基于电磁波测距的井下人员定位方法研究

摘要

本文针对井下人员定位系统，深入研究了基于电磁波测距的精确定位方法，并提出了一套基于PTR8000的井下人员定位系统方案。该系统以射频信号作为位置信息的载体，并通过有线传输的方式上传至井上主机，通过井上主控PC的定位算法来达到井下人员粗定位的目的。 此外，本文对井下电磁波的信道特性及电磁波精确定位方法做了进一步的研究，在此基础上对电磁波测距的三种方法(TOA、AOA、RSS)在井下应用的可行性分别进行了详细论证，指出了他们各自的优缺点，得出将TOA方法用于井下测距是可行的结论，并最终选用该方法来实现井下人员的精确定位。 TOA测量方法可以在时域或频域中进行，对时域测量来说直接测量法对时基电路要求很高，难以满足精确定位的要求，所以提出了频域方法。信道的频域特性可以用一个多频率分量的时域信号来建模，从而将时延估计转化为频率估计，故本文将时域的谱估计理论用于时延估计。基于SVD的“子空间方法”是正弦频率估计最有效的方法之一，理论上具有无限的分辨率，本文借鉴了该方法的思想，并在此基础上提出了TOA超分辨率MUSIC算法。在高SNR条件下，MUSIC算法可以得到准确的位置信息。 文中就超分辨率MUSIC算法在低SNR时“定阶”难以实现的问题，提出了基于互谱估计的MUSIC算法，利用了白噪声序列的互相关为0的特性有效抑制了噪声对子空间划分的影响。在此基础上本文进行了大量的仿真实验，并与IFT、DSSS/XCORR两种方法作了比较，实验结果表明该算法是一种高分辨率、高稳定性、高抗噪性能的算法，在40MHz带宽条件下该算法的测距平均偏差为10.5cm，完全能满足井下定位的要求。配合近年来兴起的OFDM技术，该定位算法可以得到很好的实现。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的提出

1.2国内外发展现状

1.3课题总体方案确定

1.4本文的主要工作及创新点

2井下人员粗定位实现方案

2.1井下通信频段的选择

2.2人员粗定位实现方案

2.3移动身份编码器及固定信息采集站的硬件设计

2.4人员粗定位实现过程

2.5 小结

3电磁波井下传播特性分析及定位方法的确定

3.1电磁波定位方法简介

3.2对井下场强分布规律的研究及RSS方法的可行性讨论

3.3 TOA方法的可行性分析

3.4 小结

4利用超分辨率TOA算法实现定位

4.1超分辨率TOA算法的提出

4.2超分辨率谱估计算法

4.3超分辨率谱估计思想在TOA中的应用—超分辨率TOA算法

4.4小结

5实验方案及仿真结果

5.1信道频域特性的测量与仿真

5.2几种方法的比较

5.3算法的噪声抑制性能检验

5.4带宽对算法的影响

5.5小结

6总结及进一步的工作

6.1总结

6.2进一步的工作

致谢

参考文献