基于距离约束的井下目标定位方法

煤矿井下巷道为狭长的条状结构,信号衰减较大,地面已有的目标定位方法和技术难以直接应用于井下,现有的矿井目标定位主要采取基于时间和信号强度的测距方法,而这些方法并没有考虑到井下巷道的条状结构特点,定位误差较大,依据矿井巷道的条状结构特点,提出一种基于距离约束的井下目标定位方法。在巷道内每4个锚节点构成1个矩形区域,将固定的两锚节点之间的距离作为约束条件,结合垂直向量乘积为零的原理,矩形对角线的长度已知,通过基于RSSI的测距原理获得移动节点到矩形区域两对角线上锚节点的距离之比公式,进而通过合理的近似运算和向量乘法定理得到向量方程组,通过求解向量方程组可以得到移动节点的坐标,仿真实验表明该方法可以有效地降低定位误差。     

煤矿井下目标定位的研究现状与展望

本文总结了近年来提出的iBeacon井下定位技术、卡尔曼滤波UWB井下动态定位技术、WMSNs视频矿灯定位技术、TWR和SDS-TWR定位方法、异步测时煤矿井下人员定位技术、多传感器信息融合煤矿井下人员定位方法、GRPM煤矿井下人员定位技术、基于改进UWB算法的井下定位以及捷联惯性导航定位技术等井下目标定位技术与方法,并从受巷道及其支护和巷道中导体及障碍物影响大小、是否需要基站/移动终端和参考站之间时钟同步、是否需要参考站之间时钟同步、受基站/移动终端和参考站时钟频率偏移影响大小、基站/移动终端成本、参考站成本和定位精度等方面综合评定各种定位技术的优势和局限性。研发新型组合型井下精密定位系统,使得传输信号不受井下巷道环境影响、无需时钟同步、定位设备复杂度小、基站和参考站建设成本低、定位精度高、定位导航可视化,是实现井下实时位置服务、为井下目标管理提供精准控制以及煤矿智能化开采走向成熟阶段的重要环节。     

改进RSSI加权质心算法在井下人员定位中的应用研究

为提高煤矿井下人员定位的精确性,确保井下人员的快速定位,以实现井下快速救援和日常监督,本文根据无线接入点的关联性,通过接收信号强度值(RSSI)计算参考节点和定位节点的距离,提出基于改进RSSI加权质心算法的井下人员定位技术,消除了传统改进RSSI定位算法中人为因素对路径损耗确定的干扰。根据实际巷道环境进行了基于RSSI加权质心算法和改进RSSI加权质心算法的人员信息定位技术的模拟仿真,结果证明了改进RSSI加权质心算法能够增加井下人员定位的精准可靠性,更加适用于井下定位系统。     

基于RSSI算法的井下定位方法的改进

在介绍了几种常用无线通讯技术的基础上,提出了一种基于RSSI算法的煤矿井下无线定位方法。针对煤矿井下巷道的实际情况,指出现有算法在对于井下巷道倾斜情况下的严重误差,并提出通过对巷道中的参考节点设置参数θ来表示井下巷道的实际倾斜程度,从而实现RSSI算法斜坡测距定位。通过实验证明,该方法比常规测距定位方法更加准确,能提高井下人员及车辆的定位精度,对煤矿井下生产调度及安全生产具有重要意义。     

基于自适应分类的井下移动节点无线定位算法

针对井下移动节点无线定位算法,在能量计算定位算法的基础上,设计了一种自适应分类选择的3点定位算法。算法将任意单点位置采集的N个点中能量距离信息通过排序的方法分类,将相似类中具有特征性强的保留并自适应选择3个特征强的位置点,再通过3个信标点定位算法获取目标点的准确位置。仿真计算了最小响应功率与路径损耗系数这2个重要参数对能量计算的影响。对不同环境下3个未知目标节点进行定位测试,测距结果显示随着距离的增大,测距精度降低,但在100 m范围内测距误差均低于4%。经3点定位算法分析计算后,被测目标的坐标与真实目标位置误差小于1.0 m。     

基于UWB与指纹定位的矿井移动目标TOA定位算法

针对煤矿井下人员、设备等目标的定位易受非视距传播时延影响,导致定位精度低、实时性不高等问题,提出了一种基于超宽带（UWB）与指纹定位的矿井移动目标到达时间（TOA）定位方法。首先,采用双程双向测距（DS-TWR）方式测量定位基站与待测目标之间的距离,构建Chan算法估算待测目标的坐标;其次,利用Taylor公式对Chan算法的定位结果进行迭代更新,抑制矿井巷道中非视距（NLOS）延时误差;最后,依次采集特定点距离指纹构建指纹库,引入改进的算术优化算法优化最小二乘支持向量机（AOA-LSSVM）模型估计待测目标位置的横、纵坐标误差,结合Chan-Taylor算法定位结果 进行误差补偿,得到待测目标的最优位置估计。试验结果表明：所提出的算法在视距（LOS）环境下的静态试验和动态试验中定位精度相较于Chan-Taylor算法分别提升了18.63%、63.79%;在NLOS环境下的静态试验和动态试验中定位精度相较于Chan-Taylor算法分别提升了82.40%、56.78%,可满足目标在矿井下高精度的定位要求。     

一种基于Wi-Fi的井下人员精确定位算法

简单分析了基于RFID的人员定位技术、基于到达时间差TDOA的定位技术以及基于接受信号强度RSSI的定位技术。在此基础上针对煤矿井下巷道的特殊环境,提出了一种基于2点定位的井下人员精确定位算法。通过实地模拟实验得出该算法的定位误差基本控制在2～3 m之内。     

井下环状金属结构等效多圈小环天线接收电磁波能量安全性分析

在井下狭小的巷道空间内金属结构集中,如存在长导线、铁轨、绞车钢丝、支架、铁丝环等不同的金属结构形式。井下金属结构可能会通过磁耦合或接收辐射电磁波的方式接收发射天线的电磁波能量。若金属结构存在断点,则在断点处可产生感应电压;若金属结构断点处发生刮擦,则会在断点处以刮擦放电的形式以很低的电压产生刮擦放电火花,有点燃并引爆井下瓦斯气体的危险。金属结构的不同形式如环状金属结构、柱状金属结构等对耦合电磁波能量具有不同的特性。小型环状金属结构在井下广泛存在,具有体积小、摆放与安装自由度大的特点,井下小型环状金属结构等效为环状接收天线接收发射天线电磁波能量的安全性值得关注与研究。本文针对井下环状金属结构电磁波能量的安全性进行了研究,分析了将井下环状金属结构等效为多圈小环接收天线接收电磁波能量的安全性。建立了环状金属结构等效多圈小环接收天线的等效电路,求出了环状金属结构等效多圈小环接收天线负载上消耗的功率。当环状金属结构等效多圈小环接收天线谐振时,小环接收天线的输入阻抗恰好为阻性,可利用环状金属结构等效多圈小环接收天线等效电路求出负载上消耗的最大功率,以及环状金属结构等效多圈小环接收天线与发射天线之间...     

矩形巷道中对称振子天线辐射特性的研究

建立了分析煤矿井下巷道内对称振子天线的积分方程,计算分析了矩形巷道中对称振子天线的辐射场模式,给出了传输模式的归一化传输功率分布。计算结果表明：矩形巷道中含有对称振子天线时,电磁波是多模传输的,无论天线处于巷道的什么位置,TE模的总功率均占80%以上,且TE模的功率最大模式的指数变化不大。     

一种信息矿灯设计与实现

设计一种低功耗多模定位的信息矿灯，通过多模射频技术的融合及射频调度方法，可满足矿方实现从区域定位向超宽带精确定位无缝过渡升级；采用PA功率放大器、LNA低噪声放大器优化UWB射频技术的传输距离及测距准确性，以解决井下位置服务系统的基站容量及经济费用；同时，可升级设计实现了差异化定制使用需求，能更好地为煤矿提供井下位置信息服务。     

基于测距值二次重构的弯曲巷道目标定位方法

在矿井地下巷道环境下,多径效应和非视距信号会造成TOA测距精度大幅下降。针对这一问题,在研究井下巷道扩频测距偏差产生机制的基础上,发现非视距信号与视距信号在接收端有相似的时延统计规律,据此,提出了一种适用于弯曲巷道的基于测距值二次重构的定位方法,由于矿井巷道的位置、走向是已知的,为巷道内移动目标的位置估计带来了许多有利的空间约束,因此,方法充分利用了巷道的位置信息,首先对弯曲巷道的NLOS测距值进行第1次重构以获得移动目标与相应基站直线距离的估计值,利用此重构值建立观测方程;接着第2次重构将观测方程的解点投影到巷道空间,获得位置估计点;最后,设计卡尔曼滤波器进一步优化位置估计点的定位精度,从而实现在更为一般的曲线巷道下的定位。仿真结果表明,方法在平均曲率为0～0.30的弯曲巷道中具有较为理想的定位精度;进而在平均曲率为0.192的某地铁人行弯曲通道所做的实测实验显示,方法定位均方根误差为0.891 m,误差累积分布理想,适用于井下人员精确定位。     

异步测时矿井人员精确定位方法

现有矿井人员定位方法定位误差大,难以满足煤矿事故救援、运输和机电事故防治等需求。为提高矿井人员定位精度,提出了异步测时矿井人员精确定位方法:在井下巷道中间隔一定距离安装定位分站,保证相邻分站可相互无线通信,定位卡可与两个邻近分站同时进行通信。任一定位发起分站向通信范围内的定位卡和相邻分站发送测距信号,相邻分站收到测距信号后也向定位卡发送测距信号,定位卡分别向定位发起分站和相邻分站回复应答信号。定位发起分站收到定位卡回复的应答信号后,计算收发测距信号时间。相邻分站收到定位卡回复的应答信号后,计算收发测距信号时间,并将其发送给定位发起分站。定位发起分站根据本分站和相邻分站收发测距信号时间、本分站与相邻分站间距和信号传输速度,计算出定位卡距本分站和相邻分站距离。异步测时法测距仅与分站收发测距信号时间有关,与信号强度无关,定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响。异步测时法与定位卡时钟无关,大大降低了定位卡复杂度和成本,同时也不需要定位分站之间同步,降低了定位分站复杂度和成本。仿真实验表明,在时钟频率偏移相同等实验条件下,TWR和SDS-TWR等其他矿井人员精确定位方法的定位误差是异步测时法定位误差2倍以上。     

基于离散动态网格的信号强度指纹库压缩感知定位方法

矿井目标定位已基本完成从RFID技术向TOA或RSS测距三点解算方法过渡,但电磁波测距三点解算定位方法面临着对硬件系统要求苛刻、对井下电磁噪声较为敏感等难以克服的问题。将压缩感知理论与定位结合可以很好地解决这一难题,提出了一种基于离散动态网格的信号强度指纹库压缩感知定位方法。首先将定位区域离散化处理,通过巷道的网格化,离线测量各网格位置处的信号强度特征,构建特征指纹库;然后在线通过L近邻动态节点选择方法确定目标所在范围实现区域定位;根据指纹特征库构建冗余字典以及区域定位的结果构建测量矩阵;最后通过压缩感知算法重构信号强度场矩阵,实现目标精确定位。实验结果表明,该方法提高了定位精度,减小了通信开销,应用在矿井环境有很好的定位效果。     

基于WiFi技术的井下人员定位系统研究

为优化井下生产管理,增强井下作业安全性,提高人员定位精度,通过比较几种主流无线定位技术,利用WiFi技术传输距离远、定位准、传输快等特点,研究并搭建了一种基于WiFi技术的井下人员定位系统。采用指纹识别定位算法进行离线训练和在线定位,选取欧几里德距离公式进行位置计算。实验证明该定位系统是可行的,定位误差小于5 m,有效地提高了定位精度。     

井下装备智能控制信号传输系统快速切换机制研究

在地下金属矿车辆装备智能控制场景中,井上操作人员需对井下车辆进行遥控控制与监测,这就要求车辆在井下巷道运行过程中与井上控制中心保持连续的数据通信。传统无线通信方式在不同基站切换间会存在断开重连的现象,无法满足装备智能控制需求。为了实现车载设备在不同基站间数据通信快速切换,研究了一种基于WiFi的多射频冗余无线低延迟漫游技术,引入面向物理层指标的保证端对端QoS的切换机制,使得装备能够与多射频网络连接,实现井下装备的流媒体数据、控制信息、预警信息等关键数据的稳定不间断在线传输。实测数据表明,使用该方案可将通信切换延时降低到20 ms以内,可有效满足井下装备信号传输的延迟要求。     

基于镜像法的井下巷道无线损耗模型补偿方法

针对目前煤矿井下无线通信网络存在的通信传输损耗及系统构建方面的问题,以无线传感器网络为硬件平台,设计构建井下无线检测定位系统,并运用镜像法分析巷道截面模型对无线电通信接收信号强度的影响,通过研究推导并结合仿真,找到煤矿井下高频无线电信号功率损耗与传播距离的关系和规律,从而建立了井下巷道无线损耗的补偿模型。     

电力通信基站电磁辐射环境保护及检测方法研究

为了避免过量电磁辐射给环境和人体健康带来的严重威胁,研究了电力通信基站电磁辐射环境保护及检测方法.根据研究区概况布设检测点,利用电磁场强度测量仪、电磁辐射分析仪等检测仪器,结合电磁辐射防护标准以及信道共享策略,创建马尔科夫模型,使用该模型计算信号实际占空比,实现平均电磁辐射强度精准检测,以此完成电力通信基站电磁辐射环境...     

基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法

针对现有煤矿井下目标定位方法精度不能满足应急救援、井下人员作业管理以及煤矿物联网建设对精确定位的需要,提出基于TOA（Time of Arrival）的煤矿井下目标精确定位方法。针对TOA方法用于目标定位受设备计时误差影响较大,井下巷道呈一维条状分布,无法采用地面常用的二维、三维抑制误差算法,提出基于计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法,建立双路WiFi（Wireless Fidelity）信道+单路光纤信道的一维定位方法和信号收发计时方式,在此基础上提出计时误差抑制算法。测试结果证明计时误差抑制算法在采用此定位方法基础上,有效地抑制了设备计时误差造成的测距误差,实测误差不影响定位精度,验证了此方法的定位性能。