井下作业人员高精度定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种井下作业人员高精度定位系统及方法，该方法包括以下步骤：将井下巷道内部空间分割成矩形空间网格并将每一个网格点编号为，采集每一个网格点Ni的标定特征参数建立定位数据库；井下作业人员配带的定位终端实时发出含有该定位终端的ID的探测信号；井下巷道内每一个定位AP分站分别将收到探测信号转发给定位服务器；定位服务器解算得到探测信号的ID以及实时特征参数；将实时特征参数与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数进行对比获得井下作业人员在井下巷道内的准确位置。本发明专利技术完全屏蔽了电磁波首达径提取所带来的误差，排除了复杂电磁环境的影响，提高了井下作业人员的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
井下作业人员高精度定位系统及方法
本专利技术井下作业人员的定位，具体涉及井下作业人员高精度定位系统及方法。
技术介绍
矿井开采行业的安全事故频发，因此，国家对煤矿井下作业人员的安全日益重视，监管力度不断加强，相继出台多项管理规程。如：《煤矿安全规程》第十条要求：煤矿企业必须建立入井检测制度和出入井人员清点制度；《煤矿井下安全避险“六大系统”建设完善基本要求及检查验收暂行办法》第十七条要求：所有入井人员必须携带识别卡；AQ6210-2007及AQ1048-2007《煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》中要求：各个人员出入井口应设置检验识别卡是否正常和唯一性检测的装置，并提示携卡人员本人及相关人员。其主要目的在于：有效进行矿工管理，遏制超员生产，保证抢险救灾、安全救护。对矿工进行有效管理的基础在于井下作业人员的精确定位。目前常用的定位方法主要有三种：(1)基于射频识别技术(RFID,RadioFrequencyIdenPificaPion)的定位系统，该定位系统应用比较广泛，但是存在以下一些问题：定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位，做不到动态实时的精确定位，一旦矿难发生，无法准确的定位矿难人员所在的具体位置；由于RFID只能实现区域定位，无法检测一人携带多卡的情况，不便于矿领导对人员的考勤与管理；受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。(2)基于蜂窝无线网络中基于小区标识(CellID)的定位系统，该定位系统利用待定位物体所在的服务基站即蜂窝小区的ID来估计待定位物体所在的位置，蜂窝网络中的小区ID是全世界唯一的，待定位物体所在的位置主要由蜂窝小区的ID和小区覆盖范围决定的。CellID实现原理简单，无需定位终端改动，也无需测量复杂的信号特征值，只需网络侧做小小的改进，增加定位流程即可，是目前无线定位技术中最简单的方法，定位时间只需3秒左右，但是该技术通过识别用户所在的小区来定位用户的位置，定位精度往往在小区半径数量级别上，大约200到300米左右范围，定位精度很低。但是由于井下巷道的特殊环境，如无线信号多径传播，信号衰落大，很难视距传播，因此该技术不适合用于煤矿井下精确定位。(3)基于接收信号强度(RSSI,ReceivedSignalSPrengPhIndicaPion)的定位系统，是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传播损耗型计算移动节点与传输分站间的距离。移动节点接收到的信号强度随着距离传输分站的距离变化而变化，即移动节点与传输分站距离越近，接收到的信号强度越强，反之，移动节点距传输分站越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果。RSSI定位方法简单易实施。但是无线信号的传播损耗模型受环境影响很大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加传输分站的密度，及通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但是井下环境多维隧道组成的线状环境，无法得到平面上其他方向的场强数据，所以当隧道中存在如较大金属遮挡物等影响无线信号传输的因素时，定位误差较大。另外，矿井的井巷道是狭长、闭合的通信通道，并且由于粉尘、潮湿、电磁干扰等原因的存在，通信条件比较恶劣，主要表现在下面几点：首先，多径效应严重。多径传播会导致时延扩展、信号相位偏移和频率扩展；其次，非视距路径传播对于信号强度影响很大。当移动台和接收机之间的直线距离被遮挡后，只有折射和反射路径达到接收端，则接收处得到的信号强度RSSI会被消弱，进一步增大了测量值的误差，降低了系统的定位精度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何提高井下作业人员的定位精度的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供一种高精度矿井实时定位方法，包括以下步骤：将井下巷道内部空间分割成矩形空间网格并将每一个网格点(Xi、Yi、Zi)编号为Ni，采集每一个网格点Ni的标定特征参数Bi建立定位数据库；所述标定特征参数Bi采用如下方式获得：在每一个网格点Ni上发射含有该网格点的编号Ni的无线标定信号，井下巷道内该无线发射器接收范围内的多个定位AP分站分别接收所述无线标定信号并发送给定位服务器，所述定位服务器解算每一个定位AP分站Sk收到的无线标定信号，并将每一个接收信号Rki的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度作为该网格点的标定特征参数Bi，其中：(Xi、Yi、Zi)为网格点Ni的坐标，i＝1～n,n为网格点的数量，k＝1～m,m为无线发射器接收范围内的定位AP分站的数量；井下作业人员配带的定位终端实时发出含有该定位终端的ID的探测信号，井下巷道内该定位终端接收范围内的每一个定位AP分站分别将收到探测信号转发给定位服务器；定位服务器对每一个定位AP分站收到的探测信号进行解算，得到定位终端的ID以及实时特征参数P，所述实时特征参数P包括每一个定位AP分站收到的探测信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度；将实时特征参数P与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数Bi进行对比，以数值最接近的网格点的位置作为井下作业人员在井下巷道内的准确位置。在上述方法中，随井下掘进机的移动，实时更新定位数据库，具体作法如下：在井下掘进机上设置支架，所述支架上设有与巷道空间网格点纵向截面相匹配的节点，每个节点上安装有一个扩展无线发射模块；每一个所述扩展无线发射模块随采掘面同步移动，在相应的掘进位置发射扩展信号，该扩展信号中包含有相应扩展无线发射模块的ID和坐标；接收范围内的定位AP分站将扩展信号的扩展特征参数传送到所述定位服务器并添加到定位数据库中创建新的网格点，所述扩展特征参数包括所接收到的扩展信号的幅度、到达角度、信噪比和干扰强度，新的网格点的坐标通过掘进位置以及扩展无线发射模块的位置确定。在上述方法中，当出现网络故障时，将探测信号的实时特征参数保存在定位AP分站上的存储器中，当网络故障修复时，定位AP分站将存储器中保存的每一个实时特征参数发送给定位服务器分别进行解算。在上述方法中，地面上设有监控中心，井下作业人员配带的定位终端上设有用于发出报警信号的报警按键，定位AP分站收到报警信号后传送给所述监控中心。在上述方法中，所述监控中心根据某个区域内终端的数量与规定数量的比较结果产生超员报警。在上述方法中，所述监控中心根据相邻两个终端之间的距离与设定值的比较结果产生一人带多卡报警。本专利技术还提供了一种井下作业人员高精度定位系统，包括设置在地面上的定位服务器和设置在井下巷道内的探测装置。所述定位服务器上设有定位数据库和比较模块，所述探测装置包括多个定位AP分站，所述定位AP分站通过防爆光交换机连接到所述定位服务器；所述定位数据库上预先保存有井下巷道矩形空间网格上的每一个网格点的标定特征参数，所述标定特征参数为预先设置在相应网格点上的无线发射器的接收范围内的定位AP分站所接收到的该无线发射模块发出的标定信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度。每个所述定位AP分站上均设有无线接收模块和测量模块，井下作业人员所配带的定位终端上设有无线发射模块，定位终端通过所述无线发射模块实时发出含有该定位终端的I本文档来自技高网...

【技术保护点】
井下作业人员高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：将井下巷道内部空间分割成矩形空间网格并将每一个网格点(Xi、Yi、Zi)编号为Ni，采集每一个网格点Ni的标定特征参数Bi建立定位数据库；所述标定特征参数Bi采用如下方式获得：在每一个网格点Ni上发射含有该网格点的编号Ni的无线标定信号，井下巷道内该无线发射器接收范围内的多个定位AP分站分别接收所述无线标定信号并发送给定位服务器，所述定位服务器解算每一个定位AP分站Sk收到的无线标定信号，并将每一个接收信号Rki的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度作为该网格点的标定特征参数Bi，其中：(Xi、Yi、Zi)为网格点Ni的坐标，i＝1～n,n为网格点的数量，k＝1～m,m为无线发射器接收范围内的定位AP分站的数量；井下作业人员配带的定位终端实时发出含有该定位终端的ID的探测信号，井下巷道内该定位终端接收范围内的每一个定位AP分站分别将收到探测信号转发给定位服务器；定位服务器对每一个定位AP分站收到的探测信号进行解算，得到定位终端的ID以及实时特征参数P，所述实时特征参数P包括每一个定位AP分站收到的探测信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度；将实时特征参数P与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数Bi进行对比，以数值最接近的网格点的位置作为井下作业人员在井下巷道内的准确位置。...

【技术特征摘要】
1.井下作业人员高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：将井下巷道内部空间分割成矩形空间网格并将每一个网格点(Xi、Yi、Zi)编号为Ni，采集每一个网格点Ni的标定特征参数Bi建立定位数据库；所述标定特征参数Bi采用如下方式获得：在每一个网格点Ni上发射含有该网格点的编号Ni的无线标定信号，井下巷道内无线发射器接收范围内的多个定位AP分站分别接收所述无线标定信号并发送给定位服务器，所述定位服务器解算每一个定位AP分站Sk收到的无线标定信号，并将每一个接收信号Rki的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度作为该网格点的标定特征参数Bi，其中：(Xi、Yi、Zi)为网格点Ni的坐标，i＝1～n,n为网格点的数量，k＝1～m,m为无线发射器接收范围内的定位AP分站的数量；井下作业人员配带的定位终端实时发出含有该定位终端的ID的探测信号，井下巷道内该定位终端接收范围内的每一个定位AP分站分别将收到探测信号转发给定位服务器；定位服务器对每一个定位AP分站收到的探测信号进行解算，得到定位终端的ID以及实时特征参数P，所述实时特征参数P包括每一个定位AP分站收到的探测信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度；将实时特征参数P与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数Bi进行对比，以数值最接近的网格点的位置作为井下作业人员在井下巷道内的准确位置；随井下掘进机的移动，实时更新定位数据库，具体作法如下：在井下掘进机上设置支架，所述支架上设有与巷道空间网格点纵向截面相匹配的节点，每个节点上安装有一个扩展无线发射模块；每一个所述扩展无线发射模块随采掘面同步移动，在相应的掘进位置发射扩展信号，该扩展信号中包含有相应扩展无线发射模块的ID和坐标；接收范围内的定位AP分站将扩展信号的扩展特征参数传送到所述定位服务器并添加到定位数据库中创建新的网格点，所述扩展特征参数包括所接收到的扩展信号的幅度、到达角度、信噪比和干扰强度，新的网格点的坐标通过掘进位置以及扩展无线发射模块的位置确定；其中：井下巷道内的所有定位AP分站分成多组，每组中的多个定位AP分站首先分别通过网线连接到一个光电转换器的网络接口上，再将光电转换器的光输出口通过防爆光交换机连接到定位服务器上。2.如权利要求1所述的井下作业人员高精度定位方法，其特征在于，当出现网络故障时，将探测信号的实时特征参数保存在定位AP分站上的存储器中，当网络故障修复时，定位AP分站将存储器中保存的每一个实时特征参数发送给定位服务器分别进行解算。3.如权利要求1所述的井下作业人员高精度定位方法，其特征在于，地面上设有监控中心，井下作业人员配带的定位终端上设有用于发出报警信号的报警按...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖登坤，
申请(专利权)人：肖登坤，
类型：发明
国别省市：北京;11