基于超宽带的煤矿井下精准定位系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，包括有硬件层、网络通信层以及用户应用层，所述硬件层包括超宽带定位标签以及超宽带定位基站，所述超宽带定位标签用于周期性不间断的发送超宽带信号；超宽带定位基站用于捕获、解析超宽带信号，并转发给所述定位引擎；所述网络通信层包括网络交换机，用于超宽带定位基站与定位引擎之间的双向数据传输；所述用户应用层具有显示装置。上述技术方案结构科学合理，操作方便，利用超宽带定位基站用于捕获、解析超宽带信号，并转发给所述定位引擎，定位精准，确定矿工在井下的具体位置，对井下生还人员的搜救工作变得更容易。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，属于定位技术与安全预警领域，尤其用于煤矿井下作业。
技术介绍
煤矿是我国经济发展和现代化建设的重要能源支持，在国民经济中占有十分重要的地位。目前，煤矿的开采工作主要是由人工完成的，各种人为失误或自然环境所造成的矿井重大灾害及伤亡事故时有发生，对矿井下工作人员的人身安全造成了极大的威胁。当矿难发生后，由于无法确定矿工在井下的具体位置，对井下生还人员的搜救工作变得十分困难。此外，随着煤矿开采深度不断延伸，高瓦斯和瓦斯突出矿井数量越来越多，煤矿安全生产难度越来越大。对瓦斯的检测是防治瓦斯爆炸和瓦斯突出预警的重要参数。因此，对井下安全进行监控，对井下工作人员的实时工作地点信息的采集，以及对井下人员有效的组织管理显得十分重要，是安全生产和灾后救援的重要依据。目前用于井下的定位方法主要是RFID技术实现主要巷道的考勤定位，该技术主要实现了考勤功能，但无法做到精确定位。另外，还有基于WiFi、ZigBee技术的无线定位方式。但是，这些定位方法或系统存在诸多问题：信号穿透能力弱，易受干扰，多径严重，更重要的是这些方法定位精度较差。一旦煤矿井下发生灾变，势必会给救援工作带来极大的困难。超宽带(Ultra wide-band，UWB)技术拥有极宽电磁频谱，在穿透能力、精细分辨、精确测距、抗多径和抗干扰等方面具有独特的优势，其系统实现具有低复杂度、低功耗、低成本的潜力，非常适合在煤矿井下使用。在中国专利文献CN202600134U中公开了一种煤矿井下超宽带定位系统，包括远程监视层和现场监控层，所述远程监视层包括浏览器服务器，数据服务器，地面监控终端，交换机；所述现场监控层包括目标节点，参考节点，网关和基站；数据服务器和地面监控终端通过交换机与基站构成有线网络，并通过Internet网络将实时定位数据传送给浏览器服务器；目标节点，参考节点，网关和基站构
成超宽带无线定位网络；基站通过光纤或总线挂接在交换机上；目标节点由井下作业人员或者机械装置携带；所述数据服务器，接收并存储目标节点位置数据；所述地面监控终端，记录参考节点部署位置信息，根据接收到的距离测量值，进行NLOS鉴别，并根据NLOS鉴别结果和参考节点的部署位置及巷道分布，计算目标节点的精确位置，并将位置信息再发送给数据服务器及浏览器服务器；所述交换机和基站，负责转发定位信息；所述网关负责完成超宽带无线定位信息的转发和配置信息的传送；所述参考节点，放置在网关设备无线信号覆盖范围内，提供一个包含自己位置坐标和RSSI值的信息包给目标节点，完成传输超宽带信号到达时间的计算；所述目标节点，与井下人员的身份对应，完成参考节点的选取；所述的系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。但是上述公开的方案在精度比较差，且结构太复杂，实际操作难度大。
技术实现思路
本技术要解决的问题是提供一种结构科学合理，操作方便的基于超宽带的煤矿井下精准定位系统。为解决上述技术问题，本技术采用方案是：该基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，包括有硬件层、网络通信层以及用户应用层，所述硬件层包括超宽带定位标签以及超宽带定位基站，所述超宽带定位标签用于周期性不间断的发送超宽带信号；超宽带定位基站用于捕获、解析超宽带信号，并转发给所述定位引擎；所述网络通信层包括网络交换机，用于超宽带定位基站与定位引擎之间的双向数据传输；所述用户应用层具有显示装置。其中，用户应用层是与客户交互的平台，为客户直观的显示井下人员的位置信息、人员管理以及可根据客户的需求制定相应的功能；上述技术方案结构科学合理，操作方便，利用超宽带定位基站用于捕获、解析超宽带信号，并转发给所述定位引擎，定位精准，确定矿工在井下的具体位置，对井下生还人员的搜救工作变得更容易。进一步的改进在于，所述超宽带定位标签还集成有瓦斯传感器。超宽带定位标签除了周期性不间断发送超宽带信号之外，还集成瓦斯传感器。超宽带标签佩戴在井下人员身上，不仅能够获得井下人员的位置信息，而且能够实时监测局部甲烷气体的浓度。当监测到甲烷气体的浓度超标时，能够发出
警报，提醒井下人员以及通知井上监管人员及时做出响应，如通风，紧急撤离等。将瓦斯传感器集成在超宽带定位标签上，能够从传统被动式的监测转为主动式的实时监测，并能够及时发现局部区域瓦斯的浓度，方便监管者更加及时的发现问题，迅速做出决策，预防事故的发生，提高生产的安全。进一步的改进在于，所述硬件层包括有若干个超宽带定位基站，并将超宽带定位基站部署在煤矿井下；多个超宽带定位基站更有利于定位井下矿工位置。进一步的改进在于，所述超宽带定位标签设置有用于紧固的腰带，且所述瓦斯传感器设置在所述超宽带定位标签的底部。对于井下的矿工而言，超宽带定位标签是其生命的一道保护线，而矿工在井下操作又面临现实的工作情况，设置用于紧固的腰带，便于矿工携带，且不易丢失和损坏；其次，根据井下作业的经验，专利技术人发现设备的表面经常会被刮花碰坏，将瓦斯传感器设置在所述超宽带定位标签的底部，使得瓦斯传感器不易被磕碰弄坏又能快速的检测，及时发现局部区域瓦斯的浓度。进一步的改进在于，所述超宽带定位标签的内侧面是弧形的。内侧面是弧形的主要是便于超宽带定位标签与佩戴者腰部贴合，提高佩戴舒适度。进一步的改进在于，所述用户应用层还包括有监控终端，所述显示装置属于所述监控终端的一部分。进一步的改进在于，所述超宽带定位基站的上端面呈圆弧形，所述超宽带定位基站的下端面是平面设置的。上端面设置呈圆弧形主要作用在于降低外力对基站的打击力，尤其是在井下操作，碎石较多的情况下，这样的结构设置显得尤为重要；下端面设置成平面，主要是使得基站底部受力平稳，提供基站运行的可靠性。本技术的基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，其主要的工作原理为：在煤矿井下部署若干个超宽带定位基站(并已知自身的位置信息)，为下井的工作人员配备超宽带定位标签。超宽带定位标签周期性不间断的向外发送超宽带信号，井下的超宽带定位基站捕获该超宽带信号，并记录保存接收超宽带信号的时间戳信息，然后各个基站将各自的时间戳信息转发给井上的定位引擎。定位引擎这些时间戳信息，采用基于时间到达差(TDOA)方法，建立关于井下工作人员位置坐标与超宽带定位基站之间的非线性关系，从而解算出井下人员的位置信
息。由于超宽带信号具有极强的时间分辨率，进而能够获得更高的定位精度。进一步，随着井下工作人员的移动，集成在超宽带定位标签内的瓦斯传感器能够不断检测井下人员所处位置的甲烷浓度。当监测到甲烷气体的浓度超标时，能够发出警报，提醒井下人员及时撤离，以及通知井上监管人员及时做出响应，如通风等。井上监管人员不仅能够实时获得井下人员的位置信息，还能够获知其所处位置的甲烷浓度，更加保证井下工作人员生产的安全，及时预防危险事故的发生，降低人员伤亡情况。所述的一种基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，其定位方法为：由于煤矿井下的特殊环境，巷道的几何形状的约束，定位基站不能在一个平面空间内随机部署，只能沿巷道方向部署。另外，定位标签采用单向发送的方式，因此采用基于到达时间差(TDOA)的定位方法，不需要定位标签与定位之间严格的时钟同步，降低了定位标签的复杂程度以及能够节约定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，包括有硬件层、网络通信层以及用户应用层，其特征在于，所述硬件层包括超宽带定位标签以及超宽带定位基站，所述超宽带定位标签用于周期性不间断的发送超宽带信号；超宽带定位基站用于捕获、解析超宽带信号，并转发给所述定位引擎；所述网络通信层包括网络交换机，用于超宽带定位基站与定位引擎之间的双向数据传输；所述用户应用层具有显示装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，包括有硬件层、网络通信层以及用户应用层，其特征在于，所述硬件层包括超宽带定位标签以及超宽带定位基站，所述超宽带定位标签用于周期性不间断的发送超宽带信号；超宽带定位基站用于捕获、解析超宽带信号，并转发给所述定位引擎；所述网络通信层包括网络交换机，用于超宽带定位基站与定位引擎之间的双向数据传输；所述用户应用层具有显示装置。2.根据权利要求1所述的基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，其特征在于，所述超宽带定位标签还集成有瓦斯传感器。3.根据权利要求2所述的基于超宽带的煤矿井下精准定位系统，其特征在于，所述硬件层包括有若干个超宽带定位基站，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冀，袁子伦，郭迪，肖岩，郧刚，马琳琳，
申请(专利权)人：广州中海达定位技术有限公司，郑州联睿电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44