无需时钟同步的煤矿井下精确定位方法与流程

本发明涉及一种无需时钟同步的煤矿井下精确定位方法，该方法涉及无线电通信、测距和定位技术等领域。

背景技术：

《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》(安监总煤装[2010]146号)要求建设完善煤矿井下人员定位系统。发挥井下人员定位系统在定员管理和应急救援工作中的作用。“应优先选择技术先进、性能稳定、定位精度高的产品，确保准确掌握井下人员动态分布情况和采掘工作面人员数量”。井下人员定位常用的定位方法有：接受信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)，测量到达时间(Time Of Arrival,TOA)，测量到达时间差(Time Difference Of Arrival,TDOA)和射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)等方法。到达时间定位TOA需定位卡与分站、分站与分站之间严格同步，系统同步困难，晶振稳定性要求高，系统复杂，成本高。到达时间差TDOA定位不需定位卡与分站同步，但需分站与分站之间严格同步，系统同步困难，晶振稳定性要求高，成本较高，特别是识别卡成本高。目前矿井实际使用以基于射频识别技术(RFID)的定位系统数量最大，使用RFID具有以下问题：定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位,不能做到误差为几米的精确定位；受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。信号强度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传输损耗模型计算移动节点与锚节点间的距离。移动节点接收到的信号强度随距离发射机的位置变化而变化，即移动节点距离发射机距离越近，接收到的信号强度越强，反之，移动节点距发射机越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果，RSSI方法简单易实施。但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加锚节点的密度和通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但井下环境多为隧道组成的线状环境，无法得到平面上其它方向的场强数据，所以当隧道中存在如较大金属遮挡物等其它影响无线信号传输的因素时，定位误差较大。所以需要一种原理简单，不需系统时钟同步的，而且可以消除定位设备晶振偏移等误差的新的精确定位方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种无需时钟同步的煤矿井下精确定位方法，将矿井下巷道作为一维通道进行分析，采用定位分站+定位卡的系统结构，无需定位卡进行任何计时和数据运算，可有效消除定位卡的时钟和晶振偏移误差，利用已知的分站间的距离可以得到准确的人员定位卡与分站之间距离，实现精确定位。所述定位方法如下：

在矿井下巷道中间隔一定距离安装定位分站，相邻分站可相互无线通信，分站为通信距离内的定位卡提供定位服务，在定位区域内应保证定位卡可与两个分站同时进行通信；由分站对通信范围内的至少1个定位卡发起测距，至少1个相邻分站不同时对被测定位卡发送定位测距信号，定位卡接收测距信号后，向发送测距信号的分站回复测距信号，分站接收到测距信号的回复信号后记录从发送到接收测距信号的时间，根据各分站提供的测距信号发收的时间数据和相邻分站的距离计算得到定位卡与各分站的距离，根据定位卡与各分站的距离及分站位置实现定位。所述的定位方法按照以下步骤进行测距定位：

步骤1.分站A向通信范围内的移动定位卡M和相同方向上的相邻分站B发送测距信号；

步骤2.定位卡M识别接收到测距信号后立刻向分站A回复测距信号；

步骤3.分站B识别接收到测距信号后立刻向定位卡M发送测距信号；

步骤4.定位卡M识别接收到测距信号后立刻向分站B回复测距信号；

步骤5.分站A识别接收到定位卡M回复的测距信号,记录从发送到接收测距信号的时间TAM；

步骤6.分站B识别接收到定位卡M回复的测距信号,记录从发送到接收测距信号的时间TBM；

步骤7.分站B向发起测距的分站A发送所记录的时间数据TBM；

步骤8.分站A对数据进行处理获得定位卡与两分站的距离，运算方式如下：

dBM＝dAB-dAM

式中dAM、dBM分别为定位卡M与分站A、分站B之间的距离；dAB为分站A与分站B之间的距离，安装分站时确定；c为测距信号传输速度；

步骤9.根据dAM、dBM及分站A、分站B位置数据实现定位。

附图说明

图1井下定位系统组成示意图。

图2定位卡原理组成示意图。

图3分站原理组成示意图。

图4定位过程时序图。

图5定位流程示意图。

具体实施方式

所述定位方法通过井下定位系统实现，井下定位系统组成如图1所示：

1.监控终端(101)，生产管理人员通过监控终端访问定位服务器实现对井下工作人员及相关设备的实时监控，监控终端具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能。地理信息平台可使用MapX地图化组件,矿井地图为巷道二维剖面化的矢量地图,地图文件为MapInfo格式。

2.定位存储服务器(102)，负责接收存储由分站发送的定位卡位置数据，并为GIS服务器和监控终端提供调取查询服务。

3.GIS服务器(103)，负责为监控终端提供地理信息服务，使用ArcGIS平台，并存储矿井的相关地理信息数据、分站及井下设备的位置数据。

4.交换机(104)，负责所有接入以太网的设备的数据交换。

5.分站(105)，负责对定位卡进行无线通信与定位，由交/直流电转换设备，与井上交换机通过有线方式连接通信。

6.交/直流电转换设备(106)，将井下交流电源转换为直流电通过供电线缆为分站供电。

7.定位卡(107)，与分站进行无线通信，安装于井下移动的设备上或由工作人员携带。

定位卡设备原理组成如图2所示：

1.处理器(201)，工作频率高于150MHz，用于对计时器(203)计时数据的处理；

2.存储单元(202)，用于处理器(201)处理数据存储和设备识别信息的存储；

3.计时器(203)，记为计时器CM，应采用高分辨率智能计时器，其时间分辨率τ需要满足按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和时间记录，例如采用泰克公司FCA3000计时器，分辨率为100ps即10-10s并可为用户提供自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测量结果、并创建报告等功能；

4.无线通信单元(204)：包括无线通信模块和天线。无线通信模块核心芯片采用AtherosAR9220；天线采用FPC板型内置天线，通过柔性专用转接线与主板上AR9220引出的IPX接口连接,最大增益不小于3.5dBi。

5.电源单元(205)：包括电池、电压转换和电池充电管理部分，电池使用锂离子蓄电池，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路,具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用MAX1724电源芯片。电池充电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。

分站原理组成如图3所示：

处理器(301)，工作频率需高于150MHz，用于对计时器8计时数据的处理，和定位运算与通信控制。

存储单元(302)，用于数据存储和设备识别信息的存储；

计时器(303)，记为计时器CB，应采用高分辨率智能计时器，其时间分辨率τ需要满足按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时和时间记录，例如采用泰克公司FCA3000计时器，分辨率为100pd即10-10s并可为用户提供自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测量结果、并创建报告等功能；

无线通信单元(304)：包括两个无线通信模块和定向天线。无线通信模块核心芯片可采用Atheros AR9220，采用计时模式进行无线信号的发送和接收；两个定向天线分别向巷道的两个走向发送和接收无线信号实现信号覆盖，覆盖距离应大于与相邻分站的距离。

有线通信单元(305)包括有线通信模块和通信接口。有线通信模块核心芯片采用Atheros AR8035，支持千兆以太网。通信接口采用标准以太网通信接口。

电源单元(306)：包括电池、电压转换和电池充放管理部分，电池使用锂离子蓄电池，起备用电源功能，电池容量应能保证分站无外部供电的情况下正常工作2小时以上，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路,具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将交/直流电转换设备(106)输入的直流电转换为转换为其它单元元件和锂电池充电所需电压，采用MAX1724电源芯片。电池充电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。

具体定位过程的时序如图4所示，完整的一次定位流程如图5所示：

(401)当定位卡A定时定位时间到或监控终端发起一次定位时，分站A向通信范围内的移动定位卡M和相同方向上的相邻分站B发送测距信号；

(402)定位卡M识别接收到分站A发送的测距信号；

(403)分站B识别接收到分站A发送的测距信号；

(404)定位卡M向分站A回复测距信号；

(405)分站A识别接收到定位卡M回复的测距信号；

(406)分站A记录从发送到接收测距信号的时间TAM；

(407)分站B向定位卡M发送测距信号；

(408)定位卡M识别接收到分站B的发送测距信号；

(409)定位卡M向分站B回复测距信号；

(410)分站B识别接收到定位卡M回复的测距信号；

(411)分站B记录从发送到接收测距信号的时间TBM；

(412)分站B向分站A发送所记录的时间数据TBM；

(413)分站A识别接收到分站B发送的时间数据TBM；

(414)分站A对数据进行处理获得定位卡与两分站的距离，运算方式如下：

dBM＝dAB-dAM

式中dAM、dBM分别为定位卡M与分站A、分站B之间的距离；dAB为分站A与分站B之间的距离，安装分站时确定；c为测距信号传输速度；

(415)分站A根据dAM、dBM及分站A、分站B位置数据(xA,yA),(xB,yB)进行定位运算，运算方式如下：

(416)分站A通过有线通信方式将定位卡M的位置数据上传至定位存储服务器(102)。