（通信与信息系统专业论文）煤矿井下人员定位技术的研究.pdf

论文题目：煤矿井下人员定位技术的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：刘平 指导教师：李国民 摘要 ( 签名 ( 签名 煤矿井下生产环境复杂、恶劣，且缺乏可靠的井下人员定位技术，因此事故隐患极 大。近年来，地面移动通信及其各种先进技术不断发展成熟，为井下人员定位技术的发 展提供了强有力的技术支持。本文主要研究了井下无线信道特性和井下无线定位技术， 对于在井下应用无线定位技术的可行性进行了分析和论证，在此基础上将t o a 、t d o a 和r s s 无线定位技术应用于井下人员定位中，并用m a t l a b 对各种定位方法进行了仿真 试验。 首先，对于煤矿井下无线信道特性的研究，本文在分析和总结现有理论的基础上， 对井下无线信道的时间、频率、空间选择性和相关性进行了讨论，并对其统计特征进行 了全面的分析。同时，根据电磁波在井下巷道中传播的特点建立了井下无线信道的射线 传输模型，仿真结果表明模型是有效性。 。 其次，对地面无线定位的四种方法( r s s ，t o a ，t d o a 、a o a ) 在井下应用的情 况分别进行了分析，得出了r s s 、t o a 和t d o a 法可用于井下人员定位的结论。在深 入分析当前定位算法基础上，实现了一种可同时估计人员位置和信号发射时间的井下 t o a 定位算法；受地面t d o a 定位的f a n g 氏算法的启发，实现了一种简单的井下t o a 定位算法f a n g - t o a 算法，并且对井下应用两基站进行t o a 定位的可行性进行了论 证。同时，对井下t d o a 定位算法进行7 研究。对以上各算法分剔在高斯噪声环境和 n l o s 环境下进行了仿真实验，仿真结果表明上述算法具有较好的定位效果。 最后，对基于l s 算法的混合模型和修正的对数距离损耗模型的r s s 定位法分别在 不同高斯误差环境和n l o s 环境下进行了仿真实验。仿真结果表明，在最大n l o s 误差 达到5 m 时，基于l s 的r s s 定位法仍具有一定的定位精度。 关键词：矿井人员定位；无线定位；信道模型 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c h e so np e r s o n n e ll o c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h e u n d e r g r o u n dc o a lm i n e s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：l i u p i n g i n s t r u c t o r ：l ig u o - m i n= ：芝熬易 ( s i g n a t l i n ) 二三i 竺2 兰：2 ：矽 1 1 l ep r o d u c t i o ne n v i r o n m e n to f u n d e r g r o u n dc o a lm i n ei sc o m p l i c a t e da n db a d ；a l s ol a c k o f t h er e l i a b l et e c h n o l o g yo f p e r s o n n e ll o c a t i o n , t h e r e f o r e t h e h i d d e nd a n g e ro f t h ea c c i d e n ti s e l l o r m o u $ i nt h er e c e n ty e a r s , t h eg r o u n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n di t sa d v a n c e dt e c h n o l o g y d e v e l o p e df a s t , w h i c hc a np r o v i d et h ep o w e r f u lt e c h n i c a ls u p p o r tf o rp e r s o n n e ll o c a t i o ni n c o a l1 1 1 i n e t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e li nm i n et u n n e l s a n dt h ep e r s o n n e ll o c a t i o no ft h ec o a lm i n e , a n da n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ew i r e l e s s l o c a t i o nt e c h n o l o g yu s e di nt h ec o a lm 硫a l s ou s e dt h et o a , t d o aa n dr s sw i r e l e s s l o c a t i o nm e t h o d si nc o a lm i n e a l lo f t h e s el o c a t i o nm e t h o d sw 饿s i m u l a t e db ym a t l a b f i r s t l y ，a b o u tt h ew i r e l e s sc h a n n e lo ft h ec o a lm i j 9t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h et i m e , f r e q u e n o y , s p a c es e l e c t i v i t ya n dr e l a t i v i t yo ft h ec h a n n e l ，a l s oa n a l y z e di t ss t a t i s t i c s c h a m c t e r i s f i ca c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o no ft h et h e o r yt h a tw eh a v e ar a d i a l t r a n s m i s s i o nm o d eo f t h ew i r e l e s sc h a n n e li nt h eu n d e r g r o u n dt u n n e lw a sm a d ea c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et r a n s m i t t i n gi nt h et u n n e l s t h i sm o d ew a s s i m u l a t e db yt h em a t l a b ，a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a ti tw a sv a l i d s e c o n d l y , a f t e rv e r i f i c a t i o no ft h ef o u r sm e t h o d s ( r s s ，t o & t d o a , a n da o a ) , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e mw e r ep o i n t e do u ta n da l s ot h ec o n c l u s i o nw a sg i v e n t h a tl 塔s 。t o aa n dt d o ac o u l db eu s e di np e r s o n n e ll o c a t i o no ft h ec o a lm i n e a n u n d e r g r o u n dc o a lm i n et o al o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a ne s t i m a t et h ep e r s o n sp o s i t i o na n d t h es i g n a l 口韧s i 缸l gt i m ew 罄r e a l i z e d 。as i m p l ec o a lm i n et o al o c a t i o na l 酬缸卜 f a n g - t o aw a sr e a u z e d , w h i c hi n s p i m df r o mt h eg r o u n dt d o al o c a t i o nf a n g a l g o r i t h m j m s o t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h e f e a s i b i l i t yo fu s i n gt w ob a s es t a t i o l l $ i nt h e u n d e r g r o u n dm i n e f u r t h e r m o r e t h ec o a lm i n et d o aa l g o r i t h mw a ss t u d i e d a l lo ft h e s e a l g o r i t h m sw 玳s i m u l a t e di nb o t hg a u s s - n o i s ee n v i r o n m e n ta n dn l o se n v i r o n m e n tt h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h e s ea l g o r i t h m sw e r ee f f e c t i v e f i n e l y ，t h er s sm e t h o do f t h em i x e dm o d ea n dt h ea m e n d a t o r yl o g a r i t h md i s t a n c el o s s m o d ew 0 1 es i m u l a t e di nb o t hc r a u s s - n o i s ee n v i r o n m e n ta n dn l o se n v i r o n m e n tb a s e do i ll s t h er e s u l ts h o w e dt h a tw h e nt h el a r g e s tn l o se r r o rr e a c h e d5 m , t h er s ss t i l lh a dap a r t i c u l a r p r e c i s i o n k e y w o r d s ：p e r s o n n e ll o c a t i o no f c o a lm i n e w i r e l e s sl o c a t i o nc h a n n e lm o d e 西要错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：纠辜 日期：0 内7 占、i 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期同 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 ， 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：f 孕指导教师签多勃 娴年加1 日 1 绪论 _ i i i i i i i i i i l 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 煤炭开采主要以井下为主，巷道可长达数十千米。矿井生产工序多、作业地点分散， 人员流动性大且工作环境恶劣，事故隐患极大。一旦发生事故，由于井下作业环境复杂、 情况不明，无法确定被困人员的位置，大大拖延了救援时间，导致井下抢险救灾、安全 救护的效率很低。 及时、准确地掌握井下人员的位置信息，用于生产、救援指挥和优化决策，提高生 产与救灾效率，是煤炭企业生产管理的一个重要环节。目前，大多数煤炭企业普遍采取 矿灯考勤、电话跟踪定位等方法来掌握井下工作人员的情况。但这些方法不能使井上指 挥人员准确、及时的了解井下工作人员的位置及分布情况。另外，近年来煤矿安全生产 的形势仍然比较严峻，几乎每年都有矿井发生比较重大的安全事故。由于井下人员位置 监测技术的限制，不能得到事故发生时井下人员准确的位置信息，以致抢险工作难以顺 利开展，抢险救灾、安全救护的效率低，造成难以挽回的巨大损失。 另外，由于缺乏可靠的井下人员定位技术，对矿井的一些关键工种和岗位难以有效 监督，有的瓦斯检测员不按规定时间、地点检测瓦斯，甚至有人为填报数据的情况，给 煤矿安全生产带来臆患。因此，煤矿现场急需配备矿井人员跟踪定位设备，对煤矿下并 人员进行实时自动跟踪定位和考勤，随时掌握每个井下人员的位置及活动轨迹、全矿井 人员的位置分布情况等。一旦发生事故，就可立即从监控计算机上调阅查询事故现场的 人员位置分布情况，为抢险救灾提供及时、准确的信息。 由于矿井人员的移动性，必须采用无线定位技术才能实现井下人员的有效定位。因 为井下环境与地面环境有很大不同，矿井无线通信系统发展缓慢，矿井人员定位技术也 随之发展迟缓。目前，井下无线通信系统的形式主要有透地通信系统、中频感应通信系 统、v h f 漏泄通信系统以及小区制矿井调度移动通信系统( 井下p h s 系统) 等。但现 有的各矿井无线通信系统还都存在许多的问题，在功能上还难以满足矿井安全生产对准 确、可靠定位的需求。另一方面，人类进入2 l 世纪以来，移动通信技术得到了极大发 展和广泛应用，特别是地面移动通信系统及其各种技术不断发展成熟，为井下无线通信 技术和井下人员定位技术的发展提供了强有力的技术支持。 本文旨在分析、研究井下无线信道特性及现有各种人员定位技术，研究出适用于煤 矿井下的人员定位技术，从而提高煤矿安全生产的效率和防灾、抗灾、救灾的能力。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 煤矿井下人员定位技术属于煤矿井下监控技术的一部分，是对矿井监控技术的发展 和完善。在国内对于煤矿井下人员定位技术的研究和矿井监控技术的应用起步较晚。在 8 0 年代初国内少数大型煤矿开始引进国外的一些井下安全监测系统，但由于其价格昂 贵，维护费用高，没有得到推广后来在引进国外先进产品的同时，根据国内各矿井的 实际情况开发了一些仿制的系统。由于当时技术水平比较低、系统功能和扩展性差，这 些产品并不能满足煤矿安全生产的需要。随着我国射频识别( r f i d ) 技术的日益发展， 国内主要的科研单位和生产厂家又自主开发了一些功能比较完善的井下人员定位跟踪 系统。目前，基于有源射频识别技术的新型的人员定位技术是一个研究热点。随着社会 的进步和科技的发展，对煤矿安全生产的要求越来越高。9 0 年代，井下定位技术的研究 有了长足的发展和进步。1 9 9 1 年南非德比尔公司的芬什( f i n s c h ) 矿t h 应用的地下矿铲运 机自动测位系统【l 】。该系统使用一种与装在顶板上的一组红外线邻近效应探测器连接的 标志环网络，这些探测器布置在该矿四周的关键位置。当车辆通过某个探测器下面时， 装在车上的红外线发射器( 红外通信距离不超过l 米范围) 向该探测器发射一个识别该 车辆的数码，这个数码被传到一个控制生产调度的中央计算机。此系统只能将车辆定位 在矿内装有探测器的位置，当车辆不在探测器附近时，则不能对车辆进行定位跟踪。此 外，红外线探测器之间需要设置识别环网络，这意味着基础设施费用增加，并且系统的 灵活性较差。1 9 9 4 年在南非普雷米尔( p r 黜i e r ) 金刚石矿安装了一种微波信标系统【2 l ，它 包括一个安装在车辆上的监测器。该监测器通过连续探测设在矿山周围各关键点的微波 信标是否出现来实现对车辆的检测，车辆的位置由固定矿井关键位置的信标传感器确 定，该信标为圆柱形，用电池供电，发射超过3 米范围的统一调制识别信号。该系统同 样不能对车辆实现有效的定位跟踪。1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种基于 射频识别( r f i d - r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术的人员探测系统 3 1 ，用于监测矿工 是否进入危险地带。这个系统通过使用顶板安装的天线，来监控装在每个矿工帽上的小 型无源信标，进而可以知道各个天线覆盖范围内的人员情况。但此技术只是将人员定位 天线覆盖范围的区域内，而不能把人员具体定位在某个位置点上。 目前，精确定位技术是国内外研究的一个热点，主要有基于现有的蜂窝移动网及 g p s 系统的定位技术p i 。g p s 系统以高精度、全天候等特点在全球被广泛应用，在车辆 调度管理及全球位置定位中发挥重要作用。a g p s 系统是g p s 与蜂窝网络结合的产物， 定位精度高，克服了g p s 在建筑物内和市区存在盲区的缺点，是未来蜂窝定位技术标 准强有力的竞争者。但是，g p s 等信号并不能到达井下，导致这些方法都不能在井下应 用。井下人员精确定位的研究类似于室内定位技术，两者的应用环境有相似的地方，许 多室内定位的方法可以借鉴。 2 1 绪论 近年来，有很多学者以及研究组织开展了室内定位技术的研究。剑桥大学a t & t 研 究实验室的a c t i v eb a d g e ( 1 9 9 2 ) 系统嘲是该领域的先驱。a c t i v eb a d g e 系统是一种基于红 外( 嘞技术的定位解决方案。这种技术有一系列的缺点：i r 信号的作用距离非常有限， 要求的接收器阵列布设密度很高，进而导致系统成本、维护费用昂贵；m 信号具有较强 的方向性，必需在红外光传播的方向上才能接受到有效信号；没有解决精确定位的问题， 只是将人员定位在一定范围内 由于取技术的局限性，研究者们又把目标投向了射频( i 沛：r a d i o f r e q u e n c y ) 技术， 该技术利用电磁波的到达时间( t o a ：t i m eo f a r r i v a l ) ，到达角度( a o a ：a n g l eo f a r r i v a l ) ， 接收场强( r s s ：r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ) 等信息来估计人员的位置信息。目前关于r f 技术的室内定位系统有m i c r o s o f tr e s e a r c h 的r a d a r ( 2 0 0 0 ) 系统【7 l 、华盛顿大学 s p o t o n ( 2 0 0 0 ) 系统嗍、卡内基梅隆大学的a u r a ( 2 0 0 1 ) 系统【9 】等。r a d a r 系统为了对移 动目标位置进行准确估计，它事先把接收器置于整个定位区域内预先计算好的估计位置 点上，然后把接收器处于这些点时所接收到的各固定发射器( 基站) 的场强值作为该位 置点的指纹信息，并作为一条记录保存于数据库中。在实际运行中，通过比较实测数据 与数据库中的记录，找到与之最接近的一条记录，并将该记录对应的位置记为当前人员 位置的估计值。这类定位解决方案原理简单，但实现起来并不容易：先期工作复杂艰巨， 需要对整个定位范围的每一位置进行实地测量并建立庞大的数据库，对于定位区域广且 环境复杂的情况比如井下巷道显然是不适用的。此类系统只适用于静态的环境，数据库 中的数据是静态的，而实际应用的环境是动态的，即使在同一位置处，实测数据与数据 库中的数据也会有很大差异而导致很大的定位误差，这些误差还会随着估计位置的更新 而不断积累。 为了更好的实现定位，又出现了射频电磁波与超声相结合的定位技术。如a t & t 实 验室的a c t i v eb a t s ( 2 0 0 4 ) 系统肿l ，麻省理工学院的c r i c k e t 室内定位系统1 1 1 1 等。此类系 统利用了两种信号载体，一种是利用r f 信号用以标识人员的身份编码；另一种是超声 波，利用超声波在收、发装置之间的传播时间来确定两者之间的距离，进而实现定位。 由于超声波信号的传播速度比电磁波的速度小的多，所以对超声波传播时间的测量在硬 件上的要求比r f 信号要低的多，但是超声波在空气中的传播衰减很大，必须布设十分 密集的超声波接收装置，系统复杂度以及造价均很高，故也不适合在井下应用。 目前，基于r f m ( 射频识别) 的井下人员定位技术是国内外研究的一个热点i ”。 r f i d 技术是从8 0 年代起走向成熟的一项自动识别技术。最基本的r f i d 系统由3 部分 组成。 ( 1 ) 标签( t a g ) ：也叫射频识别卡，由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子 编码，附着在物体上标识目标对象。 ( 2 ) 阅读器( r e a d e r ) ：也叫读卡器，读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为 西安科技大学项士学位论文 手持式或固定式。 ( 3 ) 天线( a n t e n n a ) ：在标签和读取器间传递射频信号，作用距离数米至数十米。 电子标签中一般保存有约定格式的数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物 体的表面。r f i d 技术的基本工作原理为：阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号， 当标签进入磁场后接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储 在芯片中的信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) 或者主动发送某一频率的信号 ( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) ，发送出自身编码等信息；解读器读取信息并解码后 送至中央信息系统( 主机) 进行有关数据处理。 现今，各矿井广泛采用的人员跟踪定位管理系统均是基于r f i d 技术及现代计算机 通讯技术开发设计l ，以无线检测人员位置、有线传输位置信息的二级传输网络的方式 对井下人员实现定位。其主要工作原理为：在井上控制指挥中心设置控制计算机系统， 在井下关键位置布置监测分站( 信息采集站) ，即射频读写器，二者之间通过光缆或电 缆相连接，矿山井下人员、车辆、设备等目标分别携带射频卡，系统通过监测分站与射 频卡之间的无线通讯，实现对被识别对象的目标定位和无线寻呼，从而为生产指挥调度、 安全监测检查、人员考勤、区域禁入控制、紧急事件处理等工作提供有效手段。系统可 同时将有关数据传至各级管理部门，为各级领导监督指挥决策提供重要依据。其定位过 程为：事先根据系统射频模块的传输功率，确定井下实际的有效传输距离，让移动身份 编码器( 射频卡) 发出的信息每次只能被两个固定信息采集站接收到。每个固定信息采 集站的位置信息事先经过精确测量存入到井上监控主机的数据库中。井下人员随身携带 个人身份编码器，其中存有代表个人身份的编码信息。当人员位于事先敷设好固定信息 采集站的巷道中时，随身携带的身份编码器就会向信息采集站发送编码信息，固定采集 站接收到位置信息以后经总线上传至井上主控计算机，经计算机的实时算法处理后，就 可确定人员在哪两个固定采集站之问，然后通过数据库调出这两个固定采集站的位置信 息，就可知道人员处于哪一段，并通过计算机的电子地图实时的显示出来。 最近，成功应用于煤矿井下的井下小灵通系统i l 哪是将地面p h s 公众移动电信技术 经过安全技术处理移植于煤矿井下使用的。这类系统在保留了p h s 系统( 小灵通系统) 的系统标准、主要结构、基本功能的基础上针对煤矿行业需求增加了人员定位、无线数 据传输等专用功能业务，它将现代公众无线通信设备应用到井下通信中，大大提高了井 下无线通信的水平，加快了井下通讯发展的步伐，提高了生产管理和安全控制的水平， 是煤矿信息化建设的重要手段。但它对井下人员定位功能的实现是源自于c e l l i d 技术， 定位精度不高，不能实现精确定位。 以上这些技术均存在定位的盲区，即只能在一定区域范围内对移动目标进行定位跟 踪，而不能对目标进行实时的、全应用范围内的定位跟踪。另外，费时费力的前期工程 和昂贵的系统造价及维护也是一个问题。因此，对于煤矿井下这个特殊的环境和井下人 i 绪论 员的移动性，并下无线精确定位是解决上述人员定位问题的一个方向。 1 3 地面无线定位简介 无线定位”- 7 q 服务最早是从美国开始启动和发展起来的。1 9 9 6 年，美国联邦通信委 员会( f c c ) 强制要求所有无线业务提供商在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安 全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救助工作，该项服务 被命名为e 9 1 l ，1 9 9 9 年提出要求，6 7 的呼叫定位精度达到1 0 0 m 。此后，许多国家，如 日本、德国、法国、瑞典、芬兰等也纷纷推出了各种各具特色的商用定位业务。我国于 2 0 0 1 年就已经开始在一些大城市中提供基于移动运营平台的移动位置服务。目前国内许 多大城市都推出了手机定位服务，服务对象已经是面向手机用户，但是因为此项业务目 前尚属起步阶段。目前，在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐 标信息及其定位精度估计、时戳等辅助信息，对速度、运动方向等信息还没有明确要求。 “在蜂窝网络中完成对移动台位置的估计通常需要两步：第一步，测量并估计各种定 位参数( 如信号场强、传播时间或时间差、信号到达角度) ；第二步，利用估计的参数， 采用相应的定位算法计算出移动台的位置。定位过程示意图见图1 1 堙蜉 l 星堡垒墼l i l 兰堕竺l i 测量误差 位董霎计 ， 图1 1 定位过程 现有定位方法主要包括以下几种： ( 1 ) 基于小区m 号( c e l m d ) 的定位技术 它的定位原理很简单：网络根据移动台当前服务基站的位置和小区覆盖来定位移动 台若小区为全向小区，则移动台的位置是以服务基站为中心，半径为小区覆盖半径的 一个圆内；若小区分扇区，则可以迸一步确定移动台处于某扇区覆盖的范围内。这种定 位方法的精度完全取决于移动台所处小区的大小，从几百米到几十公里不等。此技术的 最大优点是它确定位置信息的响应时间快( 3s 左右) 而且c e l l m 不用对移动台和网络 进行升级就可以直接向现有用户提供基于位置的服务。但是c e l l i d 与其它技术相比其 精度是最低的。 ( 2 ) g p s 辅助定位( a - o p s ) 通过在移动台中增加g p s 基站实现在室外高精度定位，但是在室内、高密度市区 或者茂密森林环境中，由于g p s 基站所要求的卫星个数的限制，经常不能实现定位从 西安科技大学硕士学位论文 而限制了其应用和推广。g p s 一般要与蜂窝网络定位相结合实现移动台的位置估计即 g p s 辅助定位系统a - g p s 。 g p s 辅助定位( a g p s ) 网络将g p s 辅助信息发送到移动台，移动台得到g p s 信 息后计算出自身精确位置，并将信息发送到网络。a - g p s 有移动台辅助和移动台自主两 种方式。移动台辅助g p s 定位是将传统g p s 接收机的大部分功能转移到网络上实现。 网络向移动台发送短的辅助信息，包括时间、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。 这些信息经移动台g p s 模块处理后产生辅助数据，网络处理器利用辅助数据估算出移 动台的位置。自主g p s 定位的移动台包含一个全功能的g p s 接收器，具有移动台辅助 g p s 定位的所有功能，再加上卫星位置和移动台位置计算功能。a - g p s 的优点是网络改 动少，网络不需增加其它设备，网络投资少，定位精度高。由于采用了g p s 系统，定 位精度较高，理论上可达到5 - , - 1 0 m 。缺点是现有移动台均不能实现a - g p s 定位方式需 要更换，从而使移动台成本增加。 图1 2 a o a 定位原理图图1 3r s s 定位原理图 ( 3 ) 到达方向角a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) 定位 在基站通过阵列天线测出移动台来波信号的入射角，构成从基站到移动台的径向连 线。两根连线的交点即为待定位移动台的位置。其定位原理如图1 2 所示。这种方法不 会产生定位的模糊性，因为两条直线只能相交于一点。它需要在每个小区基站上放置 4 - , 1 2 组的天线阵，这些天线阵一起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。 当有多个基站都发现了该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就 是移动台的位置。t o a 的缺点是到达角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线 信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致定位 距离的较大误差。 ( 4 ) 基于信号强度( i 塔s ) 的定位法 移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，通过测出接收信号( 至 少有三个基站能接收到信号) 的场强值或接收功率，根据已知的信道衰落模型和发射信 号的场强值或功率值估算出移动台和基站之间的距离，根据多个基站测得的距离值便能 估计出目标移动台的位置。 6 1 绪论 由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地形、车辆 等因素都会对信号功率产生影响，故这种方法的精度较低。 ( 5 ) 基于时间( t o t d o a ) 的定位方法 基于网络的定位系统中通常采用精度较高的t o a 或t d o a 定位法。对于t o a 方 法，移动台和基站之间的距离可以通过测出信号的到达时间而获得，待定位移动台的平 面位置坐标就是三个基站以自身位置为圆心，以各自测得的距离为半径做出的三个圆的 交点( 如图1 3 所示) 。t o a 提供的定位精度比c e i m d 高，但是它的响应时间比c e l l i d 或b o t d 更长( 约1 0s ) 。 t d o a 是通过检测信号到达两个基站的时间差而不是到达的绝对时间来确定移动 台的位置，降低了对时间同步的要求。移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上， 确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线的交点即为移动 台的二维位置坐标。直接利用t o a 或t d o a 估计值求解上述非线性定位圆或定位双曲 线方程组来确定移动台的位置比较困难，在有一定时间测量误差时由于各定位圆或双曲 线可能没有交点而不能进行正常定位。在实际应用中通常采用最小均方误差算法，通过 使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来估计移动台位置。特别是 t d o a 定位由于不要求移动台和基站之问的同步，在蜂窝通信系统的定位中倍受关注。 其他还有一些利用扇区波束、切换过程等的定位方法，但其精度对大多数定位应用 来说是不够的。综上所述，场强定位最简单，但信号场强受外界因素影响大，定位精度 较差；回路测量法需要至少能和两个基站同时通信，这在很多情形下是不可行的，比如 说：当移动台靠近服务基站而远离定位辅助基站时。a o a 定位法虽有一定精度，但接 收端需要安装天线阵列，设备较复杂；g p s 基站所要求的卫星个数和昂贵的费用限制了 它的推广应用。所以，在3 ( 3 系统中人们普遍看好基于时间的定位技术。t o a 定位法精度 较高，但对移动台和基站间的时间同步有较高要求( 1 哂的误差将造成3 0 0 m 的定位误 差) ；t d o a 定位法由于测量的是信号到达不同基站的时间差，所以不要求移动台和基站 间精确的时问同步，可以降低成本并仍保证一定的定位精度。虽然从理论上讲，3 ( 3 宽带 系统有助于提高定位精度，但是t d o a 技术在c d m a 系统中由于存在多址干扰、远近效 应、功率控制而使其定位精度受到了挑战。总之，到目前而言还没有一项定位技术能单 独很好的实现e 9 1 1 的要求。于是，目前受到广泛关注和深入研究的是基于多传感器数 据融合技术并由样本数据库辅助的组合定位技术。在3 g 中，蜂窝网络定位系统的定位技 术将由以上一种或几种的组合来实现，影响定位精度的主要因素仍在于多径传播、非视 距传播( n l o s ) 、多址干扰、功率控制、远近效应、基站个数限制等。 由以上各种技术可以看到，地面无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台 和多个固定位置基站之间传播信号的特征参数( 如信号场强，传播时间或时间差，信号 到达角度或它们的混合) 来估计目标移动台的几何位置。根据进行定位计算并获得定位 7 西安乖h 吏大学硕士学位论文 结果的位置、定位主体以及所采用的设备不同可以将无线定位系统分为自主定位系统、 远程定位系统和间接定位系统。 ( 1 ) 自主定位系统 这类系统也称为基于移动台的定位系统。在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系统， 其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置基站发射信号携带的与移动台位置 相关的特征信息来确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据有关算法对其自身位置 进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。 ( 2 ) 远程定位系统 这类系统也称为基于网络的定位系统。在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统，其 定位过程是由多个固定位置基站同时检测某个移动台发射的信号，将从各接收信号携带 的某种与该移动台位置有关的特征信息送到远端的一个定位中心进行处理，估计出移动 台的当前位置。 ( 3 ) 间接定位系统 这种系统能够在移动台和接收机之间交换定位信息，它可以将移动台主定位数据传 给远端的应用中心( 称作间接远程定位) 或将远程定位中心算出的定位数据传给相关的移 动台( 称作间接自主定位) 。 从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用自主定位系统和间接定 位系统都必须对现有移动台进行适当修改，对于自主定位和间接远程定位系统要在移动 台加装能同时接收多个基站定位信号和对定位信号进行处理的部件；在间接远程定位系 统中还必须添加用于将主定位信息传送回蜂窝网络的设备。间接自主定位系统虽然对移 动台改动相对较少，但是实现起来仍然不容易，而基于网络的定位方案则只需对蜂窝网 络设备作适当扩充、修改，不需对现有移动台作任何改动，不但能充分利用现有各种蜂 窝系统资源，并且可以保护广大移动用户已有投资，实现相对容易，因而是无线定位系 统的首选。 1 4 定位性能的评价标准 为了正确评价各种定位算法在实际蜂窝网络环境中的定位性能，需要首先确定评价 定位准确率的指标1 1 j 。目前最常用的指标是定位解均方误差( m s e ) 、均方根误差r m s e 、 克拉美罗下界( c r l b ) 、几何精度因子( g d o p ) 、圆球误差概率( c e p ，s e p ) 等。此 外，工程应用中还常将定位误差的概率密度函数( p d f ) 和累积概率分布函数( c d f ) ， 相对定位误差( r p e ) 等作为评价指标。 ( 1 ) 均方误差m s e 与c r l b 定位解的均方误差m s e 与理论上基于无偏差估计器方差的c r l b ( c m m e r - r a o l o w e r b o u n d ) 的比较。在二维定位估计中计算m s e 的方法为： s 1 绪论 m s e = e ( x - 力2 + c v 一力2 】 ( 1 1 ) 其中 ，y ) 为m s 的真实位置， ，力为m s 的估计位置。此外，均方根误差r m s e 也常用于评价定位准确率： 最 登澎= 研( x 一旬2 + ( ) ，一夕) 2 】 ( 1 2 ) 克拉美罗下界( c r l b ) 是无偏参数方差的下界。通常用m s e 或r m s e 对理论c r l b 的逼近程度来判定定位估计的精度。 ( 2 ) 圆朦误差概率( c e p s e p ，c i r c u l a re r r o rp r o b a b i l i t y s p h e r ee r r o rp r o b a b i l i t y ) c e p 是定位估计器相对于其定位均值的不确定性度量。对于二维定位系统，c e p 定 义为包含了一半以均值为中心的随机矢量的圆半径。如果定位估计器为无偏差的，c e p 即为m s 相对其真实位置的不确定性度量。如果估计器有偏差且以偏差b 为界，则对于 5 0 概率，m s 的估计位置在距离b + c e p 内。 对于三维的定位系统，上述定义中的圆半径应由球半径代替，而圆误差概率也应由 球误差概率s e p 代替。 ( 3 ) 几何精度因子( g d o p ，g e o m e t r i cd i l u t i o no f p r e c i s i o n ) 几何精度因子g d o p 定义为定位误差r m s e 与测距误差r m s e 的比率。它是几何 位置对定位准确率影响的度量，表征了由于移动台与基站的几何位置关系对测距误差的 放大程度。g d o p 越大，则b s 与m s 之间的几何位置关系对定位精度的影响越大。所 以，g d o p 是设计定位算法时经常需要考虑的指标，还可以作为组网时选择b s 位置的 参考。 ( 4 ) 累计分布函数( c d f ) 上述几种性能指标主要侧重于理论分析，在实际工程应用中还常用到平均定位误 差、误差概率密度函数p d f ，误差累积分布函数c d f 等评价指标。c d f 是指在某个精 度门限以下定位次数在总定位次数中所占比例。如定位误差在1 2 5 m 以下的定位次数在 所有定位次数中所占的百分比，通常记为c d f ( 1 2 5 ) 。 ( 5 ) 相对定位误差( r p e ) 定位精度显然与定位范围有关。为了反映出定位精度与定位范围的这种相对关系， 有必要引入相对定位误差( r p e ) 概念。若定位范围( 基站之间或有效作用检测点之间 的距离) 最大圆( 球) 半径为r 。，定位精度为o ，则 r p e ：旦( 1 3 ) r - 对于铁路沿线、管道沿线、井下巷道等一维位置点的相对定位误差，上述半径应变 为两个基站或有效作用检测点之间距离的一半。 9 西安科技大学硕士学位论文 1 5 论文的结构 本文的内容安排如下： 第一章是课题的研究背景与意义以及论文的主要工作。概括介绍了井下人员定位和 地面无线定位技术的发展状况以及定位性能的评价标准等。 第二章在讨论了无线传播环境与定位误差之间的关系和总结了与煤矿井下无线传 播环境相关的基本理论的基础上对并下无线电波传输特性进行进一步的分析和研究。在 此基础上，对煤矿井下现有的统计信道模型进行了实验仿真。最后，根据电磁波在井下 巷道的传播特点，建立了井下无线信道的射线传输模型并用m a t l a b 软件对模型进行仿 真验证。 第三章着重分析了几种井下无线定位技术，并简单介绍了各种定位技术的定位参量 的估计方法。 第四章在前面几章节的基础上对几种井下无线定位技术及其算法进行研究。在深入 理解各种无线定位技术原理的基础上，实现了一种可同时估计人员位置和信号发射时间 的井下t o a 定位算法；受地面1 1 ) o a 定位的f a n g 氏算法的启发，实现了一种简单的 井下t o a 定位算法f 卸g - t o a 算法；对在井下应用两基站进行t o a 定位的可行性进 行了分析论证。此外，还对井下t d o a 定位算法进行了研究。并利用m a t l a b 软件对以 上各种算法分别在高斯噪声环境下和n l o s 环境下进行实验仿真。 第五章为总结与展望。 2 煤矿井下无线信道特性研究 2 煤矿井下无线信道特性研究 如前所述，井下无线精确定位是井下人员定位的一个发展趋势。无论是对地面无线 移动通信系统还是煤矿井下的无线移动通信系统而言，一个完整的无线移动通信系统一 般都包括移动台( m s ) 、基站( b s ) 、移动交换中心( m s c ) 和公用电话网( p s t n ) 接 口等四部分。公用电话网与移动交换中心、移动交换中心与基站之间一般通过有线方式 连接的，部分透过微波等固定无线链路连接。而基站与移动台之间则通过无线接口( 或 空中接口) 进行连接，是移动通信的特殊部分。因此，对井下无线通信系统和井下人员 无线定位技术的研究和开发都有赖于对井下无线信道特性的认识。 与有线信道相比，无线移动传播信道所面临的传播条件是复杂而恶劣的。同地面移 动通信信道一样，井下无线信道的主要特征也表现为无线电波的多径传播和由于周围散 射体或移动台运动所引起的非线性时变特性，而这些正是造成无线定位误差的主要原因 j t i 一般而言，当移动台和基站之间的直射路径被遮挡后，无线电波只能以反射和衍射 的方式到达接收端。此时电波到达时间和角度就无法反映基站和移动台的真实距离和方 位角，这一现象就是非视距路径传播( n l o s ) 。当采用到达时间( m ) 或时间差( ) o a ) 技术对移动台进行定位估计时，由于n l o s 的存在，会使得t o a 或t d o a 测量值出现 较大偏差，造成定位性能显著下降。另外，由于对移动目标的定位一般通过两步完成； 一是测量估计值，二是依据一定算法计算移动台位置。因此，相应的定位误差有两种： 一是测量误差，二是计算误差。 因而，如何根据测量值中提供的信息及网络提供