煤礦現(xiàn)場人員二維精確定位方法

溫賢培

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

人員定位系統(tǒng)作為煤礦現(xiàn)場安全生產(chǎn)的重要保障，通常采用RFID、藍牙、ZigBee、紅外線超聲波等技術(shù)實現(xiàn)人員定位功能，但煤礦現(xiàn)場設(shè)備安放雜亂、粉塵浮游物含量高、多徑效應(yīng)嚴(yán)重等諸多因數(shù)影響導(dǎo)致傳統(tǒng)定位技術(shù)定位精度較差，越來越不能滿足現(xiàn)階段高并發(fā)量、高精度的現(xiàn)場使用需求。UWB 超寬帶技術(shù)相比傳統(tǒng)人員定位系統(tǒng)而言，具有定位精度高、穿透性強、抗多徑強、并發(fā)量高等特點，現(xiàn)已成為煤礦現(xiàn)場主流人員定位技術(shù)[1-4]。TOF二維定位通過對標(biāo)識卡分配測距時序，標(biāo)識卡根據(jù)測距時序依次與定位區(qū)域的基站進行DS-TWR 測距，然后將標(biāo)識卡與各個基站測距數(shù)據(jù)上傳中心站，最后中心站定位引擎根據(jù)測距距離解算出二維坐標(biāo)，但TOF 二維定位要求標(biāo)識卡依次與定位區(qū)域基站進行DS-TWR 測距，定位時間長且定位流程較復(fù)雜。為此，將TOF 結(jié)合TDOA 進行二維定位，只需標(biāo)識卡與定位區(qū)域主基站進行1 次DS-TWR 測距，中心站定位引擎即可求解出標(biāo)識卡與定位區(qū)域各個基站距離并求解出二維坐標(biāo)，該定位方法即保證了二維定位精度，也實現(xiàn)了快速定位的需求[5-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

TOF 結(jié)合TDOA 定位示意圖如圖1。

圖1 TOF 結(jié)合TDOA 定位示意圖Fig.1 TOF combined with TDOA positioning diagram

TOF 結(jié)合TDOA 進行二維定位時采用4 個基站進行聯(lián)合定位，標(biāo)號依次為Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4，Anchor1 負責(zé)和標(biāo)識卡（Tag） 進行DS-TWR 測距，其它基站負責(zé)進行監(jiān)聽DS-TWR 測距過程中的所有信息。當(dāng)Tag 進入該區(qū)域后會發(fā)起入網(wǎng)請求幀，Anchor1 接收到入網(wǎng)請求幀之后會存儲里面附帶的信息并為Tag 分配測距時序，當(dāng)測距時序到達后Tag 主動與Anchor1 進行DS-TWR 測距，在測距過程中另外3 個基站將監(jiān)聽DS-TWR 測距過程中的所有信息，并將信息進行存儲上傳中心站定位引擎，定位引擎可分別求解出Tag 距離各個基站的距離，進而求解出標(biāo)識卡二維坐標(biāo)。

2 TOF 結(jié)合TDOA 二維定位

2.1 TOF 無線測距

TOF 定位技術(shù)通過測量無線信號的傳播時間來計算標(biāo)識卡與基站之間的距離，但標(biāo)識卡與基站間晶振時鐘頻率不同且不同步導(dǎo)致測量誤差，采用雙邊雙向測距（DS-TWR）方法進行測距能夠有效減少晶振引入的測量誤差[8-10]。DS-TWR 測距流程如圖2。

圖2 DS-TWR 測距流程Fig.2 DS-TWR ranging process

標(biāo)識卡發(fā)送測距請求幀（Poll）并檢測發(fā)送時間戳，基站接收Poll 幀并檢測Poll 幀接收時間戳，由于標(biāo)識卡和基站間沒有時鐘同步，因此無法獲取兩者間信息傳輸時的飛行時間。經(jīng)過雙向測距后基站發(fā)出測距響應(yīng)幀（Resp），標(biāo)識卡接收Resp 后回復(fù)測距數(shù)據(jù)幀（Fianl）。

經(jīng)過DS-TWR 測距后可以得到6 個時間戳，即Poll_Tx、Poll_Rx、Resp_Tx、Resp_Rx、Final_Tx、Final_Rx，根據(jù)式（1）可求出標(biāo)識卡與基站間距離d：

式中：Tround1為Poll_Tx 和Resp_Rx 時間差；Treply1為Poll_Rx 和Resp_Tx 時間差；Tround2為Resp_Rx 和Final_Tx 時間差；Treply2為Resp_Tx 和Final_Rx 時間差；c 為光速；d 為測距距離。

2.2 TOF 結(jié)合TDOA 測距

TDOA 由于定位速度高，相比TOF 使用得更廣泛，但TOF 的計算精度優(yōu)于TDOA。TDOA 在定位區(qū)域內(nèi)定位精度尚可，在定位區(qū)域外定位精度較差，而TOF 在定位區(qū)域內(nèi)外都具有不錯的定位精度，并且TOF 定位精度優(yōu)于同一基站布局的TDOA 定位精度，還可布置更大的定位面積。因此將TOF 和TDOA結(jié)合起來進行定位，可以滿足定位速度快和定位精度高的需求。TOF 結(jié)合TDOA 定位算法無需采用專門的時鐘同步基站，標(biāo)識卡只需與定位區(qū)域內(nèi)的1個基站完成1 次DS-TWR 測距就可以實現(xiàn)標(biāo)識卡與區(qū)域內(nèi)的所有基站完成測距。TOF 結(jié)合TDOA 測距時序圖如圖3。

圖3 TOF 結(jié)合TDOA 測距時序圖Fig.3 TOF combined with TDOA ranging sequence diagram

Tag 進入聯(lián)合定位區(qū)域并與Anchor1 進行入網(wǎng)，當(dāng)測距時序到達后Tag 發(fā)起Poll 幀與Anchor1 進行DS-TWR 測距。Tag 發(fā)送完畢Poll 幀之后記錄下發(fā)送時間戳T0A，Anchor1 接收到Poll 幀之后記錄下接收時間戳T1A，此時Anchor2 也處于監(jiān)聽狀態(tài)，同樣可以監(jiān)聽到Poll 幀。

Anchor1 將接收到的Poll 幀信息進行處理，處理完畢后回復(fù)Resp 幀表示Anchor1 已經(jīng)成功接收到Poll 幀，并記錄下Resp 幀發(fā)送時間戳T1B，Tag 接收到Resp 幀之后會保存Resp 幀附帶的信息同時記錄下Resp 幀接收時間戳T0B，Anchor2 也記錄下Resp 幀接收時間戳T2B。

最后Tag 將發(fā)起Final 幀，F(xiàn)inal 幀采用延時發(fā)送模式即定時發(fā)送，F(xiàn)inal 幀里面將附帶T0A、T0B以及Final 幀發(fā)送時間戳T0C，Anchor1 和Anchor2 接收到Final 幀的時間戳分別記作T1C和T2C，DS-TWR 測距流程完畢后各個基站會將時間戳發(fā)送到中心站進行結(jié)算。

當(dāng)通過DS-TWR 測量出Tag 與Anchor1 距離d1之后可以利用TDOA 技術(shù)測量出Anchor2、Anchor3、Anchor4 分別距離Tag 的距離d2、d3、d4，以圖3 時序為例，計算Anchor2 與Tag 之間距離d2，公式如下：

式中：d1為Tag 與Anchor1 距離；d2為Tag 與Anchor2 距離；d12為Anchor1 和Anchor2 距離；△T12為Poll 幀傳輸?shù)紸nchor1 和Anchor2 的時間差；T12為Resp 幀在Anchor1 和Anchor2 之間傳輸時間；c為光速。

由式（2）～式（4）可以得出：

上述公式建立的前提是Anchor1 和Anchor2 這2 個基站UWB 信號部分時鐘是同步的，現(xiàn)實應(yīng)用中時鐘不可能同步，這里將Anchor2 時鐘同步到Anchor1 時鐘，從圖3 可知Anchor1 接收Poll 幀到Final幀中間的時間段是一定的，Anchor2 接收Poll 幀到Final 幀中間的時間段應(yīng)該與Anchor1 相等，因此可以得到Anchor2 與Anchor1 的時間同步系數(shù)k，公式如下：

時間同步后公式如下：

因為基站在現(xiàn)場安裝完畢后會測量出各個基站的坐標(biāo)，那么基站與基站之間的距離就可事先計算出來，即d12表示Anchor1 和Anchor2 之間距離為常數(shù)，通過上述方法也可以計算出d3、d4，那么只需1次DS-TWR 測距就可以計算出Tag 距離各個基站之間的距離。

3 二維定位坐標(biāo)解算

TOA 定位示意圖如圖4。

圖4 TOA 定位示意圖Fig.4 TOA positioning diagram

通過TOF 結(jié)合TDOA 測距分別測量出了Tag距離各個基站的距離分別為d1、d2、d3、d4，標(biāo)識卡的坐標(biāo)位置可以理解為以4 個基站的坐標(biāo)作為圓心，分別以d1、d2、d3、d4作為各自基站的半徑進行畫圓，各個圓的相交點即為標(biāo)識卡坐標(biāo)，即通過TOA 定位算法進行坐標(biāo)解算。

Anchor1、Anchor2、Anchor3、Anchor4 4 個基站的位 置 分 別 是（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），（xd，yd）標(biāo) 識 卡節(jié)點Tag 的坐標(biāo)為（x，y），Tag 有4 個圓相交可得：

上述公式中通過3 組等式即可求解出標(biāo)識卡坐標(biāo)，4 組等式隨機組合可求解出4 個標(biāo)識卡坐標(biāo)，將4 個坐標(biāo)值進行卡爾曼濾波處理后可以得到更準(zhǔn)確標(biāo)識卡坐標(biāo)值。但現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，信號干擾以及非視距等原因都會導(dǎo)致每個基站距離測量誤差不同，上述公式就會出現(xiàn)無解的情況，需要通過最小二乘法、三角質(zhì)心法等算法應(yīng)對現(xiàn)實情況下存在的測量誤差，對標(biāo)識卡二維坐標(biāo)進行最優(yōu)估算。

4 測試試驗

設(shè)計了針對TOF 結(jié)合TDOA 二維定位專用讀卡器，在上位機中心站實現(xiàn)定位引擎坐標(biāo)解算功能，并通過WebGIS 圖實時顯示標(biāo)識卡定位坐標(biāo)。

針對測試場地現(xiàn)場實際情況采用了6 臺讀卡器、6 個防爆電源、1 個交換機、1 臺工控機以及3 張標(biāo)識卡進行測試，6 臺讀卡器布置出2 個20 m×20 m 的相鄰定位區(qū)域，中心站定位引擎將2 個定位區(qū)域坐標(biāo)進行融合。

測試過程中選取3 個點作為測試點，3 個點的坐標(biāo)分別為2 個區(qū)域的中間點以及區(qū)域的交界處，將3 張標(biāo)識卡分別放置于測試點進行測試，將測試數(shù)據(jù)進行記錄并分析?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Table 1 Field test data

由表1 可知，采用TOF 結(jié)合TDOA 進行二維定位總體坐標(biāo)偏差可控制在30 cm 范圍以內(nèi)，滿足人員定位標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但標(biāo)識卡處于定位區(qū)域邊緣時定位誤差較大，后續(xù)將針對定位區(qū)域邊緣等應(yīng)用環(huán)境進行測試以及改進。

5 結(jié) 語

從TOF 測距原理開始分析，進而整理出TOF 二維定位優(yōu)缺點，將TOF 結(jié)合TDOA 進行二維定位，只需通過1 次DS-TWR 測距就能夠測量出標(biāo)識卡與各個基站間距離，進而求解出二維坐標(biāo)，該定位方法具有定位快、定位精度高的特點。但該定位方法定位前需要進行入網(wǎng)，在跨區(qū)域定位時漫游較困難，后續(xù)將針對跨區(qū)域漫游入網(wǎng)方式進行研究，實現(xiàn)跨區(qū)域快速漫游。