专利名称：煤矿井下超宽带定位方法及系统的制作方法
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)作为ー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)的超宽带定位技木，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，本发明提供了ー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強、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，利用有限的參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參数NLOS鉴别和加权最小ニ乘法的UffB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參考节点，目标定位时，首先根据接收信号强度值确定參与目标节点精确定位的參考节点，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，再利用非參数NLOS鉴别方法对目标结点和參考结点之间的信道进行NLOS鉴别，根据NLOS鉴别结果，分配最小二乗法定位算法的加权因子，构造加权因子最小二乗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.确定參与目标节点精确定位的參考节点，并计算出毎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.根据每个參考结点估计出的M个TOA值，计算出M个相应的距离值，再利用非參数NLOS鉴别方法对目标结点和參考结点之间的信道进行NLOS鉴别；C.根据NLOS鉴别结果，分配最小二乗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乗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Al.在巷道的两侧边缘沿一定的距离线性部署參考节点；A2.在目标节点MS进入巷道后，MS向周围内的參考节点周期性地广播定位请求信号，连续发送M次，參考节点收到定位请求信号后，从中提出一组接收信号強度指示值(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，这时周围參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个作为參考节点，并向这3个參考节点再发送M次定位信号；A4.參考节点毎次接收到定位信号后，将接收到的信号r(t)通过平方器后再进行
积分采样，获得信号的能量采样序列ろ=f 1)Γ I KO2 I dt (n=l，2，…，N) ,N = Tf/
Tb，其中η表示能量块的序列号，Tb表示积分周期，Tf表示帧周期，N表示一帧内能量块数；Α5.根据所述的能量采样序列与设定的门限值Θ进行比较，将第一个超出门限的能量块作为直接路径DP所在的采样±夹，即i = [nDP - 0.5]Tb，nDP = min{n|Yn > θ} (η = 1,2,…，N)，其中Yn为信号的能量采样序列， dp表示DP所
在的能量块，Θ表示判别门限，7·表示DP到达目标的时间。所述步骤B包括下列步骤BI.參考结点在估计出了 M个TOA后，可以计算出M个相应的距离值，对于第i(i=I，…，M)次测量,在视距(LOS)情况下巧=s+nnoise, NLOS情况下a = s+nmise+nNIOS,其中^表示第i次的距离测量值，S表示目标节点和參考节点之间的真实距离，Hnoise表示测量噪声，nNL0S表示NLOS误差；B2.计算测量噪声nmise的概率密度函数(PDF)，在LOS情况下，nMise可表示为O均值标准差为σ的高斯随机变量，它的概率密度函数表示为(ズ) = ^=β_χ2/(2σ2);Β3.根据所述测量噪声的概率密度函数Pntjise (x)，计算LOS情况下距离测量值A (i=1，…，Μ)的PDF :ァめ=;^=厂(トが/(2"2)，其中s表示目标节点和參考节点之间的真实距离；
B4.根据所述的M个距离测量值ri(i = 1，…，M)，计算测量距离的PDF aO):
权利要求
1.一种煤矿井下超宽带定位方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括下列步骤 Al.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RSSI值，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； A4.参考节点每次接收到定位信号后，将接收到的信号r(t)通过平方器后再进行积分采样，获得信号的能量采样序列= VTb T I r{t) I2 dt (n = 1,2,…，N)，N = Tf/Tb， J( -I)。其中n表示能量块的序列号，Tb表示积分周期，Tf表示帧周期，N表示一帧内能量块数； A5.根据所述的能量采样序列与设定的门限值9进行比较，将第一个超出门限的能量块作为直接路径DP所在的采样块，即f = [nDP - 0.5]' ,nDP = min{n|Yn > 0} (n=1,2,…，N)，其中Yn为信号的能量采样序列，表示DP所在的能量块，0表示判别门限，〖表示DP到达目标的时间。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括下列步骤 BI.参考结点在估计出了 M个TOA后，可以计算出M个相应的距离值，对于第i (i =1，…，M)次测量,在LOS情况下& = s+nnoise,NL0S情况下& = s+nmise+nNU)S,其中!Ti表示第i次的距离测量值，s表示目标节点和参考节点之间的真实距离，nmise表示测量噪声，nnoise表不NLOS误差； B2.计算测量噪声nMise的概率密度函数HF，在LOS情况下，nnoise可表示为0均值标准差为O的高斯随机变量，它的概率密度函数表示为Ux) = B3.根据所述测量噪声的概率密度函数Pn_(x)，计算LOS情况下距离测量值ri (i =1，…，M)的PDF Hs) =，其中s表示目标节点和参考节点之间的真实距离； B4.根据所述的M个距离测量值ri(i = 1，…，M)，计算测量距离的PDFa(X):
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，根据第j个参考节点的NLOS鉴别结果为其分配加权因子，当第j个参考节点被判定为LOS状态时，为其分配的加权因子为kj = I ;当该参考节点被判定为NLOS状态时，则为其分配的加权因子为
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤D包括下列步骤 Dl.根据所述的为参与目标节点精确定位的参考节点分配的加权因子，构造加权因子最小二乘法定位算法的目标函数
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过一个直接序列脉冲超宽带系统来实现超宽带信号的产生。
7.一种煤矿井下超宽带定位系统，包括远程监视层和现场监控层，其特征在于，所述远程监视层包括浏览器服务器，数据服务器，地面监控终端，交换机；所述现场监控层包括目标节点，参考节点，网关和基站；数据服务器(I)和地面监控终端(2)通过交换机(3)与基站(5)构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给浏览器服务器(4);目标节点(8)，参考节点(7)，网关(6)和基站(5)构成超宽带无线定位网络；基站(5)通过光纤或总线挂接在交换机(3)上；目标节点(8)由井下作业人员或者机械装置携带； 所述数据服务器(I)，接收并存储目标节点位置数据； 所述地面监控终端(2)，记录参考节点部署位置信息，根据接收到的距离测量值，进行NLOS鉴别，并根据NLOS鉴别结果和参考节点的部署位置及巷道分布，计算目标节点的精确位置，并将位置信息再发送给数据服务器及浏览器服务器； 所述交换机(3)和基站(5)，负责转发定位信息； 所述网关(6)负责完成超宽带无线定位信息的转发和配置信息的传送； 所述参考节点(7)，放置在网关设备无线信号覆盖范围内，提供一个包含自己位置坐标和RSSI值的信息包给目标节点，完成传输超宽带信号到达时间的计算。
所述目标节点(8),与井下人员的身份对应,完成参考节点的选取； 所述的系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。
8.根据权利要求7所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述网关(6)包括微处理器、存储器、总线模块、超宽带天线、电源、通信接口、液晶显示器、选择按键。
9.根据权利要求7所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述参考节点(7)包括处理器、电源、存储器、超宽带信号产生单元、能量检测接收机结构、超宽带天线、开关电路。
10.根据权利要求7所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述目标节点(8)包括处理器、电源、存储器、超宽带信号产生单元、能量检测接收机结构、超宽带天线、开关电路。
11.根据权利要求7所述的煤矿井下超宽带定位系统，其特征在于，所述能量检测接收机结构包括超宽带天线、低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF、平方器、积分器、采样开关、判决器。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿井下超宽带定位方法及系统。本方法采用基于非参数NLOS鉴别和加权最小二乘法的UWB定位技术，用一种非参数NLOS鉴别方法来进行NLOS鉴别，然后根据NLOS鉴别结果分配相应的加权因子，构造一个新的加权最小二乘法定位算法，并用该算法来估计出目标节点的位置。本系统包括远程监视层的浏览器服务器，数据服务器，地面监控终端，交换机，现场监控层的目标节点，参考节点，网关和基站，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。本发明抗干扰能力强，定位精度高，成本低，系统设备结构简单，能耗小等特点，更加适合巷道工作环境。
文档编号G01S5/00GK102680941SQ20121017915
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者王宝宝, 田子建 申请人:中国矿业大学(北京), 王宝宝