基于WiFi和計(jì)時(shí)誤差抑制的TOA煤礦井下目標(biāo)定位方法

孫繼平，李晨鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

基于WiFi和計(jì)時(shí)誤差抑制的TOA煤礦井下目標(biāo)定位方法

孫繼平，李晨鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)現(xiàn)有煤礦井下目標(biāo)定位方法精度不能滿足應(yīng)急救援、井下人員作業(yè)管理以及煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對(duì)精確定位的需要，提出基于TOA(Time of Arrival)的煤礦井下目標(biāo)精確定位方法。針對(duì)TOA方法用于目標(biāo)定位受設(shè)備計(jì)時(shí)誤差影響較大，井下巷道呈一維條狀分布，無(wú)法采用地面常用的二維、三維抑制誤差算法，提出基于計(jì)時(shí)誤差抑制的TOA煤礦井下目標(biāo)定位方法，建立雙路WiFi(Wireless Fidelity)信道+單路光纖信道的一維定位方法和信號(hào)收發(fā)計(jì)時(shí)方式，在此基礎(chǔ)上提出計(jì)時(shí)誤差抑制算法。測(cè)試結(jié)果證明計(jì)時(shí)誤差抑制算法在采用此定位方法基礎(chǔ)上，有效地抑制了設(shè)備計(jì)時(shí)誤差造成的測(cè)距誤差，實(shí)測(cè)誤差不影響定位精度，驗(yàn)證了此方法的定位性能。

煤礦井下；目標(biāo)定位；TOA；WiFi；計(jì)時(shí)誤差抑制算法

現(xiàn)有煤礦井下目標(biāo)定位方法定位精度不足，不能滿足事故應(yīng)急救援、井下作業(yè)人員管理、煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對(duì)精確定位的需求[1-6]。

目前，基于到達(dá)時(shí)間的TOA(Time of Arrival)方法應(yīng)用于目標(biāo)精確定位具有一定研究基礎(chǔ)[7-11]。TOA方法定位精度受設(shè)備時(shí)延、計(jì)時(shí)器頻率偏移等計(jì)時(shí)誤差因素影響，二維平面、三維空間定位的算法可以對(duì)抑制計(jì)時(shí)誤差，但不適用呈條狀分布的煤礦井下巷道一維環(huán)境。對(duì)稱雙邊雙路測(cè)量的SDS-TWR方法[12-13]能部分抑制計(jì)時(shí)誤差，但僅針對(duì)每次信號(hào)收發(fā)處理時(shí)延完全一致的情況，未考慮每次處理時(shí)延存在差異造成的影響。

筆者提出針對(duì)煤礦井下特定環(huán)境的TOA目標(biāo)定位方法，建立雙路WiFi(Wireless Fidelity)信道+單路光纖信道的一維定位方法，提出抑制計(jì)時(shí)誤差的算法，將計(jì)時(shí)誤差在計(jì)算中抵消，實(shí)現(xiàn)TOA方法在煤礦井下目標(biāo)定位中的有效應(yīng)用。

1 計(jì)時(shí)誤差對(duì)TOA方法的影響

TOA方法利用信號(hào)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播時(shí)間計(jì)算距離，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。計(jì)時(shí)誤差對(duì)定位精度影響較大。

1.1 計(jì)時(shí)誤差對(duì)單程測(cè)距的影響

利用信號(hào)單程傳播時(shí)間測(cè)距方法計(jì)算公式為

(1)

式中，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離；c為光速；t為測(cè)得的信號(hào)傳播時(shí)間；Δt為設(shè)備時(shí)鐘同步時(shí)延。

測(cè)距誤差與同步時(shí)延的關(guān)系如圖1所示。同步時(shí)延對(duì)單程測(cè)距方法影響極大。

圖1 單程測(cè)距誤差Fig.1 Error of one-way distance-measuring

1.2 計(jì)時(shí)誤差對(duì)雙程測(cè)距的影響

利用信號(hào)雙程往復(fù)傳播時(shí)間方法計(jì)算公式為

(2)

式中，T1為發(fā)射機(jī)自發(fā)出檢測(cè)信號(hào)起至接收到回應(yīng)信號(hào)止的時(shí)間；T2為接收機(jī)自接收到檢測(cè)信號(hào)起至發(fā)出回應(yīng)信號(hào)止的時(shí)間；e1，e2分別為發(fā)射機(jī)計(jì)時(shí)器、接收機(jī)計(jì)時(shí)器的頻率偏移系數(shù)。

雙程測(cè)距方法誤差-(e1T1-e2T2)是由于計(jì)時(shí)器存在頻率偏移造成計(jì)時(shí)誤差導(dǎo)致。參考IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，頻率偏移不超過(guò)±25×10-6[14]，測(cè)距誤差與收發(fā)計(jì)時(shí)器頻率偏移系數(shù)差、處理時(shí)延的關(guān)系如圖2所示。計(jì)時(shí)器頻率偏移及處理時(shí)延對(duì)雙程測(cè)距方法影響較大。

圖2 雙程測(cè)距誤差Fig.2 Error of reciprocating path distance-measuring

1.3 小 結(jié)

圖1和圖2表明，TOA定位的精度受設(shè)備時(shí)延、計(jì)時(shí)器頻率偏移等計(jì)時(shí)誤差因素影響較大，必須加以抑制才可用于煤礦井下目標(biāo)精確定位。地面環(huán)境采用二維、三維算法進(jìn)行誤差抑制。煤礦井下巷道呈一維條狀，無(wú)法采用上述算法，需要建立針對(duì)井下特定環(huán)境的定位方法和計(jì)時(shí)誤差抑制算法。

2 方法描述

根據(jù)前文所述，實(shí)現(xiàn)TOA方法在煤礦井下目標(biāo)定位中的應(yīng)用，需要建立一維定位方法，并解決如下技術(shù)問(wèn)題:

(1)導(dǎo)致計(jì)時(shí)誤差的因素多，包括同步時(shí)延、計(jì)時(shí)器頻率偏移、處理器的處理時(shí)延；

(2)導(dǎo)致計(jì)時(shí)誤差的因素不易被消除、不易被測(cè)得、多為變量。

基于上述原因，筆者提出煤礦井下一維TOA目標(biāo)定位方法和計(jì)時(shí)誤差抑制算法:針對(duì)存在多個(gè)計(jì)時(shí)誤差因素，提出三條信道的進(jìn)行定位檢測(cè)的方法，包括一條已知長(zhǎng)度的光纖信道和兩條用于定位測(cè)距的WiFi信道，提出三條信道的信號(hào)收發(fā)及計(jì)時(shí)方式；針對(duì)計(jì)時(shí)誤差變量不易被測(cè)量、多為變量，抑制誤差算法利用三條信道的信號(hào)傳輸時(shí)間關(guān)系和長(zhǎng)度關(guān)系建立計(jì)算式，應(yīng)用矩陣計(jì)算的消元方法將造成誤差的變量在計(jì)算中抵消，建立計(jì)算結(jié)果僅與實(shí)測(cè)時(shí)間值有關(guān)的距離計(jì)算公式。

2.1 技術(shù)方案

提出雙路WiFi信道+單路光纖信道的一維定位方法(圖3)。

圖3 雙路WiFi信道+單路光纖信道Fig.3 Two-way WiFi channel+one-way fiber channel

該方法構(gòu)成包括綜合通信基站，定位分站，識(shí)別卡，埋入式光纖網(wǎng)絡(luò)。

(1)綜合通信基站，為具有定位子站的通信基站，間距為2d*，計(jì)算中為已知值，根據(jù)WiFi天線覆蓋性能[15-17]和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行設(shè)定；

(2)定位分站，置于2個(gè)綜合通信基站的中點(diǎn)；因此定位分站與綜合通信基站的距離為d*；

(3)識(shí)別卡，作為定位標(biāo)識(shí)由定位目標(biāo)攜帶，集成于WiFi手機(jī)，識(shí)別卡與綜合通信基站、定位分站的距離分別記為d1，d2，為待測(cè)值；

(4)埋入式光纖網(wǎng)絡(luò)用于綜合通信基站和定位分站的有線連接；

(5)綜合通信基站，定位分站，識(shí)別卡均有計(jì)時(shí)功能和計(jì)算功能，其中識(shí)別卡與WiFi手機(jī)共用計(jì)時(shí)器和處理器；計(jì)時(shí)器滿足分辨率τ≤1×10-8s，可實(shí)現(xiàn)定位精度為AC=τ×c≤3 m，c為光速；

(6)綜合通信基站和定位分站分別采用2個(gè)定向天線進(jìn)行WiFi信號(hào)覆蓋和接收信號(hào)方向判別，定向天線的覆蓋方向即為目標(biāo)所在方向；

(7)本技術(shù)方案需建立在支持SerialNET(透明傳輸模式)方式的WiFi通信模塊上，以實(shí)現(xiàn)作為定位節(jié)點(diǎn)的識(shí)別卡與作為錨節(jié)點(diǎn)綜合通信基站的定位子站和定位分站同時(shí)進(jìn)行通信。

在本技術(shù)方案基礎(chǔ)上，利用2.2節(jié)提出的信號(hào)收發(fā)及計(jì)時(shí)方式得出每一條信道上的信號(hào)收發(fā)時(shí)間，利用2.3節(jié)提出的抑制誤差算法計(jì)算得出識(shí)別卡與綜合通信基站距離d1、定位分站的距離d2，確定目標(biāo)位置。

2.2 信號(hào)收發(fā)及計(jì)時(shí)方式

雙路WiFi信道+單路光纖信道方法的信號(hào)收發(fā)計(jì)時(shí)方法流程如圖4所示。利用信號(hào)收發(fā)兩端時(shí)間相減的方式對(duì)信號(hào)在節(jié)點(diǎn)之間的雙程傳播時(shí)間計(jì)算，能夠消除WiFi技術(shù)本身存在的時(shí)延問(wèn)題。

圖4 信號(hào)收發(fā)及計(jì)時(shí)過(guò)程Fig.4 Process of signal transceiving and timing

綜合通信基站、定位分站分別記為錨節(jié)點(diǎn)A、錨節(jié)點(diǎn)B，目標(biāo)及識(shí)別卡記為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M。

(1)M分別向A和B發(fā)出信號(hào)SMA和SMB，開(kāi)始記錄時(shí)間TMA和TMB；

(2)B收到SMB，向M回復(fù)信號(hào)SBM，計(jì)時(shí)TBM；

(3)A收到SMA，向M回復(fù)信號(hào)SAM，計(jì)時(shí)TAM；

(4)M收到SBM，SMA，分別結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄TMB，TMA；

(5)A向B發(fā)送信號(hào)SAB，開(kāi)始記錄時(shí)間TAB；

(6)B收到SAB，向A回復(fù)信號(hào)SBA，計(jì)時(shí)TBA；

(7)A收到SBA，結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄TAB；

(8)M和B分別將時(shí)間值TMB，TMA和TBM，TBA包含于信號(hào)STM和STB中發(fā)送至A。

綜合通信基站A利用時(shí)間值TAM，TAB，TMB，TMA，TBM，TBA，采用2.3節(jié)提出的計(jì)時(shí)誤差抑制算法的距離計(jì)算式(13)，計(jì)算得出識(shí)別卡與綜合通信基站距離d1、定位分站的距離d2，確定目標(biāo)位置。

2.3 計(jì)時(shí)誤差抑制算法

本文在雙路WiFi信道+單路光纖信道方法基礎(chǔ)上提出計(jì)時(shí)誤差抑制算法。

圖4所示的A與B之間的有線信號(hào)傳輸時(shí)間計(jì)算中，存在以下關(guān)系:

(3)

(4)

IEEE802.11規(guī)定，設(shè)備的時(shí)鐘頻率偏移容限為±25×10-6[14]，因此，存在下面的關(guān)系:

(5)

TAB-TBA→

(6)

即

(7)

同理,M與A，B之間的WiFi信號(hào)傳輸時(shí)間存在類似關(guān)系:

(9)

圖3所示方法存在距離之間的關(guān)系:

(10)

因此:

(11)

消元變換得:

(12)

計(jì)時(shí)誤差抑制算法的距離計(jì)算公式為

(13)

計(jì)時(shí)誤差抑制算法的距離計(jì)算式(13)顯示，距離計(jì)算結(jié)果僅與測(cè)得的時(shí)間值有關(guān)，與設(shè)備同步時(shí)延、計(jì)時(shí)器頻率誤差系數(shù)、信號(hào)處理時(shí)延等計(jì)時(shí)誤差無(wú)關(guān)，計(jì)時(shí)誤差的影響能夠被有效抑制。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 計(jì)時(shí)誤差抑制結(jié)果

對(duì)比1.1，1.2節(jié)的方法與2.3節(jié)抑制誤差算法，對(duì)計(jì)時(shí)誤差導(dǎo)致的測(cè)距誤差進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件:d=400m，同步時(shí)延≤1μs，計(jì)時(shí)器頻率偏移不超過(guò)±25×10-6[14],處理時(shí)延≤4ms(考慮WiFi時(shí)延，利用BCM8000WiFi模塊多次處理得出參考值)。

計(jì)時(shí)誤差導(dǎo)致的測(cè)距誤差如圖5和表1所示。

表1誤差最值
Table1Maximumsandminimumsoferrors

方法誤差區(qū)間最值1/m誤差區(qū)間最值2/m單程測(cè)距方法-299 2733299 9853雙程測(cè)距方法-52 770951 4159計(jì)時(shí)誤差抑制算法-0 01660 0174

圖5 誤差抑制結(jié)果Fig.5 Results of error suppression

1000次隨機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，前兩種方法的測(cè)距誤差分布區(qū)間為[-299.273 3 m,299.9853 m],[-52.7709m,51.4159m]，本文提出的計(jì)時(shí)誤差抑制算法的測(cè)距誤差分布區(qū)間為[-0.016 6 m,0.017 4m]，抑制誤差效果明顯。

3.2 實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用BCM8000WiFi模塊作為信號(hào)收發(fā)器，F(xiàn)CA3000高分辨率計(jì)時(shí)器作為計(jì)時(shí)器，利用高約3 m，寬約4m,長(zhǎng)約100m的計(jì)算機(jī)機(jī)房通道模擬巷道環(huán)境，BCM8000WiFi模塊提供網(wǎng)線接口可直接利用機(jī)房的雙絞線進(jìn)行有線連接，每間隔5m進(jìn)行5次定位測(cè)試并取平均值。測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

圖6 測(cè)試環(huán)境示意Fig.6 Schematic plan of test environment

準(zhǔn)確位置與測(cè)試位置對(duì)比如圖7所示。

實(shí)測(cè)誤差如圖8所示。

圖7 實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Results of tests

圖8 實(shí)測(cè)誤差Fig.8 Errors of tests

測(cè)試結(jié)果顯示，定位結(jié)果與實(shí)際位置誤差最大值為-2.4m，平均為0.58m，其中，接近綜合通信基站或定位分站時(shí)誤差相對(duì)較大，這是由于本文定位方法忽略煤礦井下巷道側(cè)壁高度和頂?shù)装鍖挾龋瑢⑾锏酪暈橐痪S環(huán)境進(jìn)行目標(biāo)定位，會(huì)對(duì)目標(biāo)定位結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。實(shí)測(cè)誤差小于定位精度，因此誤差不會(huì)影響系統(tǒng)3 m的定位精度。

3.3 小 結(jié)

仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示本文提出的方法，可以實(shí)現(xiàn)本文所述指標(biāo)下的3 m的定位精度。

4 結(jié) 論

(1)提出的計(jì)時(shí)誤差抑制算法有效抑制了計(jì)時(shí)誤差對(duì)TOA方法用于煤礦井下目標(biāo)定位造成的誤差。

(2)提出的基于計(jì)時(shí)誤差抑制的TOA煤礦井下目標(biāo)定位方法在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，具有3 m的定位精度，能夠有效實(shí)現(xiàn)TOA方法在煤礦井下目標(biāo)定位中的有效應(yīng)用。

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TOAundergroundcoalminetargetpositioningmethodbasedonWiFiandtimingerrorsuppression

SUN Ji-ping,LI Chen-xin

(SchoolofMechanicalElectronic&InformationEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083，China)

As the precision of the existing target positioning methods for underground coal mine can not meet the requirements of emergency rescue and operation management of underground personnel as well as the requirements for accurate positioning of the construction of coal mine-related internet of things,a precise positioning method based on TOA(Time of Arrival)was proposed.As for the impact from equipment timing errors upon the target positioning by TOA method and the failure of two-dimensional or three-dimensional error suppression algorithms commonly used on the ground due to the one-dimensional strip distribution in the tunnel,the TOA target positioning method for underground coal mine based on timing error suppression was proposed,to establish the one-dimensional positioning method and signal transceiving timing method with two-way WiFi(Wireless Fidelity)channel+one-way fiber channel,and on such basis,the timing error suppression algorithm was put forward.The test results prove that such algorithm based on the positioning method in this paper effectively suppresses the ranging error caused by the equipment timing error,and the actually-measured error does not affect the positioning accuracy,which verifies the positioning performance of this method.

undergroundcoal mine;target positioning;TOA;WiFi;timing error suppression algorithm

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0082

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51134024)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)資助項(xiàng)目(2012AA062203)

孫繼平(1958—)，男，山西翼城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:010-62331929，E-mail:sjp@cumtb.edu.cn。通訊作者:李晨鑫， E-mail:cumtblichenxin@126.com

TD655

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0253-9993(2014)01-0192-06

孫繼平，李晨鑫.基于WiFi和計(jì)時(shí)誤差抑制的TOA煤礦井下目標(biāo)定位方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):192-197.

Sun Jiping,Li Chenxin.TOA underground coal mine target positioning method based on WiFi and timing error suppression[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):192-197.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0082