基于RSSI和TOA融合的矿井人员精确定位方法

提出了一种基于RSSI和TOA融合的矿井人员精确定位方法.分析了RSSI技术和TOA技术测距精度特性,提出了近端基于RSSI测距、较远端基于TOA测距的矿井人员定位方法,在此基础上提出了改进卡尔曼滤波误差抑制算法,保证高精度矿井人员定位.实验结果表明,在基站与定位识别卡距离不超过40 m的范围内,本文定位方法的定位误差为3 m以内.     

基于UWB的PDOA与TOF煤矿井下联合定位方法

煤矿井下人员和车辆精确定位是煤矿安全高效生产的重要保障。目前矿井人员和车辆精确定位主要采用超宽带（UWB）无线通信技术,其中仅采用飞行时间（TOF）的定位方法需2个定位分站或天线联合测距和定向,存在天线间距大、不便于安装维护、定位误差大等问题。针对上述问题,提出了应用于煤矿巷道一维定位场景的基于UWB的到达相位差（PDOA）与TOF煤矿井下联合定位方法。该方法通过TOF测量定位卡与定位分站之间的距离,通过PDOA判断定位卡的方位,再根据测得的定位卡与定位分站之间的距离和方位,对定位卡进行定位。该方法根据从定位卡发送的无线电信号到达定位分站的2根天线的相位差判断定位卡的到达角度（AOA）,不需要很大的天线间距即可确定定位卡的方位,缩短了定位分站的2根天线之间的距离,可将2根天线一体化,便于安装维护,提高了定位精度。煤矿井下测试结果表明,该方法定位精度在15 cm以内;在200 m测试距离范围内,定位精度不受距离远近影响;TOF测距数值稳定在相对其均值±10 cm的范围内,具有很好的稳定性。     

基于时间测距的矿井人员定位方法研究

研究了4种基于时间测距的矿井人员定位方法:TOA、TWR、SDS-TWR和TDOA定位方法,它们受巷道环境等影响小,适用于煤矿井下人员精确定位。TOA定位方法要求发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步,对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高,并且要同步校准,定位卡和定位分站成本高。TWR定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步,降低了系统复杂度和成本,但定位精度受定位分站和定位卡的时钟误差影响,定位卡和定位分站成本较高。SDS-TWR定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步,降低了分站和定位卡的时钟误差对定位精度的影响,但定位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响,定位卡和定位分站成本较高。TDOA定位方法要求定位分站之间的时间必须严格准确同步,对定位分站时钟精度要求高,并且要同步校准,定位卡成本低,定位分站成本高。     

基于差分误差抑制优化方法的井下目标定位

针对基于时间测距即到达时间、单程测距、双程测距、对称双边双程测距(SDS-TWR)等定位方法的定位精度受节点间时钟未同步、计时器频率偏移、设备时延等计时误差因素干扰的问题,提出了一种基于差分误差抑制优化方法的井下目标定位方法。该方法结合SDS-TWR定位方法,利用目标节点既是发射节点又是接收节点的特点,将传输时间及长度关系联立求解,通过矩阵形式,消除计时器频率偏移、设备时延等无关变量,得到未知目标节点的坐标仅与实测时间有关,从而有效消除计时误差对目标节点定位结果的影响,达到精确定位的目的。仿真结果表明,与单程测距、双程测距方法相比,差分误差抑制优化方法可有效抑制设备时延和计时器频率偏移等对基于时间测距的定位方法的影响,能对未知节点进行精确定位,定位精度高,测距误差区间仅为[-0.036 9m,0.037 7m],是单程测距误差的0.012%,双程测距误差的0.061%。     

基于改进双向测距到达时间差定位算法的超宽带定位系统

针对传统无线定位技术在室内定位精度不高的问题,设计实现了一种基于超宽带（UWB）技术的室内定位系统。首先,提出了定位服务器与移动端APP实时交互的系统结构,解决室内移动人员自主定位与导航的问题。其次,在双向测距（TWR）算法中增加一条无线电信息以减小时钟偏移引起的测距误差,从而提高算法性能。最后,将通过到达时间差（TDOA）定位算法得到的双曲面方程组进行线性化处理后结合Jacobi迭代法完成求解,避免了使用标准TDOA定位算法难以直接解算的情况。经测试,该系统在楼道房间等场景中能稳定工作且定位误差控制在30 cm以内,相比基于WiFi、蓝牙等技术的定位系统在定位精度上提高了10倍左右,能够满足在复杂室内环境中的精确移动定位需求。     

矿井宽带无线传输技术研究

提出了矿井宽带无线传输技术是解决采掘工作面移动监控、监视和语音通信需求的关键技术。提出了矿井宽带无线传输应满足传输带宽宽、便于接入有线宽带网络、中继设备少、体积小、发射功率小、电磁兼容性好、安全性好、传输协议标准化、电源电压波动适应能力强等要求。提出了漏泄通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下局部通信等;感应通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下救灾通信等;透地通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下避难硐室等应急通信;小灵通、CDMA、GSM、Bluetooth不能用作矿井宽带无线传输技术;RFID不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿物联网、矿用设备管理和防碰撞等;ZigBee不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下人员、胶轮车、电机车等动目标精确定位和矿用传感器无线传输等;UWB不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下生命探测、防碰撞、煤矿井下人员和胶轮车等动目标精确定位等;WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等3G不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下语音移动通信等。提出了矿井宽带无线传输技术宜采用WiFi,4G有可能成为未来矿井宽带无线传输技术。     

煤矿智能化与矿用5G

针对煤矿井下电气防爆、无线传输衰减大等特点,分析了矿用5G技术和适用范围:矿用5G宜采用本质安全型防爆;用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力;采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G;煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G;没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi移动通信系统;严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统;没有针对煤矿安全监控特点研发的矿用5G不能替代煤矿安全监控系统;没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G定位精度低于矿用UWB精确定位系统;450～6 000 MHz频率范围的矿用5G传输速率低于矿用WiFi6;没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G可靠性低于矿用有线监控系统。指出了亟需针对煤矿井下安全生产特点,研发矿用5G,而不仅仅是对现有地面5G产品进行防爆改造。     

UWB的无线传感器网络的定位技术

在基于距离的定位算法的基础上,提出基于超宽带（UWB）通信技术的TOA（Time Of Arrival）测距方法。UWB信号具有隐蔽性好、穿透能力强、定位精度高以及功耗低等特点,但在节点定位应用中,UWB直达信号难以精确检测。本文提出通过对首次到达信号时间和最强信号时间进行加权来得到直达信号到达时间,并采用模糊逻辑技术计算加权系数。实际数据仿真试验表明,基于UWB的定位技术可极大地提高定位精度。     

基于WiFi信号二次扩频的矿井TOA测距方法

针对TOA方法对时间测量精度要求高,但现有矿井WiFi通信系统通信过程中时间测量分辨率低的问题,提出了一种对WiFi信号进行二次扩频以获得高时间分辨率的TOA测距方法。在WiFi移动站上集成多载波扩频调制部件,用以对测距的WiFi信号进行二次扩频;在WiFi基站集成多载波扩频解调部件,并利用FPGA设计的高速数字匹配滤波器扩频码捕获算法,在亚码片级上对WiFi移动站发出的测距信号进行捕获,进而得到高分辨率的信号传播时延。试验结果表明,该方法测距误差均值为1.92m,能够为WiFi通信系统进行TOA定位提供可靠的测距值。     

基于UWB的地铁隧道定位系统设计

超宽带技术因其具有定位精度高、抗多径干扰能力强、传输速率高等优势,成为了当前主流的室内定位技术。由于地铁隧道中环境恶劣,为了保证施工人员的安全,实现对地铁隧道中施工人员的实时定位,设计了基于UWB技术的地铁隧道定位系统。该系统采用对称双向双边测距(SDS-TWR,Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging)算法以有效抑制移动标签和定位基站之间由于晶振漂移导致的测距误差,同时在基于到达时间(TOA,Time of Arrival)的定位方法上采用粒子群算法提高定位精度。实验结果表明基于UWB的地铁隧道定位系统在地铁隧道中能稳定工作且定位精度得到有效的提高,该系统具有功耗低、实现简单、定位精度高的特点,能够满足地铁隧道当中对于人员实时精确定位的需求。     

基于LoRa技术融合RSSI和TOA的户外定位方法

LoRa（Long Range）定位为当今户外定位提供了一种低成本、低功耗的解决方案。为了提高定位的准确性,提出一种基于LoRa技术融合接收信号强度指示 (RSSI) 和信号到达时间 (TOA)的户外定位方法。通过TOA筛选有效的RSSI信息和计算RSSI的统计平均值,基于预先测量样本的方式,构建了一种类高斯分布的每个定位基站对应测距模型,获取待定位设备距离基站的距离和定位基站的位置坐标映射后,通过加权质心定位算法,得到待定位设备的位置坐标。搭建基于SX1280的验证平台,对该方法进行验证。理论分析和实验结果表明,融合RSSI和TOA的定位方法能够有效筛选数据,对比改进前的定位方法定位误差减小了20%,稳定性较高。所提出的LoRa定位算法计算覆盖范围较广,理论上可以覆盖到超过1 km的范围,实验场地最长半径达到了500 m,算法复杂度较小,实时性较好,易于实现,可用于室外定位。     

基于卡尔曼滤波的矿井人员二维精确定位方法

受定位分站和定位卡时钟同步误差、时钟计时误差、多径效应、非视距传播(NLOS)时延误差和电磁骚扰等影响,现有煤矿井下人员定位方法定位误差大,难以满足煤矿事故应急救援、运输和机电事故防治等需求。为提高定位精度,实现煤矿井下人员二维精确定位,提出了基于卡尔曼滤波的矿井人员二维精确定位方法:以定位分站测量到的定位卡到定位分站之间的距离作为卡尔曼滤波中的测量结果,根据建立的矿工在井下移动的数学模型推算出矿工的位置,并作为卡尔曼滤波中的预测结果,通过对测量结果和预测结果进行合理加权,根据上一步卡尔曼滤波后的最佳估计值得出当前时刻的最佳估计值,实现煤矿井下人员二维精确定位。     

基于ZigBee无线传感网络的人员定位系统设计与实现

针对现有无线传感器网络定位系统精度不高的问题,采用基于校正模型的三边测距质心定位算法实现人员定位。通过研究ZigBee无线通信技术,分析无线电传播路径损耗模型,结合实验测试得到RSSI测距模型。引入高斯滤波模型和自校正模型修正测距值,在三边测量法的基础上结合质心定位思想,以三圆相交部分的质心作为盲节点的估算位置。经试验测试,该系统的定位误差小于10%,有效地降低了环境引起的盲节点位置误差,提高了定位精度。     

蜂窝网中的chan定位算法的性能分析

对蜂窝网中基于到达时间(TOA)/到达时间差(TDOA)的定位算法进行了分析和研究,重点介绍了Ghan定位算法在二维空间的应用.通过均方根误差(RMSE)与克拉美-罗(CRLB)下界的比较,分析了理想环境中Chan定位算法的性能.还通过实际测量,采用TOA双程测距方式得到TOA测量值,对Chan定位算法在实际测量中的性能进行了验证.实验仿真以及实际验证的结果表明算法在理想环境和实际测量中容易实现,而且定位精度相对较高.     

基于时间反演的到达时间定位

针对传统算法在室内超宽带（UWB）到达时间（TOA）定位系统里很难准确搜寻出第一条直射路径,从而导致定位精度不高的问题,提出了基于时间反演（TR）的TOA室内UWB定位算法。首先,利用TR处理的空时聚焦特性确定第一条直射路径,从而估计这条路径的TOA;其次,通过加权最小二乘（WLS）定位算法对不同的估计分量赋予相应的权值以提高定位精度。仿真结果表明,相较传统TOA定位,所提方案在低信噪比条件下的均方根误差（RMSE）减小了28.6%,可见该方案有效提升了系统定位精度。     

矿井动目标精确定位技术及优化方法研究

现有矿井动目标定位系统存在井下无线信号传输衰减严重、非视距误差较大、井下电磁环境复杂、动静目标感知范围广、多系统信息融合联动性强等问题,目前针对矿井动目标精确定位技术及优化方法的研究未全面分析动目标精确定位服务的特点和技术要求,且缺少主流与新兴定位技术的全面对比。针对上述问题,分析了常用信号传输技术和定位测距方法在矿井动目标精确定位系统中应用的优缺点,指出无线电定位技术是较为适合、可行的矿井动目标精确定位技术。从信号防碰撞技术、误差消除方法、定位结果优化方法和融合定位技术4个方面分析了我国矿井动目标精确定位优化方法的研究现状,总结了存在的问题：(1)信号防碰撞算法的综合性仍需改进。(2)测距误差控制手段的高效性有待提升。(3)融合定位方法在生产现场中应用尚不成熟。(4)系统的应急救援辅助作用未充分发挥。针对现有技术的不足,展望了矿井动目标精确定位技术的发展趋势：(1)研究动态环境下信号冲突机制和冲突后恢复机制,设计综合信号防碰撞方案。(2)研究精确、高效、经济的测距误差控制方案,节约通信成本。(3)设计多种定位方法深度融合的动态定位方案,提升系统的可靠性、灵活性和应用性。(4)研究多系...     

无线传感器网络人员定位算法

无线传感器网络用于人员定位给煤矿安全生产提供了有效保障。根据定位机制不同,无线传感器网络节点定位算法分为Range-based和Range-free定位算法,其中Range-based定位算法因定位精度高、误差小而在煤矿矿井中得到广泛应用。在阐述比较RSSI测距法等7种典型测距方法的基础上,分析了三边测量法等5种定位算法,指出了在选择或设计人员定位算法时应综合考虑矿井具体环境状况和特定的应用需求。     

基于UWB的室内定位系统研究

针对目前国内室内定位领域的需求,提出一种基于UWB的室内定位系统实现方案,充分利用UWB带宽大、定位精度高的优点,实现室内三维定位和追踪。系统通过TOA方法,测量UWB标签与多个UWB基站之间的距离,位置解析服务器通过串口读取测距信息。采用基于四UWB基站的三维空间定位算法,计算定位目标在室内三维空间的位置,并通过WiFi发送位置至用户手机端。手机端通过OpenGL ES加载三维室内地图,并动态接收从服务器端发送的定位目标位置,从而实现室内三维定位与追踪。系统测试表明,基于上述方案的室内定位系统具有较高的精度和实用性。     

基于北斗伪距差分与WiFi的室内外融合定位方法

针对北斗(BD)和WiFi单一系统定位精度不高和定位盲区问题,提出一种基于北斗差分与WiFi的室内外融合定位方法。根据北斗和WiFi异构网络建立多属性代价函数,优选参与定位信标及卫星组合;采用反距离加权内插的多基准站伪距差分法,修正北斗伪距方程减小空间伪距误差;构建基于接收信号强度指示(RSSI)传播模型的WiFi测距方程,并融合北斗差分伪距方程,通过泰勒迭代算法实现精确定位。实验结果表明:融合定位精度在95%的概率下优于2. 6 m,定位性能优于北斗和WiFi单独定位,有效解决了单一系统的定位缺陷和定位盲区问题,实现了室内外无缝融合精确定位,提高了定位精度和可靠性。     

基于ZigBee的井下人员精确定位方案及实现

针对矿井采用的传统RFID定位技术不能实现井下人员精确定位的问题,并根据矿井巷道的一维线性空间特点和井下人员的作业习惯,提出一套基于ZigBee的井下人员定位方案。方案将矿井巷道虚拟地划分为近基站区域和远基站区域,近基站区域采用RSSI定位算法,并利用高斯滤波模型对接收功率值滤波,实现精确定位;远基站区域采用V-T(Velocity-Time)算法进行定位。实验表明算法在近基站区域测量最大绝对误差为3m,远基站区域最大绝对误差为5m。