wú)線采集、有線傳輸?shù)木氯藛T定位方式是現(xiàn)階段該應(yīng)用研究的一個(gè)方向。
針對(duì)當(dāng)前WSN定位算法在環(huán)境復(fù)雜礦井人員定位過(guò)程存在的缺陷,為提高礦井人員定位精度,提出一種基于UWB[7]的礦井人員定位系統(tǒng)。充分利用UWB的功能與特點(diǎn),采用TDOA定位算法得到礦井人員具體位置信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該礦井人員定位方法穩(wěn)定性好、定位精度高。
1 定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
1.1 信號(hào)調(diào)制
本文的UWB脈沖信號(hào)是一種高斯脈沖信號(hào),其時(shí)域波形表達(dá)式如下:
(1)
UWB系統(tǒng)單脈沖的頻譜在低頻段分量很豐富,常與現(xiàn)有系統(tǒng)共享極寬的帶寬,有可能對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在無(wú)載波UWB系統(tǒng)中,可以采用高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)來(lái)產(chǎn)生波形,通過(guò)頻譜搬移改變頻譜結(jié)構(gòu),來(lái)滿足FCC的功率限制和頻譜要求。求導(dǎo)的階數(shù)越高,對(duì)其他系統(tǒng)的干擾就越小。根據(jù)本系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn),高階高斯比一階高斯會(huì)有更好的窄脈沖波形。當(dāng)數(shù)據(jù)速率一定時(shí),為了進(jìn)一步提高UWB傳輸距離,增加發(fā)射功率。
為了產(chǎn)生UWB信號(hào),發(fā)射時(shí)域上很短的脈沖 (0.1~0.5ns)產(chǎn)生很寬的頻譜。通過(guò)對(duì)信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制(PAM)調(diào)制,還要用偽隨機(jī)噪聲(PN)對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼已形成信號(hào)頻譜。
1.2 信號(hào)同步
信號(hào)的同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。UWB脈沖信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),且信號(hào)功率較低,因此同步捕獲信號(hào)和跟蹤信號(hào)變得較為困難。在捕獲階段,接收機(jī)快速搜索信號(hào)到達(dá)時(shí)間,并根據(jù)搜索結(jié)果調(diào)整接收機(jī)定時(shí),其目的是使本地參考信號(hào)與接收信號(hào)的相位差小于一定范圍,使接收機(jī)可以在一定程度上解調(diào)信號(hào);在跟蹤階段,接收機(jī)對(duì)微小的定時(shí)偏差進(jìn)行補(bǔ)償以保持同步,其目的是使本地參考信號(hào)與接收信號(hào)的相位差進(jìn)一步減小。
1.3 定位技術(shù)
UWB具有定位精度高、可靠性高和低歸功耗的優(yōu)點(diǎn)。在UWB中,通過(guò)獲取TDOA[8]的測(cè)量值,構(gòu)成關(guān)于電子標(biāo)簽位置的圓周曲線方程組,求解該方程組得到具體位置信息。具體是發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射兩種不同頻率的無(wú)線信號(hào),接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到兩種信號(hào)間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。TDOA技術(shù)采用了AOA中的OWR(One Way Ranging,OWR)技術(shù),其具有測(cè)量誤差小、對(duì)硬件和成本要求低的特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
UWB無(wú)線定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由定位傳感器,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),服務(wù)器,網(wǎng)線等部分組成。
定位傳感器是用來(lái)接收定位標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)而對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位,多個(gè)定位傳感器之間需要有網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間同步連接線。多個(gè)定位傳感器構(gòu)成傳感器定位單元,每個(gè)單元有主從傳感器之分。其中,主傳感器通過(guò)時(shí)間同步線向從傳感器發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)。傳感器接收到的定位標(biāo)簽信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線傳送給UWB平臺(tái),計(jì)算后得到定位標(biāo)簽的精確位置信息。
圖1 UWB無(wú)線定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖
定位標(biāo)簽、主從傳感器、POE交換機(jī)、DHCP服務(wù)器和UWB定位平臺(tái)構(gòu)成超寬帶無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)。定位平臺(tái)可以是任何計(jì)算機(jī)設(shè)備,DHCP服務(wù)器的作用是給每一個(gè)傳感器分配一個(gè)IP地址,用于區(qū)分主從傳感器并用于傳感器之間的信號(hào)同步。
2.2 TDOA定位算法
比較多種測(cè)距定位算法后,本文選擇了定位時(shí)間差(TDOA)定位算法,與到達(dá)時(shí)間(AOA)算法類似,只是測(cè)量的是時(shí)間差,利用如圖2所示的雙曲線交叉進(jìn)行定位。
圖2 TDOA方式下傳感器和定位目標(biāo)的幾何關(guān)系
定位標(biāo)簽發(fā)送UWB信號(hào)給定位單元,多個(gè)定位單元之間以及單個(gè)定位單元內(nèi)部接收到信號(hào),并開(kāi)始同步信號(hào),最后估算出標(biāo)簽的位置數(shù)據(jù)并出送給定位平臺(tái),定位傳感器之間都是通過(guò)同步信號(hào)線來(lái)同步信號(hào)。
2.3 傳感器定位單元安裝
由于礦井環(huán)境復(fù)雜,單個(gè)定位單元不能夠覆蓋整個(gè)礦井,故需要多個(gè)定位單元結(jié)合聯(lián)合定位,如圖3所示。單個(gè)UWB定位單元傳感器之間的時(shí)間同步線連接是有一定的規(guī)則的。一個(gè)典型的定位單元是10~30 m的矩形場(chǎng)所,兩個(gè)傳感器就可以定位標(biāo)簽位置,考慮到魯棒性選擇每個(gè)單元安置四個(gè)傳感器。一個(gè)傳感器需要被設(shè)置為時(shí)間源,即主傳感器。時(shí)間信號(hào)通過(guò)同一單元的同步線傳播到每個(gè)傳感器。單個(gè)單元之間的時(shí)間同步線可以采用此圖所示的星形連接,也可以采用環(huán)形連接。多個(gè)定位之間也需要一根時(shí)間同步線來(lái)連接,要確保各單元之間只有一根連線??梢詮膯卧?中的任意一個(gè)連接到單元2中的任意一個(gè),但是時(shí)間信號(hào)必須從被連接的傳感器的右上角輸入。我們選擇第一個(gè)單元的主傳感器為整個(gè)定位系統(tǒng)時(shí)間源。
圖3 多個(gè)定位單元聯(lián)合定位
3 結(jié) 語(yǔ)
礦井人員定位是礦井工作人員安全的保證,不僅可以合理調(diào)配井下工作人員,而且能夠在發(fā)生礦難事故時(shí),及時(shí)準(zhǔn)確地定位被困人員而對(duì)其進(jìn)行營(yíng)救。
本文重點(diǎn)研究了UWB定位技術(shù)中的信號(hào)調(diào)制、信號(hào)同步和測(cè)距定位技術(shù),定位單元的合理安排布放及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)保證了本系統(tǒng)的高精度性和高穩(wěn)定性。通過(guò)礦井實(shí)地驗(yàn)證,本文設(shè)計(jì)的基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)定位精度高、可靠性好,為礦井人員定位問(wèn)題提出了新的解決方案。
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