【正文】 .............. 77.......................................................................................................... 77.......................................................................................................... 77致謝 ............................................................................................................................ 79參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 80攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果 ............................................................................ 83V

 第一章緒論第一章緒論我國礦產(chǎn)資源豐富，煤炭行業(yè)支撐著我國近 70%的能源供給。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)完成原理驗(yàn)證樣機(jī)，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)框圖及工作時(shí)序圖，并通過開展外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其高精度、高動(dòng)態(tài)的定位性能。本文詳細(xì)介紹了該方案的具體構(gòu)架，信號(hào)處理流程，參數(shù)選擇等。然而，當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)人員數(shù)目增多后，基于相位差的定位系統(tǒng)的定位輪詢時(shí)間將會(huì)增大到數(shù)十秒量級(jí)，定位的實(shí)時(shí)性顯著下降。以 AT86RF233芯片為核心，設(shè)計(jì)完成一套基于頻率多跳的相位差測(cè)距技術(shù)的井下人員高精度定位系統(tǒng)。本文針對(duì)礦井特點(diǎn)，對(duì)井下人員高精度定位技術(shù)展開研究。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日
 摘要摘要礦井人員高精度定位是井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)救援和人員管理具有重要的意義。作者簽名：日期：年月日論文使用授權(quán)本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 電子科技大學(xué)UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA碩士學(xué)位論文MASTER THESIS 論文題目 巷道內(nèi)人員高精度定位技術(shù)研究 學(xué)科專業(yè)信號(hào)與信息處理201121020409柯彬?qū)W號(hào)作者姓名指導(dǎo)教師陳祝明教授
 分類號(hào)密級(jí)注 1UDC學(xué)位論文巷道內(nèi)人員高精度定位技術(shù)研究（題名和副題名）柯 彬（作者姓名）指導(dǎo)教師陳祝明教授成都電子科技大學(xué)（姓名、職稱、單位名稱）申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別碩士學(xué)科專業(yè)信號(hào)與信息處理提交論文日期 2014年 3月論文答辯日期 2014年 5月學(xué)位授予單位和日期電子科技大學(xué)2014年 6月答辯委員會(huì)主席評(píng)閱人注 1：注明《國際十進(jìn)分類法 UDC》的類號(hào)。
 STUDY ON HIGH ACCURACY PERSONALPOSITIONING TECHNOLOGY IN MINE TUNNELA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor:Signal and Information Processing Ke Bin Author:Advisor: School : Prof. Chen Zhuming School of Electronic Engineering
 獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。但是由于井下巷道空間有限，環(huán)境復(fù)雜，電磁波傳播多徑衰落現(xiàn)象嚴(yán)重，基于 RFID、RSSI等常規(guī)定位系統(tǒng)無法達(dá)到高精度定位的要求，因此必須尋求新的定位體制。首先討論了無線定位的基本原理和機(jī)制，研究了礦井人員定位的特點(diǎn)。本文從物聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)層面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的高精度定位性能。為了解決此問題，本文對(duì)礦井高精度人員定位技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，從無線電定位基本原理出發(fā)，結(jié)合巷道特點(diǎn)，提出了基于線性調(diào)頻連續(xù)波的礦井人員高精度定位方案。通過對(duì)礦井巷道中電磁波傳播特性建模，仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。綜合本文研究結(jié)果表明，基于相位差和基于線性調(diào)頻連續(xù)波的礦井人員定位系統(tǒng)定位精度均能夠滿足礦井巷道內(nèi)人員高精度定位的要求。到 2002年年底，我國已經(jīng)探明的可直接利用的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)到1886億噸，人均145噸，按照人均年消費(fèi)水平估計(jì)，能夠開采上百年。2000年以來我國的礦難死亡數(shù)據(jù)如圖 11所示。2009年死亡人數(shù)降至 2631人，百萬噸死亡率 。煤礦行業(yè)，百萬噸死亡率世界平均水平為 。同發(fā)達(dá)國家相比，我國在保障煤礦生產(chǎn)安全方面還存在巨大的不足，在煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平、監(jiān)管方面急需提升。數(shù)字化礦山也成為了煤礦生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。礦難發(fā)生的第一時(shí)間，確定遇險(xiǎn)人員的位置，將會(huì)為救援人員節(jié)約出更多的寶貴時(shí)間來開展救援。2010年 8月 5日智利圣何塞銅礦發(fā)生塌方事故，33名礦工被困在 32攝氏度高溫、700米的深井1
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文下。從地面垂直打通一條長(zhǎng)達(dá) 622m的救生隧道到達(dá)被困區(qū)域，成功救出了全部被困人員。實(shí)現(xiàn)礦井下人員、物資的實(shí)時(shí)精確定位，不僅有利于資源的統(tǒng)一調(diào)度，減少不必要的消耗，更是在礦難發(fā)生時(shí)在第一時(shí)間實(shí)施援救的重要依據(jù)，從而最大限度地減小生命和財(cái)產(chǎn)的損失。目前各大礦井裝備的井下人員定位管理系統(tǒng)，其定位精度一般為十幾米至幾十米量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足礦難救援的需求，亟需更新?lián)Q代。就定位而已，目前已經(jīng)廣泛使用的系統(tǒng)有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)[1]以及 GPS全球定位系統(tǒng)[2]、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)等。但是，GPS定位系統(tǒng)在建筑物內(nèi)，地下等衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的區(qū)域，無法正常定位。由于礦井巷道位于地下深處，GPS信號(hào)以及地面移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)都無法到達(dá)，這就制約了這些技術(shù)在礦井下的應(yīng)用，礦井人員定位必須另辟蹊徑。從上世紀(jì) 80年代開始，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦井巷道中的電磁波傳播機(jī)理與特性做了大量研究。由此開啟了人們探索地下電磁波傳播這個(gè)課題。2008年，Mathieu Boutin, Ahmed Benzakour等人[5]研究了礦井中無2
 第一章緒論線電信號(hào)的傳播特性和統(tǒng)計(jì)模型，建立了完整的巷道沖擊響應(yīng)模型。我國學(xué)者在對(duì)國外理論進(jìn)行分析和研究后，在特定條件下進(jìn)行了許多針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，并且取得了重要成果。姚善化博士研究了礦井巷道中的電磁波傳播特性[19]和巷道內(nèi)抗多徑衰落技術(shù)，建立了礦井巷道的多徑信道預(yù)測(cè)模型，提出了抗多徑衰落技術(shù)方案。(1)基于 RFID技術(shù)定位[20,21]系統(tǒng)?；?RFID的定位系統(tǒng)本質(zhì)上講是一種考勤系統(tǒng)，屬于區(qū)域定位的一種，其通過在礦井、巷道口等關(guān)鍵位置安裝讀卡器對(duì)經(jīng)過人員井下考勤，實(shí)現(xiàn)其位置定位，其無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定位追蹤。ZigBee是一種低速率無線通信規(guī)范，其物理層和 MAC層協(xié)議由 ，其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層及額外開發(fā)的安全協(xié)議由 ZigBee聯(lián)盟規(guī)定?；?Zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)通常采用基于 RSSI的測(cè)距技術(shù)和區(qū)域定位技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行定位，由于礦井巷道中電磁波傳播的多徑衰落嚴(yán)重，其定位精度受到限制，欲獲得更高的定位精度需要密集的布置節(jié)點(diǎn)。WiFi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如 PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，具有高帶寬、高速率、高覆蓋度的特點(diǎn)，并且受非視距（ NLOS）的影響極小。芬蘭 Ekahau公司開發(fā)出了基于WiFi的室內(nèi)高精度實(shí)時(shí)定位引擎，并且提供持續(xù)不斷的升級(jí)服務(wù)。此外位于美國波士頓的 Skyhook公司開發(fā)出能夠使用 WiFi信號(hào)在城市道路及室內(nèi)、室外進(jìn)行精確定位的系統(tǒng)軟件。用戶通過對(duì)比數(shù)據(jù)庫信息即能獲得自身位置。3
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文Ekahau公司早在 2006年便推出了井下礦工 WiFi定位標(biāo)簽 Ekahau T201，并在西班牙、南美、非洲及歐洲等部分地區(qū)的煤礦中得到廣泛的使用。首先將無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn) AP置于欲定位區(qū)域，然后在各個(gè)空間位置點(diǎn)出使用定位標(biāo)簽發(fā)射定位信號(hào)，各無線 AP將所收到的信號(hào)強(qiáng)度值RSS(Received Signal Strength)作為該位置點(diǎn)的指紋信息，建立起龐大的位置指紋信息庫。此類系統(tǒng)適宜于靜態(tài)的環(huán)境下定位，一旦環(huán)境改變，就必須重新建立起指紋信息庫，否則定位精度將會(huì)大大降低。英國 Ubisense公司開發(fā)的基于超寬帶(UWB)技術(shù)的 TDOA和 TOA結(jié)合的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS)，能夠在傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)性應(yīng)用環(huán)境中達(dá)到較高的定位精度，并具有很好的穩(wěn)定性，最高定位精度達(dá)到 15cm。德國 Nanotron公司開發(fā)出了基于 Chirp寬帶的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) nanoRTL，其最高能夠提供 ，在復(fù)雜環(huán)境下仍能夠獲得 3m的定位精度。面對(duì)我國井下定位系統(tǒng)亟需更新?lián)Q代的現(xiàn)實(shí)，開展礦井人員高精度定位技術(shù)研究顯得更加具有緊迫性。首先從無線電定位的基本原理出發(fā)，分析了礦井巷道人員定位的特點(diǎn)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的定位性能。本文主要工作有：礦井巷道人員定位的技術(shù)特點(diǎn)研究分析礦井的特點(diǎn)，根據(jù)其獨(dú)特結(jié)構(gòu)與環(huán)境，提出礦井巷道人員定位的特點(diǎn)以及要求。提出一種高動(dòng)態(tài)的礦井人員高度定位技術(shù)方案為了解決基于相位差的定位系統(tǒng)存在隨著定位標(biāo)簽卡數(shù)目的增多，定位輪詢時(shí)間顯著提高的弊端，本文對(duì)礦井人員高精度定位系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，首先從線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距的基本原理出發(fā)，結(jié)合礦井巷道的特點(diǎn)，通過仿真研究了線性調(diào)頻連續(xù)波在礦井巷道環(huán)境下的測(cè)距性能。5
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章礦井人員定位技術(shù)基礎(chǔ)礦井人員定位是指通過無線技術(shù)手段獲取井下人員在井下巷道中具體位置的技術(shù)。礦井人員定位技術(shù)在定位精度、穩(wěn)健性、安全性、方向判斷、功耗及復(fù)雜度方面有著自身的特點(diǎn)，現(xiàn)列舉如下。巷道按空間位置和形狀，可分為垂直巷道、水平巷道和傾斜巷道。典型礦井巷道寬度 4m，高度 3m，如圖 21所示，橫截面呈拱形結(jié)構(gòu)。這也導(dǎo)致現(xiàn)在比較成熟的6
 第二章礦井人員定位技術(shù)基礎(chǔ)高精度定位技術(shù)無法直接移植到井下。礦井巷道延綿地下數(shù)十公里，定位精度根據(jù)需求的不同也不盡相同。而對(duì)于需要應(yīng)對(duì)礦難救援的礦井，定位精度則需要達(dá)到幾米量級(jí)。對(duì)于一些以考勤側(cè)重的礦井，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很低。對(duì)于人員定位系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)健性非常重要。安全性是礦井下任何系統(tǒng)必須首先具備的條件，所有的設(shè)備必須符合國家礦井本安認(rèn)證，這就要求系統(tǒng)在功耗、外觀設(shè)計(jì)方面具備更加的注意。礦井內(nèi)部受其環(huán)境限制，要求系統(tǒng)復(fù)雜度必須低，這樣更加易于布置和更換。方便大規(guī)模的布置使用。由二維平面幾何知識(shí)可知，要確定二維平面上的一點(diǎn)或一定區(qū)域，可通過兩條或兩條以上的直線或曲線相交得到，也可根據(jù)不同區(qū)域具有的不同形狀特征得到。7
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 22圓周定位原理如圖 22所示，圓周定位系統(tǒng)中，知道目標(biāo)距離基站的直線距離，則可得到一個(gè)圓，三個(gè)圓的交點(diǎn)即目標(biāo)位置。圖 23雙曲線定位8
 第二章礦井人員定位技術(shù)基礎(chǔ)雙曲線定位系統(tǒng)中，測(cè)量得到目標(biāo)距離兩個(gè)基站的距離差即可得到一條雙曲線，由兩條或兩條以上雙曲線即可確定其位置。一般情況下，交點(diǎn)不止一個(gè)，則可根據(jù)其他先驗(yàn)條件確定唯一的解。但設(shè)備比較復(fù)雜，天線龐大,不適合井下定位。設(shè)基站坐標(biāo)分別為（x1,y1）和（x2,y2），終端坐標(biāo)（x,y），則有表達(dá)式:tan(a) = yx xy1（26）（27）1tan(b) = yx xy22由上面方程組就可以得到終端的位置?；旌隙ㄎ皇抢靡陨蠋追N定位方法的組合來實(shí)現(xiàn)定位，例如圓周定位和方向角定位相結(jié)合，圓周定位和雙曲線定位相結(jié)合等。圖 26混合定位示意圖如圖 26所示，基站測(cè)得終端離基站距離為 R，與終端構(gòu)成的與水平方向的角度為q，則方向角定位和圓周定位的幾何原理可得到如下方程組tan(q) = yx xy1（28）（29）1(x x1)2+ (y y1) = R12 2求解以上方程組，則能夠得到終端的位置。通?？砂匆韵聨最惙椒ㄟM(jìn)行分類?；?T