UWB定位技术在矿井下的应用

2021-04-10张宗强

新型工业化 2021年2期

张宗强

（天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

0 引言

20世纪80年代开始我国开始展开了对于UWB技术的相关研究，但在当时，我国的UWB技术发展较慢，因此该技术没有得到大规模的应用。随着我国科学技术的不断发展，国家对于UWB技术的研究也逐渐重视起来，近年来，我国UWB技术的发展已经逐渐与发达国家接轨。

1 超宽带定位技术的特点

1.1 发射的功率较低

UWB定位技术所发射的信号具有功率较低的特点，这是由于该技术的数据传输使用无线电脉冲，无线电脉冲所用的时间较短，能够给发射信号留下较大的空间，舍得信号功率较小。UWB定位技术所发射的信号功率甚至可以达到几十毫瓦，这种信号在传输过程中对其他系统的干扰十分低。

1.2 传输的速率较高

UWB定位技术之所以叫做超宽带定位技术，就是因为该技术所使用的频带较宽，因此，UWB定位技术的信号传输速率比其他无线定位技术的传输速率要高，即使UWB定位技术发射的信号的功率较小也能够实现信号的高速传输，基本可以达到100-500mbps。这种高速传输信号的特点使得UWB定位技术可以实现快速定位，也减小了信号传输的时间差。

1.3 空间的容量较大

空间容量具体指的是，在每平方米的空间内每秒钟信号所传输的比特，空间容量也是无线定位技术中重要衡量条件。超宽带定位技术的空间容量高达1000kbps/m2，与其他定位技术相比，超宽带定位技术有着很大的空间容量优势。

1.4 多径分辨率较高

多径衰落是定位技术较为常见的问题，在巷道较多的矿井下定位更容易出现多径衰落的现象，多径衰落是指发射信号受到环境的影响而出现的信号衰弱现象。在使用其他定位技术进行定位工作时，多径衰落的问题很难彻底解决，因为常规的定位技术信号传播的时间较长，超过了多径传播的时间，就会使信号衰弱。而UWB定位技术所发射的信号不仅脉冲的时间较短，而且多径分辨率较高，使得发射信号的看抗衰弱能力较强。

1.5 保密性较好

UWB定位技术所发射的信号功率密谱度与常规定位技术相比较低，再加上UWB定位技术所使用的频带较宽，其信息在传输过程可以淹没在白噪音当中，一般的信号接收机根本无法接收到UWB定位技术所发射的信号，因此保密性极好，很难被其他系统监测到。

1.6 定位精准、信号易于数字化

UWB定位技术发射的信号具有较强的穿透力，即使在地下作业其发射信号的穿透力也很强，因此定位的精准度很高，其误差只停留在厘米级别。UWB定位技术的信号传输较为简单，不需要过滤器、混频器等零件，具有低能耗的特点，信息还便于数字化，使得应用起来十分方便。

2 超宽带定位技术的原理

超宽带定位技术主要依照定位算法来判断具体位置，通过测量时间差、信号到达角度以及时差定位等进行计算，超宽带定位系统主要由定位平台、传感器以及有源定位标签三部分构成。在具体测量定位的过程中，有源定位标签将位置信息发射给传感器，然后传感器将接收到的位置信号信息利用定位算法进行分析计算，最后发送到定位平台，定位平台的功能是可以进行空间的无限外扩，最终在空间上实现精准定位。

3 超宽带定位技术在矿井下的应用

超宽带（UWB）定位技术因为其方法简单、精度较强且成本较低的优势被广泛应用到矿井下作业的定位工作中。该技术与其他无线定位技术具有着相似之处，那就是它们都是通过测距以及测向的方式来进行定位的，这也是大部分定位技术的特征。超宽带定位技术从定位的模型来看一共有三种技术方法，分别为AOA技术、RSS技术以及TOA/TDOA技术，其具体的定位应用也是依据这三种技术进行的。

3.1 基于AOA技术的测距定位

基于AOA技术的测距定位的原理是，将天线阵列作为参考节点，将所测定的目标节点与参考节点的夹角作为测量目标，根据对夹角信息的测定来进一步判定目标节点的位置。例如，将天线阵列的两个参考节点设为点A和点B,将想要定位的目标节点设为点C，测量在垂直结构上点C到两个参考节点的倾斜角a和b，然后运用非线性方程的计算方法求出目标节点C的具体位置（x0，y0），在AOA技术模型中，假设某一时刻为t，发射的信号为S，在t时刻，信号S沿着目标节点的倾斜角方向射入到阵列中，将到达各阵列的方向都看成是平行位置，则可根据阵元数以及各阵元之间的距离求出阵列向量，接收方向的阵列均值全部为0，则可以通过分析判定阵元数的增加以及阵元间距的增加可以减少AOA定位的估计误差，但过于增加信号S的入射角度会导致AOA定位的误差增大[1]。

综上所述，基于AOA技术的测距定位在操作过程中的方式较为简单灵活，但在巷道复杂错乱的煤矿井内，其精确度要大幅度下降，影响着定位的准确性。同时，天线矩阵的应用成本较高，不适合小成本的矿井作业，这种技术也不能够体现出超宽带技术定信号发射宽的特点，因此应当根据矿井的实际情况再决定采取该方法。

3.2 基于RSS技术的测距定位

RSS技术的测距定位对于矿井的环境有着较高的敏感度，该技术主要是通过路径损耗来进行定位的。因此，在不同矿井环境下使用RSS测距定位技术，还要具体研究UWB信号的传输特性，该技术定位的过程中，至少需要3个参考节点，才能准确计算出目标节点的位置。在矿井下进行信号发射，将目标节点的信号发射到3个参考节点的位置，在这一过程中，UWB信号会因为井下巷道多且发展而出现信号衰弱的现象，信号的具体衰弱原因是多径导致衰弱、阴影导致衰弱以及路径导致衰弱。假设在理想的环境下，多径导致的信号衰弱以及阴影产生的信号衰弱可以使用计算长时间信号强度的平均值来降低影响，就可以提高信号的准确度。实际定位的过程中，信号衰弱的问题是不能够忽视的，直接影响着定位的准确率。接收信号的传输受到中心频率的影响，根据传播距离导致的信号损耗功率和色散导致的信号损耗功率来计算UWB信号的功率，然后根据接收信号来构建RSS技术的测距定位函数并计算出目标节点的位置[2]。

综上所述，RSS技术的测距定位成本较低但受到矿井内部环境的影响较大，UWB技术的优点并不能够彻底消除环境对定位精确度的影响，当矿井内路径损耗系数较大时，RSS测距定位技术就不能够使用，因此，还是要根据矿井的环境特点来使用该方法。

3.3 基于TOA/TDOA技术的测距定位

基于TOA/TDOA技术的测距定位原理是，在不同时间从目标节点发射信号到参考节点分别设为t1和t2，然后计算两个参考节点的时间差△t=t1-t2，将参考节点与目标节点的距离设为S，光速为c，则有S=△t*c，在二维空间内以3个参考节点为圆心，以求出的对应S为半径画三个圆，这三个圆的交点则目标节点的位置，然后再计算目标节点的具体空间位置。也可通过列方程的方式计算目标节点的位置，将目标节点的位置在二维空间内设为（x0，y0），参考节点的位置设为（xn，yn），然后分别计算目标节点的与参考节点横坐标与纵坐标差值的平方，即（x0-xn）2和（y0-yn）2，计算两者相加的平方根，列出三个参考节点的公式，最后求出目标节点的具体二维坐标[3]。

TOA/TDOA技术的测距定位与AOA技术和RSS测距定位相比，可以利用超宽带技术的优势来进行测量，即UWB技术时间分辨率极强的优势，因此这种方法的测距定位精确度较高，有效减少了井下定位过程中环境对定位精确度的影响，在巷道复杂的矿井内该方法最适合应用。

TDOA技术测距定位的原理是设置n个参考点，然后测量n个参考点到达目标节点的时间差来确定目标节点的二维空间位置，因为在矿井中进行定位工作一般只定位直线上的位置，所以一般选取2个参考节点进行定位。在二维空间内，假设目标节点的为（x0，y0），参考节点的位置设为（xn，yn），然后分别计算目标节点的与参考节点横坐标与纵坐标差值的平方，即（x0-xn）2和（y0-yn）2，计算两者相加的平方根，然后列出两个方程组成方程组并计算目标节点的位置（x0，y0）。这种技术的定位方式不要求参考节点与目标节点的时钟一致，只需要保证两个参考节点的时钟一致就能够进行定位，因此TDOA技术的测距定位方法在矿井中的应用较为广泛[4-5]。