利用TOA技術(shù)構(gòu)建煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)的思考

謝春華

（1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧省撫順市 113122 2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，對(duì)人員實(shí)施精確定位，有助于煤礦生產(chǎn)進(jìn)行整體性調(diào)度，也方便發(fā)生礦難事故時(shí)進(jìn)行高效救援。一個(gè)典型的井下人員定位系統(tǒng)包含井上和井下兩個(gè)部分，其中井下的系統(tǒng)組成主要涵蓋電源、數(shù)據(jù)傳輸線路、接口、讀卡器、識(shí)別卡等等。人員定位的核心技術(shù)并不在于設(shè)備，設(shè)備只是技術(shù)的外在表現(xiàn)。目前井下人員定位系統(tǒng)的常用定位技術(shù)，有很多種，TOA 技術(shù)是其中一種，定位精度較高，成本較低，比較適合井下精確人員定位。但是因?yàn)門OA 技術(shù)要求時(shí)間同步，對(duì)時(shí)間的控制要求較高，如何在保證時(shí)間同步基礎(chǔ)上降低測(cè)距誤差，以確保人員定位的精度，是非常值得思考的一個(gè)課題，當(dāng)然如何將TOA 技術(shù)用來支撐人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也非常值得研究。

1 人員定位系統(tǒng)常用定位技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)人員或物體的準(zhǔn)確定位，必然需要用到精確的定位技術(shù)，常用的定位技術(shù)包含TOA、DOA、TDOA、AOA、RSS 等等。在煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)中，分別對(duì)其中部分定位技術(shù)進(jìn)行討論，以明確井下人員定位的優(yōu)勢(shì)定位技術(shù)。

（1）傳統(tǒng)的RFID，即射頻識(shí)別，該技術(shù)手段，主要是將讀卡器安裝在監(jiān)控范圍內(nèi)，將標(biāo)識(shí)卡安裝在礦工或者井下礦車上。當(dāng)?shù)V工或礦車經(jīng)過讀卡器識(shí)別區(qū)域，標(biāo)識(shí)卡上的信息經(jīng)過讀卡器上傳到上位機(jī)。這種定位技術(shù)不需要測(cè)距，不需要多高的時(shí)間精度，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，定位的精度不高，從井下人員定位的角度講，該技術(shù)手段只能大致推算礦車或職工的大致位置，精度要求達(dá)不到，相對(duì)不是很適合用來設(shè)計(jì)井下人員定位系統(tǒng)。

（2）RSS 定位，有兩種，一種是基于路徑損耗的，另一種則是基于RSS 作為指紋的，因?yàn)樾畔鞑ゾ哂卸嗦窂降奶攸c(diǎn)，基于路徑損耗的方法精度不高，第二種則容易出現(xiàn)不同點(diǎn)為有相同的RSS 情況，而且做指紋時(shí)分割區(qū)域較大，精度也不高。也不適合用來做井下精確人員定位。

（3）DOA 定位，這種定位技術(shù)是按照信號(hào)功率強(qiáng)弱來判斷信號(hào)方向，讀卡器接收信號(hào)最強(qiáng)的方向或最弱的反方向機(jī)為信號(hào)傳輸方向，在確定兩條信號(hào)傳輸方向的前提下，確定礦工位置。不過信號(hào)方向檢測(cè)難度大，精確度不高，若要保證精確度，則需要大量方向性天線或天線陣列，從經(jīng)濟(jì)性上看，成本過高，也不是很適合井下精確人員定位。

（4）TOA，主要測(cè)到達(dá)時(shí)間，即射頻信號(hào)從標(biāo)識(shí)卡到讀卡器的時(shí)間，然后乘以信號(hào)傳輸速度一般取光速，計(jì)算得到標(biāo)識(shí)卡到讀卡器的距離，在信號(hào)接收和發(fā)送兩端，要求時(shí)間精確同步，精確度相對(duì)較高。TDOA 則是TOA 和DOA 優(yōu)勢(shì)融合的一種定位技術(shù)，其基本原理與TOA 相當(dāng)，但不需要時(shí)間同步。一般來說TOA 在井下精確人員定位中具有較高的可行性，TOA 對(duì)天線依賴性比較低，成本也不高，周邊環(huán)境不管多復(fù)雜對(duì)TOA 的影響都比較小，不過如何保證時(shí)間同步是一個(gè)比較難的點(diǎn)，當(dāng)然相比較于其他定位技術(shù)而言，這個(gè)困難實(shí)際上也算不上困難，難得的是TOA 所具備的高精度定位優(yōu)勢(shì)。

2 TOA定位技術(shù)分析

從煤礦井下人員精確定位的需求來說，TOA 是比較適合的一個(gè)定位技術(shù)，TOA 的本質(zhì)是根據(jù)測(cè)量接收信號(hào)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間的到達(dá)實(shí)際位置，然后通過計(jì)算得到精確定位，在該技術(shù)中至少需要三個(gè)基站才能計(jì)算目標(biāo)位置。如圖1所示。

圖1：TOA 定位示意

圖示當(dāng)中MS 代表待測(cè)目標(biāo)，BS 則代表基站，r1、r2、r3 分別表示三個(gè)基站到目標(biāo)的距離，也代表基站信號(hào)覆蓋半徑，三個(gè)基站的信號(hào)覆蓋面的交點(diǎn)即MS 即為待測(cè)目標(biāo)。假設(shè)三個(gè)基站都是LOS基站，則可以按照最小二乘算法（LS 算法）來計(jì)算MS 的具體位置。進(jìn)一步假設(shè)MS 在二維平面上的坐標(biāo)為(x,y)，N 個(gè)基站的位置坐標(biāo)為（xi,yi），則可以根據(jù)幾何意義來定義它們之間的關(guān)系，如下。

對(duì)上述公式進(jìn)行展開得到如下公式

帶入一個(gè)Ki，則有帶入一個(gè)R，則有R=x2+y2，對(duì)該公式進(jìn)一步展開得到如下矩陣。

由此則可得到Y(jié)=AX，

若需要對(duì)坐標(biāo)(x,y)進(jìn)行求解，只需要求X，利用最小二乘法，得到如下公式。

上述分析揭示了TOA 的基本原理。在煤礦井下精確人員定位中，由于主要定位是在煤礦井下巷道內(nèi)，一般只考慮二維平面的定位，按照上述算法進(jìn)行定位即可。按照上述方法，假設(shè)MS 和BS均處在可視范圍內(nèi)，且MS 到三個(gè)基站的信號(hào)傳播時(shí)延已知，信號(hào)傳播速度取光速即108m/s，此時(shí)即可計(jì)算MS 到基站的位置。這是理想狀態(tài)下的情況。因?yàn)榈V井下環(huán)境較為復(fù)雜，會(huì)存在一些典型的干擾問題，在非視距內(nèi)，當(dāng)MS 和基站不在可視范圍內(nèi)，或者是電磁波遭遇了巷道內(nèi)障礙物的阻擋，則可能會(huì)MS 的位置確定產(chǎn)生一定的誤差，簡(jiǎn)而言之就是原有三個(gè)基站可以全面覆蓋MS 并且確定準(zhǔn)確的交點(diǎn)，但是因?yàn)楫a(chǎn)生誤差，基站覆蓋范圍縮小，交點(diǎn)位置會(huì)變成一個(gè)區(qū)域而不是一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域越大，精確度越低。

3 基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于TOA的定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

基于上述分析，對(duì)煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用nanoLOC 射頻收發(fā)器芯片，功率2.4GHz，該芯片具有較高傳輸速率、高精度以及低功耗特點(diǎn)，在工業(yè)檢測(cè)和控制等方面有著較為廣泛的應(yīng)用。nanoLOC 是比較典型的TOA 定位技術(shù)的產(chǎn)物?；谠撔酒?，根據(jù)井下的實(shí)際情況在交叉路口、主巷道、人員必經(jīng)之路等重點(diǎn)位置，放置基于該芯片的信號(hào)接收基站，然后在定位區(qū)域內(nèi)部署無線路由，該路由要求與定位服務(wù)器進(jìn)行光纖連接，基站與路由之間的連接采取無線方式，或者CAN。合理梳理巷道情況，確定基站之間的間距，確保整個(gè)巷道都處在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)。配置相應(yīng)的識(shí)別卡作為移動(dòng)發(fā)送點(diǎn)，由礦工佩戴，或者是改造礦燈，在礦燈內(nèi)內(nèi)置識(shí)別卡。識(shí)別卡實(shí)際還可以集成一些傳感器、通信模塊等，在識(shí)別卡上錄入礦工的信息，并賦予一個(gè)唯一的數(shù)字編碼，體溫、心跳等體征數(shù)據(jù)都可以納入到識(shí)別卡中，當(dāng)發(fā)生異常則直接利用通信模塊向地面調(diào)度人員發(fā)送信息，這實(shí)際就是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系。

對(duì)于識(shí)別卡要求賦予其一個(gè)精確定位標(biāo)簽，該標(biāo)簽由如下幾個(gè)模塊組成，分別是嵌入式CPU 小系統(tǒng)、精確定位模塊、外接LED或LCD 顯示屏、電源模塊。精確定位標(biāo)簽以精確定位模塊為核心與讀卡基站進(jìn)行通信，CPU 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并上傳到基站，各基站主要是覆蓋MS 的三個(gè)基站對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)距?；静糠忠灿蒀PU小系統(tǒng)組成，外接精確定位模塊、集成存儲(chǔ)器、外接顯示器，以CAN 或無線路由進(jìn)行通信，加上合適的電源模塊?；揪_定位模塊對(duì)MS 進(jìn)行定位測(cè)距，中控對(duì)基站接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出所有MS 的精確定位。

該系統(tǒng)下，當(dāng)攜帶識(shí)別卡的礦工進(jìn)入讀卡基站范圍，基站啟動(dòng)并接收識(shí)別卡信號(hào)，按照相應(yīng)的算法，如上文的最小二乘法、泰勒算法等，對(duì)基站和MS 的距離進(jìn)行測(cè)定計(jì)算，然后由傳輸接口將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至地面調(diào)度中心的服務(wù)器，服務(wù)器提供對(duì)外顯示接口，實(shí)現(xiàn)地面對(duì)井下作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情或事故，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并顯示事故或險(xiǎn)情位置，調(diào)度人員可立即采取措施進(jìn)行營(yíng)救。該系統(tǒng)信號(hào)覆蓋全面，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，定位精度理想。為了保證效率以及經(jīng)濟(jì)性，可以加入觸發(fā)式定位終端，在識(shí)別卡未進(jìn)入終端覆蓋范圍時(shí)，采取休眠措施，進(jìn)入覆蓋范圍后觸發(fā)啟動(dòng)，以此降低功耗。

3.2 仿真分析

采取仿真方法對(duì)上述基于TOA 的人員定位系統(tǒng)進(jìn)行分析，仿真環(huán)境如下，在一個(gè)50×50 的二維平面上定義10 個(gè)隨機(jī)分布點(diǎn)，在點(diǎn)中選擇四個(gè)點(diǎn)作為仿真對(duì)象，其中一個(gè)為目的節(jié)點(diǎn)，三個(gè)為參考節(jié)點(diǎn)，由此驗(yàn)證參考節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的測(cè)距精度。定義了誤差量，該值為零均是噪聲中提取的值。

仿真過程為，先假定無誤差，即誤差值為零，仿真結(jié)果顯示定位位置與估計(jì)位置相一致。然后假定存在誤差影響，假設(shè)誤差為5，結(jié)果顯示實(shí)際定位與估計(jì)位置不一致，繼續(xù)選定誤差值反復(fù)進(jìn)行仿真，確定測(cè)距誤差和定位誤差的方差關(guān)系，對(duì)每一個(gè)誤差值進(jìn)行100000 次仿真試驗(yàn)，確定平均定位誤差，由此當(dāng)測(cè)距誤差增大，定位誤差增大。對(duì)于這種情況，可以考慮在距離估計(jì)的數(shù)量中加入冗余，可以通過增加參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量來實(shí)現(xiàn)冗余，假設(shè)在測(cè)距誤差為5 的情況下，分別引入3 個(gè)、4 個(gè)、乃至9 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并分別進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，定位誤差減少，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為9，此時(shí)的平均定位誤差僅2.5m 左右。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3，誤差達(dá)到11m 左右。

在TOA 中主要是利用了底層硬件發(fā)射的射頻信號(hào)和超聲波，當(dāng)信號(hào)達(dá)到接收點(diǎn)，其時(shí)間差就可以用來分析發(fā)送點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離，從礦井巷道內(nèi)的實(shí)際環(huán)境情況看，由于巷道相對(duì)狹窄，基站到MS 之間的距離實(shí)際上都比較短，以光速來說，這個(gè)距離，信號(hào)傳輸?shù)乃俣葞缀跏菍?shí)時(shí)的，因此關(guān)鍵問題是時(shí)間同步，設(shè)備定時(shí)精度要求非常高。在實(shí)際應(yīng)用TOA 時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)根本無法通過時(shí)間差來測(cè)定距離，為此MS 向基站發(fā)送信息，當(dāng)基站收到信息后，立即啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，并同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位發(fā)送，基站每接收一個(gè)來自MS 的字節(jié)，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器加一操作，當(dāng)MS 發(fā)送一定量字節(jié)（事先約定），計(jì)時(shí)器結(jié)束計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)字節(jié)量就是事先約定好的值，假定計(jì)時(shí)為T，其中包含消耗的時(shí)間以及傳輸延時(shí)，由此對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行建模，可以得到基站與MS 之間的距離。當(dāng)MS 與基站的距離比較近時(shí)，可能因?yàn)檠訒r(shí)測(cè)量誤差導(dǎo)致距離結(jié)果誤差較大，就需要進(jìn)行修正。當(dāng)然實(shí)際上隨著MS 與基站之間的距離越遠(yuǎn)（未出信號(hào)覆蓋范圍），實(shí)際誤差越小，在延時(shí)誤差仿真當(dāng)中得到的結(jié)論是隨著定位距離增加，誤差越小，在實(shí)際距離5m 左右，得到系統(tǒng)測(cè)距誤差在10ppm 左右，實(shí)際距離越小，誤差越大，3m 左右誤差可達(dá)到25ppm 以上。當(dāng)MS 與基站之間的距離在60m 左右則可使誤差無限趨近于零。

3.3 算法分析

礦井下人員定位場(chǎng)景相對(duì)較為復(fù)雜，按上文所述可能存在視距場(chǎng)景（LOS），也可能存在非視距場(chǎng)景（NLOS）。不同場(chǎng)景在TOA 相關(guān)算法上有不同的要求，本文所列的最小二乘法比較適合LOS 場(chǎng)景，還有一個(gè)比較適合的是泰勒算法，不過泰勒算法需要給標(biāo)簽一個(gè)初始定位坐標(biāo)，該算法的定位精度要更高一些。以泰勒算法來論，此處提供2 維定位接口函數(shù)。

接口說明：X0——標(biāo)簽定位初始坐標(biāo)，（2，1）；Location——基站坐標(biāo)，（N，2）；data——觀測(cè)值，（N，1）；Tag_location——定位結(jié)果保存，（2，1）。

如此，設(shè)定程序如下（下為程序選段）:

注意上述程序選段中的UWB，UWB 是超寬帶技術(shù)，該技術(shù)是通過發(fā)送以及接收具有納秒或納秒以下的極窄脈沖來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而具有GHz 量級(jí)的帶寬。這種技術(shù)結(jié)合TOA 算法所形成的寬帶系統(tǒng)當(dāng)中表現(xiàn)更高。

4 結(jié)束語

綜上所述，煤礦井下精確人員定位具有非常高的價(jià)值意義，不管是人員調(diào)度還是應(yīng)急搶險(xiǎn)方面都能夠發(fā)揮突出的作用。在實(shí)踐中，構(gòu)建井下精確人員定位系統(tǒng)的技術(shù)手段很多，各種技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)也比較明顯，相對(duì)來說本文所探討分析的TOA 技術(shù)要更適合作為井下人員定位的技術(shù)手段，文中也對(duì)此進(jìn)行了討論。并提出了一種基于TOA 技術(shù)的井下精確人員定位系統(tǒng)。從煤礦角度講，煤礦對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求非常高，隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等的不斷發(fā)展，有效地利用TOA 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更加精確的人員定位系統(tǒng)，顯然價(jià)值巨大，因此圍繞TOA 技術(shù)對(duì)精確人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了可供參考的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)相關(guān)的算法、仿真分析進(jìn)行了研究，進(jìn)一步表明TOA 技術(shù)支持下的礦井下精確人員定位系統(tǒng)的高價(jià)值。當(dāng)然本文所設(shè)計(jì)的基于TOA 技術(shù)的人員定位系統(tǒng)，可能并不夠完善，在未來的工作以及學(xué)習(xí)當(dāng)中，還將對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步完善。