完善煤礦定位技術(shù)的無線通信論文

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1.井下現(xiàn)有定位技術(shù)

1.1有源RFID定位技術(shù)

RFID(RadioFrequencyIdentification)技術(shù)，又稱為無線射頻識(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，根據(jù)標(biāo)識(shí)卡是否需要供電又可分為有源RFID技術(shù)及無源RFID技術(shù)，無源RFID標(biāo)識(shí)卡一般識(shí)別距離在幾厘米～幾米，難以達(dá)到礦井井下人員定位系統(tǒng)的要求。因此，目前，礦井人員定位系統(tǒng)應(yīng)用較多的是有源RFID技術(shù)：每個(gè)下井人員攜帶一個(gè)433MHz或2.4GHz的有源定位標(biāo)識(shí)卡，該標(biāo)識(shí)卡每隔一段時(shí)間(1～3s)發(fā)送一次代表攜帶人員身份的射頻編碼，該編碼信號(hào)被安裝在礦井巷道內(nèi)的讀卡器接收并傳送到地面服務(wù)器，由于讀卡器的位置在定位系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)置完成，因此，我們可以判斷出井下人員的位置。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、算法簡(jiǎn)單，建設(shè)成本較低，缺點(diǎn)是定位精度低，一般為讀卡器的接收半徑，約幾十米～幾百米。

1.2RSSI定位技術(shù)

RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)是接收信號(hào)的強(qiáng)度指示，RSSI定位技術(shù)是通過接收到的信號(hào)強(qiáng)弱來測(cè)定信號(hào)發(fā)送點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而根據(jù)接收點(diǎn)位置坐標(biāo)來進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)，該技術(shù)在礦井人員系統(tǒng)中應(yīng)用較多，如TICC2431芯片就集成了RSSI定位引擎。RSSI定位技術(shù)精度較有源RFID定位技術(shù)有所提高，通過算法優(yōu)化的RSSI定位精度可達(dá)8m。RSSI定位技術(shù)的主要問題是易受環(huán)境的影響，如環(huán)境濕度的變化、人體的遮擋等均會(huì)引起信號(hào)強(qiáng)度的較大變化，使得測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。

1.3TDOA定位技術(shù)

TDOA（到達(dá)時(shí)間差）方法是通過測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)多個(gè)接收基站的時(shí)間差來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的方法，即各接收基站對(duì)來自同一移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)作到達(dá)時(shí)間TOA的測(cè)量，然后將各TOA值傳送到定位處理中心，中心根據(jù)TOA求出各基站間的TDOA并計(jì)算出目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

1.4起源蜂窩小區(qū)技術(shù)

起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)(COO即CellOfOrigin)是一種基于移動(dòng)臺(tái)的定位技術(shù)，它根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所注冊(cè)的小區(qū)識(shí)別號(hào)ID來確定移動(dòng)臺(tái)的位置。由于礦井無線通信系統(tǒng)的井下基站安裝的巷道位置是一般是固定的，只需知道哪些移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)，系統(tǒng)把該小區(qū)基站對(duì)應(yīng)的巷道位置和覆蓋半徑發(fā)送給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)就能知道自己處在什么地方。同時(shí)，系統(tǒng)也可通過小區(qū)內(nèi)注冊(cè)用戶信息得到移動(dòng)臺(tái)所處的位置信息。起源蜂窩小區(qū)技術(shù)無需對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行修改，響應(yīng)時(shí)間短，方案簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。但是，由此導(dǎo)致的缺點(diǎn)是精度較差，定位誤差就是一個(gè)蜂窩的大小。

2.基于TD-SCDMA系統(tǒng)的定位技術(shù)

本項(xiàng)目研究了基于TD-SCDMA系統(tǒng)的定位技術(shù)，系統(tǒng)采用了TA（TimingAdvance）定位技術(shù)，又可稱為CellID+TA，即小區(qū)識(shí)別號(hào)+時(shí)間提前量。無線信號(hào)在空中傳播是有延遲的，時(shí)間提前量TA由基站BTS（BaseTransceiverStation）測(cè)量后通知移動(dòng)臺(tái)MS提前這段TA時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，目的是為了補(bǔ)償基站BTS與MS之間的傳輸時(shí)延。TA定位方法就是利用現(xiàn)有的參數(shù)TA來測(cè)算定位目標(biāo)MS和基站之間的距離，再經(jīng)過相關(guān)軟件處理和計(jì)算得出各終端具體位置信息，同時(shí)體現(xiàn)在監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)通過終端進(jìn)行定位的功能。TA定位實(shí)現(xiàn)原理：

(1)定位請(qǐng)求控制

a.定位中心負(fù)責(zé)監(jiān)視定位命令表，發(fā)現(xiàn)有用戶定位請(qǐng)求，取出用戶信息；b.通過診斷測(cè)試流程將定位用戶消息發(fā)送至網(wǎng)元，定位結(jié)果返回后寫入定位數(shù)據(jù)表中；c.將命令表中對(duì)應(yīng)的記錄狀態(tài)置為已發(fā)送狀態(tài)。

(2)終端類型判斷

由于不同廠商的終端對(duì)TA測(cè)量處理有差異，部分終端TA測(cè)量值差異較大，需要針對(duì)終端類型進(jìn)行距離修正，所以在進(jìn)行終端定位前，要先獲取終端類型。終端的IMEI由15位數(shù)字組成，其組成為：前6位數(shù)(TAC)是“型號(hào)核準(zhǔn)號(hào)碼”，一般代表機(jī)型；接著的2位數(shù)(FAC)是“最后裝配號(hào)”，一般代表產(chǎn)地；之后的6位數(shù)(SNR)是“串號(hào)”，一般代表生產(chǎn)順序號(hào)；最后1位數(shù)(SP)為檢驗(yàn)碼，一般中斷效驗(yàn)碼都設(shè)置為0。在本項(xiàng)目實(shí)際使用中，由于同一個(gè)批次的終端，前8為數(shù)字一般相同，可以根據(jù)終端的IMEI前8位來確定終端類型。對(duì)于定位請(qǐng)求，RNC在獲取終端的IMSI后，發(fā)起IdentityRequest，請(qǐng)求類型為IMEI，IUC收到呼叫中心CC的Identity查詢后，給RAC發(fā)送下行直傳消息，請(qǐng)求UE上報(bào)IMEI信息。IUC收到RAC的上行直傳消息后，從NAS消息中解析出IMEI后，將IMEI寫入到UE表中，需要判斷UE表中RRC的建立原因，如果是Terminating-causeunknown，該IMEI信息不需要給CN回復(fù)。然后給CC回復(fù)IMEI查詢成功指示消息。

(3)修正值確定

本項(xiàng)目選取一款使用數(shù)量較多，且上報(bào)TA值穩(wěn)定的終端，其默認(rèn)的定位修正值為0，并在每個(gè)基站的天線處，通過多次測(cè)量TA值，然后取平均值的方法確定各個(gè)基站的TA修正值；并通過多次計(jì)算，確定出基站修正距離Ud(uepathdistance)、終端修正距離Td(terminaldistance)、階段修正距離Pd(partdistaice)，并配置各基站最大定位范圍Md(maximumdistance)為基站間距離，確定修正值后，存入修正值表中。

(4)距離計(jì)算方法

定位中心收到一條定位消息，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行下一步判斷。根據(jù)終端所在小區(qū)CELLID，判斷終端位置是在地面還是井下。如果是井上，計(jì)算結(jié)束。如果是井下，根據(jù)IMEI確定終端類型。根據(jù)終端類型調(diào)用系統(tǒng)中儲(chǔ)存的相關(guān)修正值。根據(jù)測(cè)量值減去修正值，得到修正后的測(cè)量值。

3.結(jié)束語

通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)六大系統(tǒng)之一，礦井安全生產(chǎn)中具有重要的作用。礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)是近年來在煤礦安裝應(yīng)用較多的一種無線通信系統(tǒng)。本文提出了一種基于TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)的手機(jī)終端定位技術(shù)，該定位技術(shù)是基于移動(dòng)終端上報(bào)的TA值，不需要額外增加其它定位設(shè)備，系統(tǒng)成本較低；且系統(tǒng)的定位誤差約為15米，相比原有的基站小區(qū)定位技術(shù)有很大提高。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該定位系統(tǒng)能滿足礦井對(duì)手機(jī)定位應(yīng)用的需求。

作者：顧義東 單位：天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司