巷道高精度人员定位系统及其数据处理技术的研究

摘要

矿产资源开发是我国能源的主要来源之一，矿产行业已成为我国经济的重要支柱之一。然而，由于矿井下环境复杂，经常发生重大矿井安全事故，不仅阻碍了经济发展，更导致了许多人员伤亡，2011年国家安全监管总局和国家煤矿安监局联合下发了文件要求煤矿企业必须建设完善的井下人员定位系统，并应优先选择技术先进、性能稳定、定位精度高的产品，所以就需要精度高、动态特性好、系统稳定的巷道高精度人员定位系统。
　　本文将巷道高精度人员定位系统抽象到工业物联网的架构，根据应用场景对系统的要求，提出将通用物联网感知层、传输层和应用层的三层架构升级为设备层、网络层、数据服务层和应用层的四层架构，本文的核心内容将针对定位系统最为关键的设备层和数据服务层进行论述和设计。
　　为了分析透彻应用环境的具体需求，本文首先根据巷道环境进行了巷道电磁波传播特性的分析，得出了巷道环境对电磁波频率、天线极化方式等参数的具体要求，然后根据国家政策法规和安全标准对巷道应用环境的安全要求，得出了巷道环境对定位系统动态特性、功耗、并发识别数量和定位区间范围的要求。
　　对于设备层，本文将其定义为巷道高精度定位系统的核心——高精度测距技术，首先总结了基于空间信息和基于时间信息的两种基本测距思想，然后以定位系统的需求为选择依据，选择了基于相位参数的时间信息间接测距法，给出了一种可以减小频率同步和时间同步的影响、解决相位同步问题的高精度相位差测距方法，并在巷道进行了测试验证。
　　对于数据服务层，其主要完成测距信息和巷道地理信息的匹配任务，通过一维地图匹配方法得到可以供给应用层使用的巷道定位数据。另外，总结了巷道高精度定位系统在实际中遇到的人体遮挡、伪距解算方向判反等五种常见问题，并提出了基于卡尔曼滤波和卡尔曼预测的数据处理技术以解决或者缓解这类异常问题对定位效果的影响。
　　本文还给出了巷道高精度定位系统的设计方案，论述了定位系统软件的基本架构并给出了数据处理软件的基本流程图。最后，在中煤科工集团重庆研究院有限公司清水溪实验基地模拟巷道进行了巷道高精度定位系统的性能测试，通过实验验证了系统的精度能达到±2m，数据异常率小于2‰，定位基站覆盖距离大于±300m，单定位基站并发识别数量大于80人，巡检周期小于5s。

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第一章 绪 论

1.1巷道高精度人员定位系统的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作

第二章 巷道高精度定位的需求

2.1巷道电磁波传播特性分析

2.2其他因素对定位系统的约束或要求

2.3巷道高精度定位系统的需求分析

2.4本章小结

第三章 巷道高精度测距方法研究

3.1测距的基本思想和原理

3.2测距方法的比较和选择

3.3基于相位参数的测距方案

3.4相位差测距方案的实现和实验验证

3.5本章小结

第四章 巷道高精度定位技术研究

4.1测距信息转换为巷道定位信息的方案

4.2巷道定位面临的实际问题

4.3巷道定位面临实际问题的解决手段——数据处理技术

4.4本章小结

第五章 巷道高精度定位系统设计及测试验证

5.1巷道高精度定位系统设计

5.2巷道高精度定位系统测试验证

5.3本章小节

第六章 总结和展望

6.1全文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献