專利名稱：煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于定位技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種煤礦井下超寬帶精確定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭是我國的主要能源，但由于我國的煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，生產(chǎn)條件惡劣，開采技術(shù)水平相對落后，生產(chǎn)人員素質(zhì)較低，導(dǎo)致我國煤礦生產(chǎn)的事故頻發(fā)，煤礦安全問題嚴(yán)重制約了我國煤炭工業(yè)的健康發(fā)展。我國煤礦井下是一個(gè)特殊的受限環(huán)境，它是由各種縱橫交錯(cuò)、形狀不同、長短不一的巷道組成，其長度可達(dá)幾十到上百公里，且在工作面處巷道的長度是變化的，因此礦井巷道目標(biāo)定位同一般建筑物內(nèi)、公路、鐵路隧道等限定空間的目標(biāo)定位相比，其服務(wù)半徑較大。煤礦井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，定位設(shè)備必須是防爆型電氣設(shè)備，并宜采取安全性能好的本質(zhì)安全型防爆措施。無線信號在巷道內(nèi)傳輸存在著大量的反射、散射、衍射以及透射等現(xiàn)象。礦井巷道空間狹小，定位設(shè)備的體積、特別是天線體積不能很大。本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備的最大輸出功率為25W左右，為將礦井定位設(shè)備制成本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備，設(shè)備的發(fā)射功率一般較小。由于巷道相對密閉，不能借助GPS 等地面已有的衛(wèi)星定位來輔助井下定位。由此可見，地面成熟的定位技術(shù)無法直接應(yīng)用于井下。目前，我國的井下人員無線定位系統(tǒng)主要以射頻識別RFID或PHS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，它是一種二級集散式的監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對井下人員位置監(jiān)測，顯示人員身份等信息。國內(nèi)外針對煤礦井下的定位系統(tǒng)還有WiFi、ZigBee，以及紅外、超聲波、藍(lán)牙等。但上述方法和系統(tǒng)都存在這以下問題RFID方法信號不穩(wěn)定，漏讀本身決定了定位精度取決于基站的密度， 這就限制了定位精度的提高；紅外線穿透性差，只適合短距離傳輸，且容易被熒光燈或直射光干擾；超聲波在多徑環(huán)境下效果差；無線局域網(wǎng)技術(shù)要求被定位的物體必須支持無線局域網(wǎng)，且定位精度低；藍(lán)牙技術(shù)成本高，復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定性較差；基于Zigbee、WiFi等技術(shù)的計(jì)算電磁波能量的定位系統(tǒng)，目前國內(nèi)已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)，如KJ361等，由于這些技術(shù)自身的特點(diǎn)決定，在用于位置檢測時(shí)這類系統(tǒng)難以達(dá)到很好的精度，基于Zigbee、WiFi等技術(shù)的定位系統(tǒng)在地面室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用情況也不理想。超寬帶技術(shù)采用極寬的頻譜或極窄脈沖傳送信息，具有很強(qiáng)的時(shí)間分辨能力，特別在使用基于到達(dá)時(shí)間的定位方法時(shí)能達(dá)到很高的精度，相對紅外、超聲波、藍(lán)牙等方法， 不需要產(chǎn)生正弦載波，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)成本低；超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時(shí)間上是可分離的，抗干擾能力強(qiáng)；超寬帶系統(tǒng)使用脈沖的持續(xù)時(shí)間一般在0. 20ns 2ns之間，有很低的占空比，在高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量僅為幾百uW至幾十mW，功耗低。而且井下封閉環(huán)境不受頻率使用的限制。因此，基于超寬帶的定位技術(shù)也應(yīng)該非常適合在煤礦井下使用?，F(xiàn)有的超寬帶定位系統(tǒng)大都采用單一的基于時(shí)間定位方法，或者結(jié)合基于時(shí)間和基于角度的定位方法。但巷道內(nèi)存在大量的水汽、粉塵等，發(fā)射天線發(fā)出的每一個(gè)脈沖都會發(fā)生反射、散射、繞射等現(xiàn)象，沿著不同的路徑到達(dá)接收端，這就給定位時(shí)間參數(shù)的測算帶來很大的困難。不僅如此，由于巷道的幾何形狀的約束和定位成本的限制，定位參考節(jié)點(diǎn)不能在一個(gè)平面空間內(nèi)隨機(jī)的、密集的部署，只能沿巷道方向部署，而單一的基于時(shí)間的定位方法的精確度要求至少三個(gè)以上的參考點(diǎn)才能保證。此外，基于到達(dá)角度定位法需要是由陣列天線，系統(tǒng)設(shè)備比較昂貴、復(fù)雜，設(shè)備體積比較龐大，不適合礦井巷道使用。所以，地面現(xiàn)有的超寬帶定位系統(tǒng)不能直接應(yīng)用于礦井巷道。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述不足之處，特別是為解決目前礦井定位系統(tǒng)覆蓋范圍小、抗干擾能力差、定位精確度低、巷道中定位參考點(diǎn)的布置數(shù)量及布置密度受限、礦井定位設(shè)備體積受限，超寬帶信號在礦井巷道中傳輸時(shí)多徑效應(yīng)嚴(yán)重等問題。本實(shí)用新型提供一種精確實(shí)時(shí)的煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用超寬帶技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、定位精確、系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點(diǎn)，并結(jié)合礦井巷道實(shí)際工作環(huán)境，利用有限的參考點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確地目標(biāo)定位，滿足了礦井生產(chǎn)調(diào)度和災(zāi)后及時(shí)救援的需要。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)由上層終端、定位數(shù)據(jù)服務(wù)器、地面監(jiān)控終端、交換機(jī)、本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)、本質(zhì)安全型無線中繼、本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端和本質(zhì)安全型定位終端組成；定位數(shù)據(jù)服務(wù)器和地面監(jiān)控終端通過交換機(jī)與本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)，并通過^ternet網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)傳送給上層終端；巷道內(nèi)本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)通過總線掛接在交換機(jī)上；本質(zhì)安全型定位終端由井下作業(yè)人員或者機(jī)械裝置攜帶；本質(zhì)安全型定位終端，本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端，本質(zhì)安全型無線中繼以及本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)構(gòu)成脈沖超寬帶無線定位網(wǎng)絡(luò)。所述地面監(jiān)控終端包括處理器單元、參考點(diǎn)標(biāo)識存儲單元、電源接口、誤差概率分布存儲單元、參考點(diǎn)位置存儲單元和有線接口。所述本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)包括CAN總線接口、PR0FIBUS總線接口、L0NW0RKS總線接口、 FF總線接口、接口轉(zhuǎn)換單元、電源接口、無線接口單元、超寬帶天線和開關(guān)電路。所述本質(zhì)安全性參考點(diǎn)終端包括處理器、標(biāo)識碼存儲單元、電池、標(biāo)稱區(qū)間存儲單元、延遲器、超寬帶信號產(chǎn)生單元、超寬帶接收單元、超寬帶天線和開關(guān)電路。所述本質(zhì)安全型定位終端包括處理器、標(biāo)識碼存儲單元、電池、用戶接口單元、信號強(qiáng)度濾波電路、超寬帶信號產(chǎn)生單元、超寬帶接收單元、信號特征存儲單元、信號特征采集器、超寬帶天線和開關(guān)電路。所述本質(zhì)安全型定位終端沿巷道在同一側(cè)同一高度上沿一定的距離布設(shè)。所述本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)、本質(zhì)安全型無線中繼、本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端和本質(zhì)安全型定位終端均布置在井下，采用本質(zhì)安全型防爆設(shè)備。作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，本實(shí)用新型中各設(shè)備具有以下功能 定位數(shù)據(jù)服務(wù)器，接收并存儲目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。地面監(jiān)控終端，記錄本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端的位置信息；沿巷道走向劃分連續(xù)重疊的帶狀小區(qū)，作為中心本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端的定位服務(wù)區(qū)域；根據(jù)各小區(qū)范圍，計(jì)算本質(zhì)安全型定位終端進(jìn)入小區(qū)時(shí)接收來自中心本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端的定位信號的強(qiáng)度測量值區(qū)間，作為中心本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端的標(biāo)稱區(qū)間，并發(fā)送給本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端；計(jì)算接收信號強(qiáng)度定位方法和到達(dá)時(shí)間定位方法的概率誤差分布fKSS和fTOA ；接收本質(zhì)安全型定位終端發(fā)送的與所選各本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端的兩組距離信息Cl1^.和dTWU，其中j表示所選第j個(gè)參考點(diǎn)終端，根據(jù)接收信號強(qiáng)度定
位方法和到達(dá)時(shí)間定位方法誤差概率分布，利用式
權(quán)利要求1.一種煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)由上層終端、定位數(shù)據(jù)服務(wù)器、地面監(jiān)控終端、交換機(jī)、本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)、本質(zhì)安全型無線中繼、本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端和本質(zhì)安全型定位終端組成；定位數(shù)據(jù)服務(wù)器和地面監(jiān)控終端通過交換機(jī)與本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)，并通過hternet網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)傳送給上層終端；巷道內(nèi)本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)通過總線掛接在交換機(jī)上；本質(zhì)安全型定位終端由井下作業(yè)人員或者機(jī)械裝置攜帶；本質(zhì)安全型定位終端，本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端，本質(zhì)安全型無線中繼以及本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)構(gòu)成脈沖超寬帶無線定位網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地面監(jiān)控終端包括處理器單元、參考點(diǎn)標(biāo)識存儲單元、電源接口、誤差概率分布存儲單元、參考點(diǎn)位置存儲單元和有線接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)包括CAN總線接口、 PR0FIBUS總線接口、L0NW0RKS總線接口、FF總線接口、接口轉(zhuǎn)換單元、電源接口、無線接口單元、超寬帶天線和開關(guān)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質(zhì)安全性參考點(diǎn)終端包括處理器、 標(biāo)識碼存儲單元、電池、標(biāo)稱區(qū)間存儲單元、延遲器、超寬帶信號產(chǎn)生單元、超寬帶接收單元、超寬帶天線和開關(guān)電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質(zhì)安全型定位終端包括處理器、 標(biāo)識碼存儲單元、電池、用戶接口單元、信號強(qiáng)度濾波電路、超寬帶信號產(chǎn)生單元、超寬帶接收單元、信號特征存儲單元、信號特征采集器、超寬帶天線和開關(guān)電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質(zhì)安全型定位終端沿巷道在同一側(cè)同一高度上沿一定的距離布設(shè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)、本質(zhì)安全型無線中繼、本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端和本質(zhì)安全型定位終端均布置在井下，采用本質(zhì)安全型防爆設(shè)備。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種煤礦井下超寬帶定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上層終端，定位數(shù)據(jù)服務(wù)器，地面監(jiān)控終端，交換機(jī)，本質(zhì)安全型網(wǎng)關(guān)，本質(zhì)安全型無線中繼，本質(zhì)安全型參考點(diǎn)終端和本質(zhì)安全型定位終端組成。該系統(tǒng)采用帶狀小區(qū)制兩步定位方案，首先利用連續(xù)重疊的定位服務(wù)小區(qū)測算目標(biāo)所在區(qū)域范圍，再利用基于累積平均加權(quán)的混合定位方案得到目標(biāo)精確位置，具有抗干擾能力強(qiáng)、精確度高、系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，更加適合巷道工作環(huán)境，并滿足煤礦井下特定的使用環(huán)境與安全要求，解決了目前礦井定位系統(tǒng)覆蓋范圍小、抗干擾能力差、定位精確度受定位參考點(diǎn)的數(shù)量及密度限制、定位設(shè)備體積大，超寬帶信號在礦井巷道中傳輸時(shí)多徑效應(yīng)嚴(yán)重等實(shí)際應(yīng)用問題。
文檔編號G01S5/00GK202025078SQ20112009457
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者孫繼平, 李鳴 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)