CN103293513A - 一种基于rss和toa互补的煤矿井下人员定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统及定位方法，属于矿井监控与通信领域。利用定向天线确定人员方向、在RSS方法精确度高但TOA方法可能无法检测的区域采用RSS方法检测人员定位读卡器和识别卡的距离信息，其他区域采用精确度更高的TOA方法检测距离信息，利用固定处理时延、收发两端多次信号收发的方式，消除即使设备存在的计时误差，生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息，实现煤矿井下人员精确定位。本发明能够在减少定位设备、减小定位密度的情况下消除了RSS方法在巷道内被测距离较远时误差大和TOA方法在巷道内被测距离较近时存在漏读的问题，实现煤矿井下人员精确定位。

Description

一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统及定位方法，具体应用于矿井监控与通信领域。

背景技术

《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》(安监总煤装[2010]146号)要求建设完善煤矿井下人员定位系统。发挥井下人员定位系统在定员管理和应急救援工作中的作用。“应优先选择技术先进、性能稳定、定位精度高的产品，确保准确掌握井下人员动态分布情况和采掘工作面人员数量”。

基于信号到达强度测距的RSS(Received Signal Strength)和基于信号到达时间测距的TOA(Time of Arrival)技术作为基本的精确定位技术，分别利用RSS和TOA的测量值计算出信号的传播距离，应当作为煤矿井下人员定位技术的研究热点和发展方向。

然而煤矿井下环境空间狭小、距离短、有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、巷道表面粗糙等，传输损耗大，会引起电磁波信号的传输过程中的不固定、不可预知的损耗，在人员定位读卡器与人员定位识别卡距离较大时，会出现很大的测距误差。

另一方面，应用TOA技术进行人员定位，受计时器精度的影响，在人员定位识别卡与人员定位读卡器距离较近时，由于信号在该距离上的传播时间小于计时器的时间分辨率，会出现无法实现TOA检测的情况。

根据煤矿井下巷道的实际环境，需要针对巷道内RSS方法和TOA方法各自的特点，结合无线信号的传播特性、误差产生的原理，建立合适的系统和定位方法，实现煤矿井下人员精确定位。

发明内容

本发明提供了一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统及定位方法，采用定向天线、将RSS方法和TOA方法相结合，在RSS方法精确度高但TOA方法可能出现无法检测情况的检测区域采用RSS方法检测出人员定位读卡器和识别卡的距离信息，其他区域采用精确度高的TOA方法检测出人员定位读卡器和识别卡的距离信息、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息，实现煤矿井下人员精确定位。

以下对本发明加以论述。

一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：

监控模块，用于定位信息的接收、显示、管理、调度，包括监控主机、上位机软件；

传输模块，用于各模块之间信息的传输、处理，包括本质安全型交换机、本质安全型矿用以太网、本质安全型总线；

定位模块，用于煤矿井下人员定位，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法检测、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息。

一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，其特征在于，所述定位模块进一步包括本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法进行煤矿井下人员定位；

所述本质安全型人员定位读卡器，设置于煤矿井下巷道中，作为人员定位检测的锚节点，检测人员及本质安全型人员定位识别卡所在位置、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；进一步包括电源、信号收发器、定向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；所述定向天线，对巷道远端即远离井口方向进行信号覆盖；

所述本质安全型人员定位识别卡由煤矿井下工作人员携带，作为人员定位检测的目标节点，存储有所属人员的身份信息；进一步包括电源、信号收发器、全向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；

所述本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡的信号收发器，均具有信号发射、接收功率识别和记录功能，所述计时器具有计时和时间记录功能，与所述信号收发器进行信号收发时刻、时间的计量和记录。

一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，其特征在于，所述定位模块采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法进行煤矿井下人员定位，进一步包括以下步骤：

步骤一：所述本质安全型识别卡按照一定的时间间隔T发送送检信号，T单位为秒-s，送检信号中含有卡内存储的煤矿井下工作人员身份信息和信号发射功率值W₁，单位为毫瓦--mw；

步骤二：所述本质安全型人员定位读卡器接收到送检信号，检测送检信号到达功率W₂，单位为毫瓦-mw；

步骤三：所述本质安全型人员定位读卡器按照公式

进行计算，其中r为基于RSS的所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离的测量值，单位为米-m，lg表示以10为底的对数，f为送检信号的频率，单位为兆赫兹-MHz，G_i、G_r分别为所述本质安全型人员定位识别卡全向天线、所述本质安全型人员定位读卡器定向天线的增益，单位为dBi；若r＜5m，则判定所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离为r；若r≥5m，进行进一步的TOA检测；

步骤四：r≥5m时，进行抑制TOA误差的TOA检测：建立所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器之间的连接；所述本质安全型读卡器发出TOA检测信号，同时计时器开始计时，开始记录时间值t₁，单位为秒-s；本质安全型人员定位识别卡接收到TOA检测信号，建立与所述本质安全型人员定位读卡器的连接，开始计时，生成应答信号S₁，待计时达到设定时延Δt后将应答信号S₁发出，结束计时，并开始记录另一个时间值t₂，单位为秒-s；Δt为一个设定值，单位为秒-s；所述本质安全型人员定位读卡器收到应答信号S₁，结束时间值t₁计时，记录时间值并重新计时，待计时达到与所述本质安全型人员定位识别卡相同的设定时延Δt，发出回复应答信号S′₁；所述本质安全型人员定位识别卡接收到回复应答信号S′₁，结束时间值t₂的计时，记录时时间值t₂；所述本质安全型人员定位识别卡将时间值t₂发送至所述本质安全型人员定位读卡器并断开与所述本质安全型人员定位读卡器的连接；所述本质安全型人员定位读卡器接收到时间值t₂后，根据收到的数据，按照公式进行计算，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA，单位为米-m；

步骤五：所述本质安全型人员定位读卡器根据所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r或r_TOA，定向天线覆盖信号方向，生成包含有煤矿井下工作人员身份信息的定位信息并输出。

一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，应用于基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，所述基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统包括：

监控模块，用于定位信息的接收、显示、管理、调度，包括监控主机、上位机软件；

传输模块，用于各模块之间信息的传输、处理，包括本质安全型交换机、本质安全型矿用以太网、本质安全型总线；

定位模块，用于煤矿井下人员定位，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法检测、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；

所述定位模块进一步包括本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法进行煤矿井下人员定位；

所述本质安全型人员定位读卡器，设置于煤矿井下巷道中，作为人员定位检测的锚节点，检测人员及本质安全型人员定位识别卡所在位置、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；进一步包括电源、信号收发器、定向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；所述定向天线，对巷道远端即远离井口方向进行信号覆盖；

所述本质安全型人员定位识别卡由煤矿井下工作人员携带，作为人员定位检测的目标节点，存储有所属人员的身份信息；进一步包括电源、信号收发器、全向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；

所述定位模块中，所述本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡的信号收发器，均具有信号发射、接收功率识别和记录功能，所述计时器具有计时和时间记录功能，与所述信号收发器进行信号收发时刻、时间的计量和记录；

该定位系统，按照以下步骤进行基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位：

步骤A.所述本质安全型识别卡按照一定的时间间隔T发送送检信号，T单位为秒-s，送检信号中含有卡内存储的煤矿井下工作人员身份信息和信号发射功率值W₁，单位为毫瓦-mw；

步骤B.所述本质安全型人员定位读卡器接收到送检信号，检测送检信号到达功率W₂，单位为毫瓦-mw；

步骤C.所述本质安全型人员定位读卡器按照公式进行计算，其中r为基于RSS的所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离的测量值，单位为米-m，1g表示以10为底的对数，f为送检信号的频率，单位为兆赫兹-MHz，G_i、G_r分别为所述本质安全型人员定位识别卡全向天线、所述本质安全型人员定位读卡器定向天线的增益，单位为dBi；若r＜5m，则判定所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离为r；若r≥5m，进行进一步的TOA检测；

步骤D.r≥5m时，进行抑制TOA误差的TOA检测，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA，单位为米-m；

步骤E.所述本质安全型人员定位读卡器根据所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r或r_TOA，定向天线覆盖信号方向，生成包含有煤矿井下工作人员身份信息的定位信息并输出；

步骤F.所述传输模块将所述定位经本模块传输至监控模块，监控模块接收到定位信息并进行处理、管理，本次定位结束。

一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，所述的抑制TOA误差的TOA检测，进一步包括以下步骤：

步骤D1.建立所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器之间的连接；所述本质安全型读卡器发出TOA检测信号，同时计时器开始计时，开始记录时间值t₁，单位为秒-s；

步骤D2.本质安全型人员定位识别卡接收到TOA检测信号，建立与所述本质安全型人员定位读卡器的连接，开始计时，生成应答信号S₁，待计时达到设定时延Δt后将应答信号S₁发出，结束计时，并开始记录另一个时间值t₂，单位为秒-s；Δt为一个设定值，单位为秒-s；

步骤D3.所述本质安全型人员定位读卡器收到应答信号S₁，结束时间值t₁计时，记录时间值并重新计时，待计时达到设定时延Δt，发出回复应答信号S′₁；

步骤D4.所述本质安全型人员定位识别卡接收到回复应答信号S′₁，结束时间值t₂的计时，记录时时间值t₂；

步骤D5.所述本质安全型人员定位识别卡将时间值t₂发送至所述本质安全型人员定位读卡器并断开与所述本质安全型人员定位读卡器的连接；

步骤D6.所述本质安全型人员定位读卡器接收到时间值t₂后，根据收到的数据，按照公式

进行计算，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA。

本发明的优点在于：

(1)本发明根据RSS和TOA方法的特点，在人员定位读卡器与人员定位识别卡距离较大时，RSS检测会出现很大的测距误差，另一方面，在人员定位识别卡与人员定位读卡器距离较近时，会出现无法实现TOA检测的情况，提出一种基于RSS与TOA相结合的煤矿井下人员定位系统及定位方法，利用定向天线确定人员方向、在RSS方法精确度高但TOA方法可能出现无法检测情况的检测区域采用RSS方法检测出人员定位读卡器和识别卡的距离信息，其他区域采用精确度高的TOA方法检测出人员定位读卡器和识别卡的距离信息、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息，实现煤矿井下人员精确定位，降低了定位系统的漏读率；

(2)本发明提出一种TOA计时抑制误差方法，利用设定处理时延、收发两端多次信号收发的方式，消除即使设备存在的计时误差，有效提高TOA检测的准确度。

(3)本发明提出了一种采用定向天线、将RSS方法和TOA方法相结合的煤矿井下人员定位系统及定位方法，不需要以增加设备、加大设备密度为前提，实现煤矿井下人员精确定位。

附图说明

图1为基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统示意图；

图2为本质安全型人员定位读卡器设备结构图；

图3为本质安全型人员定位识别卡设备结构图；

图4为基于RSS和TOA互补的人员定位方法流程图；

图5为煤矿井下RSS方法与TOA方法误差分析图；

图6为抑制TOA误差的TOA检测示意图；

图中，1、监控设备；2、传输网络及设备；3、本质安全型人员定位读卡器；4、煤矿井下工作人员及本质安全型人员定位识别卡；5、定向天线；6、计时器；7、运算处理器；8、存储器；9、电源；10、信号收发器；11、本安防爆外壳；12、全向天线。

具体实施方式

下列实施实例将进一步说明本发明，实施实例不应被视为限制本发明的范围。下面结合附图对本发明的工作方式做详细说明。

如图1所示，本发明的基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统示意图，包括1、监控设备；2、传输网络及设备；3、本质安全型人员定位读卡器；4、煤矿井下工作人员及本质安全型人员定位识别卡；5、定向天线。

监控设备1，即监控模块设备，包括监控主机、监控软件，用于定位信息的接收、显示、管理、调度；

传输网络及设备2，即传输模块设备，用于各模块之间信息的传输、处理，包括本质安全型交换机、本质安全型矿用以太网、本质安全型总线；

本质安全型人员定位读卡器3、煤矿井下工作人员及本质安全型人员定位识别卡4、定向天线5属于定位模块，用于煤矿井下人员定位，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法检测、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；

本质安全型人员定位读卡器3，其结构如图2所示，包括定向天线5、计时器6、运算处理器7、存储器8、电源9、信号收发器10、本安防爆外壳11。

定向天线5，其信号覆盖方向统一设置为天线设置点指向巷道远端的方向，如图1所示的天线指向，其增益记为G，单位为dBi，本实施实例中采取2.4GHz频段、增益为4.15dBi的定向天线进行测试和说明，需要注明的是，实施实例将进一步说明本发明，实施实例不应被视为限制本发明的范围。

计时器6，具有计时和时间记录功能，与所述信号收发器协同工作进行信号收发时刻、时间的计量和记录；本实施实例采用泰克公司FCA3000计时器进行分析，该计时器可以提供两个300MHz的标准输入通道，提供

的时间分辨率，即TOA检测中提供

的测距精度，c为光速，c＝3×10⁸m/s。运算处理器7，主频不低于300MHz，用于对RSS和TOA数据的处理、运算及定位信息的生成，依照的RSS公式为 $r=10\frac{10\lg \left(W_1\right)-10\lg \left(W_2\right)-32.45+G_i+G_r-20\lg \left(f\right)+3}{20},$ TOA公式为 $r_{\mathrm{TOA}}=c\×\frac{t_1+t_2-2\mathrm{\Δt}}{4}.$ 存储器，用于对RSS、TOA数据和定位信息的存储。电源9，用于本质安全型读卡器的供电。信号收发器10，具有信号发射、接收功率识别和记录功能，基于WiFi、RFID、ZigBee等技术均可实现上述功能，本实施例采用BCM8000WiFi模块作为信号收发器，所述计时器6与所述信号收发器10协同工作进行信号收发时刻、时间的计量和记录。本安防爆外壳11，是本质安全型读卡器的防爆装置。

本质安全型人员定位识别卡4，其结构如图3所示。计时器6，具有计时和时间记录功能，与所述信号收发器协同工作进行信号收发时刻、时间的计量和记录；本实施实例采用泰克公司FCA3000计时器进行分析，该计时器可以提供两个300MHz的标准输入通道，提供

的时间分辨率，即TOA检测中提供 $\frac{1}{3}\×{10}^{-8}s\×c=\frac{1}{3}\×{10}^{-8}s\×3\×{10}^{8}m/s=1m$ 的测距精度，c为光速，c＝3×10⁸m/s。运算处理器7，主频不低于300MHz，用于对检测中相关数据的运算处理。存储器，用于对RSS、TOA数据和定位信息的存储。电源9，用于本质安全型读卡器的供电。信号收发器10，具有信号发射、接收功率识别和记录功能，基于WiFi、RFID、ZigBee等技术均可实现上述功能，本实施例采用BCM8000WiFi模块作为信号收发器，所述计时器6与所述信号收发器10协同工作进行信号收发时刻、时间的计量和记录。本安防爆外壳11，是本质安全型读卡器的防爆装置。全向天线12，实现信号在该巷道内的覆盖，本实施例采用增益为4.15dBi的全向天线进行测试和说明。

图4为本发明的基于RSS和TOA互补的人员定位方法流程图。具体包括以下步骤：

步骤A.所述本质安全型识别卡按照一定的时间间隔T发送送检信号，T单位为秒-s，发出送检信号的附加存储的煤矿井下工作人员的身份信息和信号发射功率值W₁，单位为dBm；

步骤B.所述本质安全型人员定位读卡器接收到送检信号，检测送检信号到达功率W₂，单位为dBm；

步骤C.所述本质安全型人员定位读卡器按照公式

进行计算，其中r为基于RSS的所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离的测量值，单位为米-m，lg表示以10为底的对数，f为送检信号的频率，若r＜5m，则判定所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离为r；若r≥5m，进行进一步的TOA检测；

步骤D.r≥5m时，进行抑制TOA误差的TOA检测，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA，单位为米-m；

步骤E.所述本质安全型人员定位读卡器根据所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r或r_TOA，定向天线覆盖信号方向，生成包含有煤矿井下工作人员身份信息的定位信息并输出；

步骤F.所述传输模块将所述定位经本模块传输至监控模块，监控模块接收到定位信息并进行处理、管理，本次定位结束。

图5为煤矿井下RSS方法与TOA方法误差分析图；

TOA方法的精度由检测的时间分辨率决定，本实施例的FCA3000提供

的时间分辨率，TOA检测中提供 $\frac{1}{3}\×{10}^{-8}s\×c=\frac{1}{3}\×{10}^{-8}s\×3\×{10}^{8}m/s=1m$ 的测距精度，因此当所述本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡之间距离不足1m时，系统无法检测出人员及识别卡所在的位置，即发生漏检，图5a为漏读率随TOA检测精度和信号覆盖距离变化的情况，图5b直接描述了本实施例中漏读率随信号覆盖距离变化的情况，当本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡的信号覆盖性能很好、覆盖距离达到目前技术水平下较为理想的400m时，漏读率才低至0.0025，而根据中华人民共和国安全生产行业标准AQ6210-2007煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件规定，“漏读率不得大于10^-4s”，仅此一项就不能满足标准要求；需要在本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡距离较近时对定位方法和系统加以改进。

另一方面，如图5c所示，利用RSS方法进行巷道内测距的RSS衰减曲线，在本质安全型人员定位读卡器与本质安全型人员定位识别卡距离较近范围内，信号的接收功率衰减较大，随着距离增加，其衰减趋于平缓，区分度不高，即使测得RSS值准确也无法实现距离的测算，而煤矿井下环境中损耗因素多，在距离增大时对于RSS值测量准确度的影响也会逐渐增大，是测量值产生很大的偏差，使测距的准确度更低；图5d所示，本发明进行RSS测距、按照公式

计算，在本质安全型人员定位读卡器与本质安全型人员定位识别卡距离在5m内的衰减曲线和测试结果对比，图中标定的点为测试结果，由图中可以看出，信号覆盖5m范围内RSS值衰减明显，区分度较高，且测试数据标定点与理论曲线之间的误差很小。

对计算公式

的说明，由于本质安全型人员定位读卡器与本质安全型人员定位识别卡距离较近，信号的辐射属于直射，因此参照电磁波自由空间传播损耗的计算公式 $L=32.45+20\mathrm{lgf}+20\lg \frac{r}{1000}-G_i-G_r,$ L为电磁波传播的自由空间路径损耗，单位为dB，L＝10lg(W₁)-10lg(W₂)；32.45为中值，在公式计算中是一个常量，f为电磁波频率，单位为MHz，本实施例采用2400MHz频段的WiFi信号；r为所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离，单位为m；G_i、G_r分别为接收天线和发射天线的增益，单位为dBi，本实施例采用增益均为4.15dBi、收发频率均为2400MHz的WiFi信号频段；由于L＝10lg(W₁)-10lg(W₂)，代入并作变换，可推导出基于RSS方法的本质安全型人员定位读卡器与本质安全型人员定位识别卡距离计算公式 $r=10\frac{10\lg \left(W_1\right)-10\lg \left(W_2\right)-32.45+G_i+G_r-20\lg \left(f\right)+3}{20};$

因此，本发明在本质安全型人员定位读卡器与本质安全型人员定位识别卡距离在5m范围内进行RSS测距的准确度较高，且能够弥补TOA方法在本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡之间距离不足1m时出现漏检的不足，完全消除所述的漏检情况。

图6为抑制TOA误差的TOA检测示意图，抑制TOA误差的TOA检测具体步骤如下，所述的计时器6与信号收发器10协同工作进行信号收发时刻、时间的计量和记录，也体现在本步骤中：

步骤D1.建立所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器之间的连接；所述本质安全型读卡器由运算处理器生成一个检测信号并由信号收发器发出，同时其计时器开始计时，开始记录时间值t₁；

步骤D2.本质安全型人员定位识别卡的信号收发器接收到TOA检测信号，建立与所述本质安全型人员定位读卡器的连接，其计算器开始计时、同时其运算处理器生成应答信号S₁，待计时达到设定时延Δt后由信号收发器将应答信号S₁发出，计时器结束计时，并开始记录另一个时间值t₂；Δt为一个设定值，单位为秒-s；由于本实施例采用BCM8000WiFi模块作为信号收发器，根据实测数据，BCM8000WiFi模块的在发生拥塞时信号处理时延一般在0.004s以内，本实施例中可将Δt设置为0.005s；

步骤D3.所述本质安全型人员定位读卡器的信号收发器收到应答信号S₁，其计时器结束时间值t₁计时，记录时间值并再次开始计时，同时其运算处理器生成回复应答信号S′₁，待计时达到与所述本质安全型人员定位识别卡相同的设定时延Δt，发出回复应答信号S′₁；

步骤D4.所述本质安全型人员定位识别卡的信号收发器接收到回复应答信号S′₁，其计时器结束时间值t₂的计时，记录时间值t₂；

步骤D5.所述本质安全型人员定位识别卡的运算处理器将时间值t₂生成一个数据信号由信号收发器发送至所述本质安全型人员定位读卡器并断开与所述本质安全型人员定位读卡器的连接；

步骤D6.所述本质安全型人员定位读卡器的信号收发器接收到时间值t₂后，断开与所述本质安全型人员定位识别卡的连接，其运算处理器根据收到的数据以及计时器记录的时间数据，按照公式

进行计算，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA。

对公式 $r_{\mathrm{TOA}}=c\×\frac{t_1+t_2-2\mathrm{\Δt}}{4}$ 进行说明：

由于TOA方法对于同步要求非常高，而煤矿井下无法采用GPS的同步方法，普通的同步方式又难以满足需求，需要改进TOA的测量方法以消除同步误差的影响，采用检测信号往复传播时间的方法可以避免同步误差的影响；另一方面，计时器的晶体振荡器可能存在频率偏移，所谓频率偏移，是指计时器的晶体振荡器精确时钟频率f，计时器晶体振荡器频率偏移Δf，其单位均为Hz-赫兹，频率偏移为在一段时间t内计时误差为e×t；

在图6所示抑制TOA误差的TOA检测示意图中，e_读卡器和e_识别卡分别表示本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡的频率偏移：

本实施例设定Δt＝0.005s，而巷道长度中定向天线的信号覆盖距离一般不超过500m因此在巷道中 $\frac{2\&times;r_{\mathrm{TOA}}}{c}\&le;3.3\&times;{10}^{-6}s<<\mathrm{\&Delta;t}=0.005s;$

因此，在这一过程中，针对e_读卡器×t₁可以进行近似计算：

e_读卡器×t₁≈e_读卡器×Δt；

因此：

另一方面，在本质安全型人员定位识别卡和本质安全型人员定位读卡器进行Δt的等待时延计时中，由于计时器频率误差的存在，两次等待时延的计时分别应为：(1+e_读卡器)×Δt和(1+e_识别卡)×Δt；

因此：

即：

$r_{\mathrm{TOA}}=c\&times;\frac{t_1+t_2-2\mathrm{\&Delta;t}}{4}$

本发明根据RSS和TOA方法的特点，在人员定位读卡器与人员定位识别卡距离较大时，RSS检测会出现很大的测距误差，另一方面，在人员定位识别卡与人员定位读卡器距离较近时，会出现无法实现TOA检测的情况，提出一种基于RSS与TOA相结合的煤矿井下人员定位系统及定位方法，利用定向天线确定人员方向、在RSS方法精确度高但TOA方法可能出现无法检测情况的检测区域采用RSS方法检测出人员定位读卡器和识别卡的距离信息，其他区域采用精确度高的TOA方法检测出人员定位读卡器和识别卡的距离信息、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息，实现煤矿井下人员精确定位，降低了定位系统的漏读率；提出一种TOA计时抑制误差方法，利用设定处理时延、收发两端多次信号收发的方式，消除即使设备存在的计时误差，有效提高TOA检测的准确度；提出了一种采用定向天线、将RSS方法和TOA方法相结合的煤矿井下人员定位系统及定位方法，不需要以增加设备、加大设备密度为前提，实现煤矿井下人员精确定位。

需要指出的是，以上所述实施实例用于进一步说明本发明，实施实例不应被视为限制本发明的范围。

Claims (5)

1.一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，其特征在于，包括以下模块：

监控模块，用于定位信息的接收、显示、管理、调度，包括监控主机、上位机软件；

传输模块，用于各模块之间信息的传输、处理，包括本质安全型交换机、本质安全型矿用以太网、本质安全型总线；

定位模块，用于煤矿井下人员定位，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法检测、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，其特征在于，所述定位模块进一步包括本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法进行煤矿井下人员定位；

所述本质安全型人员定位读卡器，设置于煤矿井下巷道中，作为人员定位检测的锚节点，检测人员及本质安全型人员定位识别卡所在位置、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；进一步包括电源、信号收发器、定向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；所述定向天线，对巷道远端即远离井口方向进行信号覆盖；

所述本质安全型人员定位识别卡由煤矿井下工作人员携带，作为人员定位检测的目标节点，存储有所属人员的身份信息；进一步包括电源、信号收发器、全向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；

所述本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡的信号收发器，均具有信号发射、接收功率识别和记录功能，所述计时器具有计时和时间记录功能，进行信号收发时刻、时间的计量和记录。

3.根据权利要求2所述的一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，其特征在于，所述定位模块采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法进行煤矿井下人员定位，进一步包括以下步骤：

步骤一：所述本质安全型识别卡按照一定的时间间隔T发送送检信号，T单位为秒-s，送检信号中含有卡内存储的煤矿井下工作人员身份信息和信号发射功率值W₁，单位为毫瓦-mw；

步骤二：所述本质安全型人员定位读卡器接收到送检信号，检测送检信号到达功率W₂，单位为毫瓦-mw：

步骤三：所述本质安全型人员定位读卡器按照公式

进行计算，其中r为基于RSS的所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离的测量值，单位为米-m，lg表示以10为底的对数，f为送检信号的频率，单位为兆赫兹-MHz，G_i、G_r分别为所述本质安全型人员定位识别卡全向天线、所述本质安全型人员定位读卡器定向天线的增益，单位为dBi；若r＜5m，则判定所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离为r；若r≥5m，进行进一步的TOA检测；

步骤四：r≥5m时，进行抑制TOA误差的TOA检测：建立所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器之间的连接；所述本质安全型读卡器发出TOA检测信号，同时计时器开始计时，开始记录时间值t₁，单位为秒-s；本质安全型人员定位识别卡接收到TOA检测信号，建立与所述本质安全型人员定位读卡器的连接，开始计时，生成应答信号S₁，待计时达到设定时延Δt后将应答信号S₁发出，结束计时，并开始记录另一个时间值t₂，单位为秒-s；Δt为一个设定值，单位为秒-s；所述本质安全型人员定位读卡器收到应答信号S₁，结束时间值t₁计时，记录时间值并再次开始计时，待计时达到与所述本质安全型人员定位识别卡相同的设定时延Δt，发出回复应答信号S′₁；所述本质安全型人员定位识别卡接收到回复应答信号S′₁，结束时间值t₂的计时，记录时间值t₂；所述本质安全型人员定位识别卡将时间值t₂发送至所述本质安全型人员定位读卡器并断开与所述本质安全型人员定位读卡器的连接；所述本质安全型人员定位读卡器接收到时间值t₂后，根据收到的数据，按照公式

进行计算，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA，单位为米-m；

步骤五：所述本质安全型人员定位读卡器根据所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r或r_TOA，定向天线覆盖信号方向，生成包含有煤矿井下工作人员身份信息的定位信息并输出。

4.一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，应用于基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统，所述基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位系统包括：

监控模块，用于定位信息的接收、显示、管理、调度，包括监控主机、上位机软件；

传输模块，用于各模块之间信息的传输、处理，包括本质安全型交换机、本质安全型矿用以太网、本质安全型总线；

定位模块，用于煤矿井下人员定位，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法检测、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；

所述定位模块进一步包括本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡，采用定向天线、利用RSS方法和TOA方法进行煤矿井下人员定位；

所述本质安全型人员定位读卡器，设置于煤矿井下巷道中，作为人员定位检测的锚节点，检测人员及本质安全型人员定位识别卡所在位置、生成并输出包括煤矿井下工作人员身份信息在内的定位信息；进一步包括电源、信号收发器、定向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；所述定向天线，对巷道远端即远离井口方向进行信号覆盖；

所述本质安全型人员定位识别卡由煤矿井下工作人员携带，作为人员定位检测的目标节点，存储有所属人员的身份信息；进一步包括电源、信号收发器、全向天线、计时器、运算处理器、存储器、本质安全型防爆装置；

所述定位模块中，所述本质安全型人员定位读卡器和本质安全型人员定位识别卡的信号收发器，均具有信号发射、接收功率识别和记录功能，所述计时器具有计时和时间记录功能，进行信号收发时刻、时间的计量和记录；

该定位系统，按照以下步骤进行基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位：

步骤A.所述本质安全型识别卡按照一定的时间间隔T发送送检信号，T单位为秒-s，送检信号中含有卡内存储的煤矿井下工作人员身份信息和信号发射功率值W₁，单位为毫瓦-mw

步骤B.所述本质安全型人员定位读卡器接收到送检信号，检测送检信号到达功率W₂，单位为毫瓦-mw；

步骤C.所述本质安全型人员定位读卡器按照公式

进行计算，其中r为基于RSS的所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离的测量值，单位为米-m，lg表示以10为底的对数，f为送检信号的频率，单位为兆赫兹-MHz，G_i、G_r分别为所述本质安全型人员定位识别卡全向天线、所述本质安全型人员定位读卡器定向天线的增益，单位为dBi；若r＜5m，则判定所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器距离为r；若r≥5m，进行进一步的TOA检测；

步骤D.r≥5m时，进行抑制TOA误差的TOA检测，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA，单位为米-m；

步骤E.所述本质安全型人员定位读卡器根据所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r或r_TOA，定向天线覆盖信号方向，生成包含有煤矿井下工作人员身份信息的定位信息并输出；

步骤F.所述传输模块将所述定位经本模块传输至监控模块，监控模块接收到定位信息并进行处理、管理，本次定位结束。

5.根据权利要求4所述的一种基于RSS和TOA互补的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，所述的抑制TOA误差的TOA检测，进一步包括以下步骤：

步骤D1.建立所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器之间的连接；所述本质安全型读卡器发出TOA检测信号，同时计时器开始计时，开始记录时间值t₁，单位为秒-s；

步骤D2.本质安全型人员定位识别卡接收到TOA检测信号，建立与所述本质安全型人员定位读卡器的连接，开始计时，生成应答信号S₁，待计时达到设定时延Δt后将应答信号S₁发出，结束计时，并开始记录另一个时间值t₂，单位为秒-s；Δt为一个设定值，单位为秒-s；

步骤D3.所述本质安全型人员定位读卡器收到应答信号S₁，结束时间值t₁计时，记录时间值并再次开始计时，待计时达到设定时延Δt，发出回复应答信号S′₁；

步骤D4.所述本质安全型人员定位识别卡接收到回复应答信号S′₁，结束时间值t₂的计时，记录时间值t₂；

步骤D5.所述本质安全型人员定位识别卡将时间值t₂发送至所述本质安全型人员定位读卡器并断开与所述本质安全型人员定位读卡器的连接；

步骤D6.所述本质安全型人员定位读卡器接收到时间值t₂后，根据收到的数据，按照公式

进行计算，得到所述本质安全型人员定位识别卡与所述本质安全型人员定位读卡器的距离r_TOA。

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