一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统及定位方法，属于矿井监控与通信领域。井下人员定位模块采用WiFi综合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人员定位卡的系统结构，利用一路有线信号媒介和两路无线WiFi信号媒介测量信号在人员定位卡与通信基站之间、与定位分站之间的传输时间，进行抑制计时误差计算，得到准确的距离值，利用接收信号的定向天线覆盖方向获取人员方向，实现煤矿井下人员位置准确定位。本发明专利技术以不增加设备数量和密度为前提，集成于煤矿井下WiFi综合通信系统中实现煤矿井下人员准确定位，解决了现有煤矿井下人员定位系统提高人员定位准确性的难题及与通信系统分立管理的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体是应用于矿井监控与通信领域。
技术介绍
《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 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”。目前我国煤矿建设煤矿井下人员定位系统的建设普及情况良好。目前国内采用的系统基本采用有源方式的传输网络结合无线发射器，所采用的矿井人员定位技术主要是区域定位技术和基于接收场强的RSS(Received Signal Strength)方法。上述系统和方法在实际应用中存在着一定的问题。区域定位技术获取人员位置信息的方式是通过监测站对一定区域内的识别卡进行监测，监测到该区域内有某一 ID的识别卡时，读取该识别卡信息并将其传输至监控室，其位置信息即被记为该监测站的位置信息，即监测结果为该ID的识别卡所属工作人员出现在该区域内。区域定位技术的能够监测某ID的识别卡所属工作人员出现在该区域内，但并不能向监控室提供该工作人员 在该区域的具体位置，如监测站的监测半径不小于30m，这就意味着区域定位技术的定位精度不大于30m,因此,在特殊情况下,如发生事故后的应急救援过程中，无法确定被困人员的精确位置，就会对救援工作产生不利的影响。另一方面，目前所采用的区域定位技术所监测记录的井下人员活动路线，是通过井下人员经过的每个监测点的位置进行连线所得出的，从数学语言而言，目前的井下人员活动路线绘图是离散的，在某种情况下并不能代表井下人员的真实活动路线。此外，如需提高定位精度，需要采用增加监测设备来实现，但是过多增加设备会增大系统负荷和降低系统稳定性。目前我国煤矿采用的精确定位技术主要是基于接收场强的RSS(ReceivedSignalStrength)方法。利用电磁波传播的信道衰落模型，通过检测收发信号的场强损耗反推出信号传输的距离，根据计算得出相应的人员所在位置。实际当中，电波在巷道中传播有能量损耗，需要根据空间有损信道传输损耗公式进行计算，空间有损信道传输损耗公式为Lb = Lbf+A (dB) = 32. 45+201gf (MHz) +20Igr (km) -Gi (dB) -Ge (dB) +A (dB) (I)式中f为信号频率，r为传输距离，Gi, Ge分别为发射天线增益和接收天线增益，Lb为空间有损信号传输信号，Lbf为自由空间传输损耗，A为巷道的损耗中值Lb。但是，煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，空间狭小且有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙等，传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，巷道损耗中值很难准确地描述巷道无线信道的损耗模型，这是RSS方法的一个主要弊端。另一方面，由于传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，在有机车经过或者其他偶然出现时，机车等物体会造成识别系统之间信号传播的较大损耗，会造成较大的识别误差；在监测站覆盖的远端，甚至会出现漏检的状况。作为人员精确位置定位的另一种技术手段，基于到达时间的T0A(Time ofArrival)方法，主要测量信号在发射机和接收机之间的单程传播时间或者往复传播时间，前一种方法需要接收机知道信息发出的准确时间，并且接收机具有非常稳定和准确的时钟；后一种方法不要求发射机和接收机同步，是一种测量时间的方法。TOA方法不是通过计算无线信号损耗来确定人员位置，而是通过测量信号到达时间来测量人员位置，受环境影响相对小，在航空、电信行业中作为人员精确定位的技术手段被广泛应用，但在煤矿井下的环境复杂，不同于航空、电信行业定位技术的应用环境。目前WiFi (Wireless Fidelity)通信系统在煤矿井下得到了广泛应用，通信频率在2. 4GHz，工作频率高，其网络结构采用基站+交换机的方式，技术是现在的主流短距离无线通信技术，802.1lg协议的带宽可达54Mbit/s，抗干扰能力比较强；设备体积小，成本低，适合用于全矿井移动通信系统，符合煤矿井下人员定位技术的发展方向和应用要求。中国专利申请号200910079144. X，公开日2009年07月29日，公开了一种TOA估计方法及装置，该方法包括根据干扰消除后的NB和本地训练序列进行信道估计，并生成信道估计值；根据所述信道估计值进行TOA估计，并根据TOA估计结果对当前NB的同步位置进行调整。在进行TOA估计之前，对信号先进行干扰消除的方式，克服在现有的强干扰无线环境中由干扰引起的能量估值的偏差，从而最终影响TOA估计的缺陷。能够在强干扰无线环境下能够获得更为准确的能量估值，并且无需对搜索窗的调整方法进行调整。中国专利申请号200910237602. 8，公开日2010年05月05日，公开了一种TOA定位的估计方法及基于该估计方法的精确定位方法。该定位方法包括步骤发射带定位信息的多载波数字电视信号，定位信息包括发射端的二维或三维坐标位置信息和定位数据，定位数据为已知序列；对接收到的多载波数字电视信号进行时域帧同步，从而得到传输时延粗估计值；截取定位数据 ，利用TOA定位估计方法计算得到传输时延细估计值，进而得到接收端与发射端间距离的估计值；求出接收端与多个发射端之间距离的估计值之后，根据距离的估计值及二维或三维坐标位置信息利用定位算法计算得到用户所在位置的二维或三维位置信息及二维或三维速度信息。煤矿井下巷道中，具有甲烷等可燃性气体和煤尘，空间狭小且有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙等，传输损耗大，在通信信道中会出现很多不固定、不可预知的损耗因素，无法有效进行信号能量估值；同时，煤矿井下巷道呈条状或带状分布，巷道走向长度可达数十公里，而宽度与高度仅仅可达数米，因此不可作为二维平面或者三维空间进行分析，因此，应用于地面的上述结合能量估值或者以二维平面或者三维空间为定位环境的TOA定位系统和方法不适合直接应用于煤矿井下人员定位。
技术实现思路
本专利技术提供了，将煤矿井下巷道作为一维通道进行分析，采用WiFi综合通信基站+WiFi定位分站+WiFi人员定位卡的系统结构，以及双路WiFi媒介+单路光纤媒介的模式，利用一条明确参考距离的有线信号路径和两条待测距离的无线WiFi信号路径，进行抑制计时误差计算，得到准确的人员定位卡与通信基站之间、与定位分站之间的信号传输时间，进而得出相关距离，结合综合通信基站定向天线的接收信号方向获取人员所在方向，实现煤矿井下人员位置精确定位以下对本专利技术加以论述。一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，包括以下模块地面监控调度模块，用于接收通过数据传输处理模块传输的井下人员定位模块的人员位置信息和身份信息，在煤矿地面工作点对井下人员位置进行监控，在出现事故预警或报警时发送调度指令由数据传输处理模块传输至井下人员定位模块，对入井人员进行告m.1=I ，数据传输处理模块，用于地面监控调度模块与井下人员定位模块间数据的处理、传输；井下人员定位模块，基于WiFi通信系统，利用TOA方法检测井下工作人员的位置信息，并通过数据传输处理模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：地面监控调度模块，用于接收通过数据传输处理模块传输的井下人员定位模块的人员位置信息和身份信息，在煤矿地面工作点对井下人员位置进行监控，在出现事故预警或报警时发送调度指令由数据传输处理模块传输至井下人员定位模块，对入井人员进行告警；数据传输处理模块，用于地面监控调度模块与井下人员定位模块之间数据的处理、传输；井下人员定位模块，基于WiFi通信系统，利用TOA方法检测井下工作人员的位置信息，并通过数据传输处理模块与地面监控调度模块进行数据传输，传输人员位置信息和身份信息，接收出现事故预警或报警时的调度指令并进行告警；所述井下人员定位模块、数据传输处理模块所有设备均为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型。

【技术特征摘要】
1.一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，包括以下模块地面监控调度模块，用于接收通过数据传输处理模块传输的井下人员定位模块的人员位置信息和身份信息，在煤矿地面工作点对井下人员位置进行监控，在出现事故预警或报警时发送调度指令由数据传输处理模块传输至井下人员定位模块，对入井人员进行告警； 数据传输处理模块，用于地面监控调度模块与井下人员定位模块之间数据的处理、传输;井下人员定位模块，基于WiFi通信系统，利用TOA方法检测井下工作人员的位置信息， 并通过数据传输处理模块与地面监控调度模块进行数据传输，传输人员位置信息和身份信息，接收出现事故预警或报警时的调度指令并进行告警；所述井下人员定位模块、数据传输处理模块所有设备均为本安防爆设备，防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型。2.根据权利要求1所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于， 所述地面监控调度模块进一步包括监控主机、监控平台软件、调度系统软件；所述数据传输处理模块进一步包括交换机、总线、埋入式光纤传输网络，所述埋入式光纤传输网络作为人员定位信号的有线传输媒介，需施工时埋入巷道侧壁或底板；所述井下人员定位模块的定位精度可达到2m以内，进一步包括WiFi综合通信基站、WiFi定位分站、WiFi人员定位卡。3.根据权利要求2所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于， 所述WiFi综合通信基站记为A类锚节点，集成于煤矿井下WiFi通信系统共用，用于煤矿井下WiFi通信系统通信功能与所述一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统定位功能的实现，间隔为一可设置的已知值，记为2d，单位为m-米，进一步包括WiFi通信子站与WiFi 定位子站。4.根据权利要求3所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于， 所述WiFi定位子站，用于接收来自地面监控调度模块的调度指令，向地面监控调度模块发送定位人员的位置信息和身份信息；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、计时器、运算处理器、存储器、告警器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi信号实现信号覆盖，覆盖距离为已知值d，并判别人员所在方向， 与巷道走向相同的天线覆盖方向记为Dpm,与巷道走向相反的天线覆盖方向记为D_,定位过程中WiFi综合通信基站接收到WiFi信号的定向天线覆盖方向即为人员所在位置方向； 所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收、接收来自地面监控调度模块的调度指令并发送告警指令控制告警器告警、向地面监控调度模块发送人员位置信息和身份信息；所述计时器计为Ca，时间分辨率值τ满足『<|\10'%，用于按照“双路們？1媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行计时；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对定向天线覆盖方向数据、计时器计时数据的处理、按照抑制误差计算公式进行人员位置的距离计算以及整合方向数据和距离数据生成人员位置信息，并将所述人员位置信息与人员身份信息整合由所述有线光信号收发器发送；所述存储器，用于运算处理器处理数据存储；所述告警器，用于接收到来自有线光信号收发器发出的告警指令时，播放告警音进行告警5.根据权利要求2所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于， 所述WiFi定位分站用于实现人员定位功能，记为B类锚节点，设置于2个WiFi综合通信基站距离的中点位置；进一步包括电源、2个定向天线、WiFi信号收发器、有线光信号收发器、 计时器、运算处理器、存储器；所述2个定向天线，分别向巷道的两个走向发送和接收WiFi 信号实现WiFi信号覆盖，覆盖距离为已知值d ;所述WiFi信号收发器，用于按照“双路WiFi 媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行WiFi信号的发送和接收；所述有线光信号收发器，用于按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行光信号的发送和接收；所述计时器计为Cb,时间分辨率τ满足用于按照“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记录；所述运算处理器，工作频率高于 150MHz，用于对计时器记录时间数据的处理；所述存储器，用于运算处理器处理数据的存储。6.根据权利要求2所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于， 所述WiFi人员定位卡，用于人员身份信息的存储和人员定位功能的实现，记为M类移动节点，进一步包括电源、全向天线、WiFi信号收发器、计时器、运算处理器、存储器，集成于煤矿井下WiFi手机或单独配置；所述全向天线用于所述WiFi人员定位卡的信号传输，传输距离为已知值d ;所述WiFi信号收发器，用于所述WiFi人员定位卡按照“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式进行信号发送与接收；所述计时器计为Cm，时间分辨率τ满足r S * X 10.%，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记录；所述运算处理器，工作频率高于150MHz，用于对计时器记录时间数据的处理；所述存储器，用于人员身份信息的存储以及运算处理器处理数据的存储。7.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于，所述“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式，通过所述M类移动节点与所述A类锚节点之间、与所述B类锚节点之间的两路WiFi传输媒介，所述A类锚节点之间和所述B类锚节点之间一路光纤媒介实现信号传输，进一步包括以下步骤步骤1.所述M类移动节点每O. 4s发送WiFi送检信号Sma和Smb分别至所述A类锚节点和所述B类锚节点，当M类移动节点发出Sma和Smb时，本人次人员定位过程开始，所述计时器Cm开始计时，开始记录时间值Tma和时间值Tmb,时间值Tma的结束时刻与来自A类锚节点的WiFi应答信号Sam到达时刻有关，时间值Tmb的结束时刻与来自B类锚节点的WiFi应答信号Sbm到达时刻有关；所述Tm、Tmb的单位均为S-秒；步骤2.所述B类锚节点接收到Smb时，由所述计时器Cb开始记录B类锚节点处理来自 M类锚节点的Smb的时延的时间值TBM，发送Sbm至所述M类移动节点，Sbm发出时所述计时器 Cb对时间值Tbm的计时结束，记录时间值Tbm ;当M类移动节点接收到Sbm时，所述计时器Cm 对时间值Tmb的计时结束，记录时间值Tmb ;所述时间值Tbm单位为S-秒；步骤3.所述A类锚节点接收到Sma时，由所述计时器Ca开始记录A类锚节点处理来自 M类锚节点的Sma的时延的时间值TAM，同时判断接收到Sma的天线的覆盖方向信息为Dpro或为D_并记录；发送Sam至所述M类移动节点，Sam发出时计时器Ca对时间值Tam的计时结束， 记录时间值Tam ;当所述M类移动节点接收到Sam时，所述计时器Cm对时间值Tma计时结束， 记录时间值Tma ;所述A类锚节点在发送Sam后，发送有线检测信号Sab至记录方向上的所述 B类锚节点，并由所述计时器Ca开始记录时间值TAB，时间值Tab的结束时刻与来自B类锚节点有线应答信号Sba到达时刻有关；所述时间值Tam与Tab的单位均为S-秒；计时器Cm在对时间值Tma和时间值Tmb计时均完成后，结束本人次人员定位过程内的计时；步骤4.所述B类锚节点接收Sab时，由所述计时器Cb开始记录对B类锚节点处理来自 A类锚节点的Sab的时延的时间值TBA，发送Sba至所述A类锚节点，Sba发出时所述计时器Cb 对时间值Tba的计时结束，记录时间值Tba ;所述A类锚节点接收到Sba时，所述计时器Ca对时间值Tab的计时结束，记录时间值Tab ;其中所述时间值Tab的单位为S-秒；所述B类锚节点发送有线时间信号Stb至A类锚节点，Stb内容为时间值TBM、Tba ;当A类锚节点对时间值Tam 与时间值Tab的计时均结束后，计时器Ca本人次人员定位过程的计时结束；当B类锚节点对时间值Tbm和时间值Tba的计时均结束后，计时器Cb本人次人员定位过程的计时结束，同时 B类锚节点本人次人员过程的工作结束；步骤5.所述M类移动节点发送WiFi时间信号Stm至所述A类锚节点，Stm内容为时间值TM、Tmb以及人员身份信息，M类移动节点本人次人员定位过程的工作结束；步骤6.所述A类锚节点接收到Stb和STM, Stb包含时间值TBM, Tba, Stm包含时间值TM、 Tmb以及人员身份信息，A类锚节点计时器Ca记录时间值TAM、Tab ;本人次人员定位过程“双路WiFi媒介+单路光纤媒介”信号收发及计时模式的工作结束。8.根据权利要求7所述的一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位系统，其特征在于， 所述WiFi综合通信基站的定位子站，进行人员位置的距离计算，计算公式为9.一种基于TOA的煤矿井下WiFi人员定位方法，其特征在于，应用于基于TOA的煤矿井下...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，李晨鑫，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：