【摘要】：礦井人員定位系統(tǒng)是煤礦安全避險“六大系統(tǒng)”之一,礦井人員定位方法的研究和應(yīng)用,對煤礦安全生產(chǎn)和應(yīng)急救援具有重要意義。礦井無線電定位是一項系統(tǒng)工程,本文總體的研究思路是以研究適應(yīng)礦井巷道特征的目標(biāo)定位方法為核心,以研究擴(kuò)頻測距技術(shù)為保障,以研究通信定位一體化方案為支撐,運用理論分析和仿真實驗的方法對礦井定位的測距機制、定位算法等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究。測距是無線定位的根本。研究直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)測距基本原理,分析了其在井下應(yīng)用的局限性。偽隨機(Pseudo-Noise,PN)碼捕獲時間長,擴(kuò)頻信號需要高帶寬信道,井下多徑效應(yīng)還會引起PN碼相位延遲,因而使得DSSS測距技術(shù)難以在煤礦井下應(yīng)用。為了將直接序列擴(kuò)頻測距技術(shù)應(yīng)用于井下,設(shè)計了一種并行的PN碼同步精測算法,利用FPGA高速的并行處理能力,開辟L-1條相位彼此相差一個PN碼片的相關(guān)通道,在各相關(guān)通道中分別對擴(kuò)頻碼調(diào)制的數(shù)字基帶信號相關(guān)運算后進(jìn)行高頻率采樣,大幅度提高了信號處理帶寬,能夠在粗同步的基礎(chǔ)上直接得到更高的時間分辨率。隨后對此方法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果顯示,該方法性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PN碼跟蹤環(huán)路精測技術(shù)。由于測距精度決定定位精度,線性調(diào)頻擴(kuò)頻(Chirp Spread Spectrum,CSS)技術(shù)在測距領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,本文更進(jìn)一步地研究了CSS在井下測距的特性,提出了一種專門針對CSS測距行為的測距模型,模型關(guān)注的是CSS信號接收端的統(tǒng)計規(guī)律,因而簡單有效地以瑞利信道描述CSS信號在礦井的傳播特性,同時提煉出能夠體現(xiàn)巷道特征并能體現(xiàn)多徑時延的面積影響因子,確定所能接收的最小功率的多徑信號,將它們合理地擬合到IEEE802.11任務(wù)組所提出的多徑信號功率延遲分布指數(shù)模型中,通過指數(shù)模型描述各條不同路徑信號;根據(jù)CSS測距原理,在接收端建立了礦井環(huán)境下的CSS測距模型。通過大量實測試驗,所建立測距模型的統(tǒng)計特性與實測數(shù)據(jù)基本匹配,能準(zhǔn)確刻畫密集多徑環(huán)境下接收端的CSS測距統(tǒng)計規(guī)律。利用所建立模型進(jìn)行分析,得出了關(guān)于井下巷道CSS測距一些有價值的結(jié)論,并給出了煤礦井下CSS測距誤差的一個簡明數(shù)學(xué)表達(dá)式。研究了井下長直巷道的特點,緊貼巷道實際,提出了巷道定位算法設(shè)計的三條原則:提高定位精度;緊貼礦井巷道實際環(huán)境,充分利用巷道信息;性價比優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上,提出一種測距平面約束下投影巷道空間的定位方法,方法以巷道延伸方向為x軸,巷道寬方向為y軸,建立測距平面,采用向x方向投影實現(xiàn)移動目標(biāo)的一維定位,并充分利用y方向的冗余信息對定位目標(biāo)點在測距平面上加以約束以使得x方向的估計值向真實值趨近,同時測距偏移誤差轉(zhuǎn)移到定位目標(biāo)點的y方向,顯著優(yōu)化了x方向的定位精度。通過實驗驗證,該方法定位均方根誤差在1 m以下,在巷道方向上可獲得零均值誤差的定位估計值,實現(xiàn)長直巷道下目標(biāo)精確定位。利用CSS測距模型研究了井下巷道擴(kuò)頻測距偏差特性,發(fā)現(xiàn)非視距信號(Non-Line-Of-Sight,NLOS)與視距信號在接收端有相似的時延統(tǒng)計規(guī)律,據(jù)此,提出了一種適用于彎曲巷道的基于測距值二次重構(gòu)的定位方法,由于礦井巷道的位置、走向是已知的,為巷道內(nèi)移動目標(biāo)的位置估計帶來了許多有利的空間約束,因此,方法充分利用了巷道的位置信息,首先對彎曲巷道的NLOS測距值進(jìn)行第一次重構(gòu)以獲得移動目標(biāo)與相應(yīng)基站直線距離的估計值,利用此重構(gòu)值建立觀測方程;接著第二次重構(gòu)將觀測方程的解點投影到巷道空間,獲得位置估計點;最后,設(shè)計卡爾曼濾波器進(jìn)一步優(yōu)化位置估計點的定位精度,從而實現(xiàn)在更為一般的曲線巷道下的定位。仿真結(jié)果表明,方法在平均曲率為0~0.30的彎曲巷道中具有較為理想的定位精度;進(jìn)而在平均曲率為0.192的某地鐵人行彎曲通道所做的實測實驗顯示,方法定位均方根誤差為0.891 m,誤差累積分布理想,適用于井下人員精確定位。按煤礦信息化與智能化的要求,研究了WiFi平臺集成TOA精確定位功能的方法,針對WiFi基本沒有精確測距功能的現(xiàn)狀,提出一種對WiFi信號進(jìn)行二次擴(kuò)頻以獲得高時間分辨率的TOA測距方法。利用已有的WiFi平臺,采用了DSSS-DSSS結(jié)合的信號新體制,在不影響原有WiFi系統(tǒng)正常工作情況下,擴(kuò)頻復(fù)用WiFi信號,提高WiFi信號碼速,并利用FPGA設(shè)計的高速數(shù)字匹配濾波器擴(kuò)頻碼捕獲算法,能夠在亞碼片級上對WiFi移動站發(fā)出的測距信號進(jìn)行捕獲,進(jìn)而得到高分辨率的信號傳播時延。實驗結(jié)果表明,本文提出的方法測距誤差均值在2m以內(nèi),接近802.15.4a協(xié)議的CSS測距性能。在上述方法的支撐下,提出了無縫對接現(xiàn)有WiFi通信平臺的方案,在煤礦WiFi平臺上給出了建立了人員定位和通信聯(lián)絡(luò)一體化的系統(tǒng)的方法。本文的創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在以下五個方面:(1)首次給出了井下巷道的CSS測距模型。利用所建立模型進(jìn)行分析,得出了關(guān)于井下巷道CSS測距一些有價值的結(jié)論,比如非視距情況下的測距誤差特性、巷道截面面積與測距誤差的關(guān)系等等,并歸納給出了井下環(huán)境的CSS測距誤差簡明的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這對于研究礦井巷道環(huán)境下的CSS測距精度提供了理論依據(jù)及可行的仿真平臺,對定位方法的研究以及基于TOA測距的高精度定位系統(tǒng)設(shè)計具有理論指導(dǎo)意義。(2)提出統(tǒng)一井下巷道NLOS和LOS定位場景的思想,并在此思想指導(dǎo)下,解決了彎曲巷道下的目標(biāo)定位的難題。提出了一種適用于彎曲巷道的基于測距值二次重構(gòu)的定位方法,方法充分利用了巷道的位置信息,在統(tǒng)一井下巷道NLOS和LOS定位場景的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了在更為一般的曲線巷道下的目標(biāo)定位。相比現(xiàn)有的礦井定位方法,具有更大的普適性。NLOS信號一方面會影響測距精度,另一方面它與LOS信號在接收端的時延統(tǒng)計規(guī)律是相似的,同樣蘊含有可用的測距信息。統(tǒng)一井下巷道NLOS和LOS定位場景的思想,為定位方法能夠在更為復(fù)雜的環(huán)境下應(yīng)用開啟了一種新思路。(3)提出測距平面約束下抑制測距誤差的長直巷道定位方法。由于礦井巷道是狹長鏈狀的,可以忽略定位目標(biāo)在巷道內(nèi)橫截面上的信息,方法在實現(xiàn)目標(biāo)的一維定位的同時,創(chuàng)造性地利用y方向的冗余信息對定位目標(biāo)點在測距平面上加以約束以使得x方向的估計值向真實值趨近,顯著優(yōu)化了x方向的定位精度。方法實現(xiàn)僅需要2個定位基站參與,降低了TOA定位系統(tǒng)的硬件要求。特別適用于煤礦長直空間的定位。所設(shè)計的方法完全遵循設(shè)計的三條原則,方法設(shè)計的思想值得借鑒。(4)提出了一種無需精同步的煤礦井下直接序列擴(kuò)頻精確測距方法所設(shè)計的并行的PN碼同步精測算法,能夠高效解決擴(kuò)頻碼同步問題,無需另行設(shè)計PN碼跟蹤環(huán)路,降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。能為煤礦井下精確定位系統(tǒng)提供一種可靠的測距技術(shù)支持。(5)提出了一種可行的通信系統(tǒng)和TOA定位系統(tǒng)二合一的WiFi解決方案。統(tǒng)一井下各無線系統(tǒng)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。本文在現(xiàn)有的WiFi平臺上,采用DSSS-DSSS結(jié)合的信號新體制,在不影響原有WiFi系統(tǒng)正常工作情況下,擴(kuò)頻復(fù)用WiFi信號,提高WiFi信號碼速,在賦與WiFi系統(tǒng)TOA精確測距能力的同時,能無縫對接現(xiàn)有的礦井WiFi通信平臺,所給出的方案對于在煤礦WiFi平臺上建立人員定位和通信聯(lián)絡(luò)一體化的系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN92
【圖文】：

式只能實現(xiàn)區(qū)域定位：當(dāng)佩戴 TAG 的人員或設(shè)備經(jīng)過 Reader 時，Reader 會獲得該TAG 的信息，并判斷該 TAG 處在自己周圍的區(qū)域內(nèi)，但并不知曉該 TAG 距自身的距離，僅僅能實現(xiàn)一個大概范圍的定位。圖 1.2 顯示的是西新源煤礦的人員監(jiān)控管理系統(tǒng)[54]人員歷史活動軌跡界面：圖 1.2 KJ90 人員監(jiān)控系統(tǒng)歷史活動軌跡監(jiān)控Fig.1.2 KJ90 monitoring system track schematic diagram從圖 1.2 中可以看出，井下人員活動軌跡只能得到所定位人員大致在哪個區(qū)域，經(jīng)過了哪個 RFID 讀頭，例如，9:11:00 到 11:33:00 這段時間內(nèi)，只能查到白志偉在 12209 尾巷，但并不能知曉該人員在 12209 尾巷的具體位置。該類系統(tǒng)實際上是一種考勤記錄系統(tǒng)，沒有精確定位功能。綜上述，我國煤礦實際應(yīng)用的人員定位系統(tǒng)大多數(shù)所實現(xiàn)的是區(qū)域定位，在實際應(yīng)用中實現(xiàn)對井下人員精確定位與跟蹤技術(shù)

前應(yīng)用實際的，因此本文研究重點在于 range-based 的定位機制，后說明，一律指 range-based 的定位機制。無線定位思想是通過所接收從中獲取移動節(jié)點與定位基站（亦可是信標(biāo)節(jié)點、錨節(jié)點）間的距位基站已知的位置信息，通過一定的定位算法，得到移動節(jié)點的位估計即為移動節(jié)點的定位結(jié)果。其過程如圖 2.1 所示

Fig.2.2 Basic structure of wireless positioning2.2 常用的測距無線信號2.2.1 紅外線紅外線（Infrared Ray，IR）本質(zhì)上是電磁波，只是波長有所不同。理想條件

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2800681