我国煤矿重特大事故主要是瓦斯、水灾和火灾等。事故调查表明，瓦斯爆炸、火灾、水灾等事故死亡人数与煤矿井下作业人员数量成正比关系，即在同等事故情况下，煤矿井下作业人员越多，事故死亡人数就越多。因此，煤矿井下超定员生产是煤矿安全生产重大安全隐患，煤矿安全生产必须遏制煤矿井下超定员生产[1-3]。矿井人员定位系统具有煤矿井下人员位置监测，超定员、人员进入危险区域和超时作业监测与报警功能，一人多卡、不携卡下井和不携带自己的卡下井监测与报警功能，井下作业人员路径监测与回放、特种作业人员管理、干部下井管理、持证上岗管理和入井考勤等功能[4-5]，在煤矿安全生产、应急救援、事故调查中发挥着重要作用。

煤矿井下距离远(10 km以上)、无线电信号传输衰减严重，GPS卫星定位信号不能达到煤矿井下。矿井无线电信号传输受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体(电缆、铁轨、水管等)、横向导体(工字钢支护等)、设备等(以下简称巷道及其支护，巷道中导体和设备)影响。煤矿井下有瓦斯等可燃性气体，粉尘大、潮湿、淋水等。这些制约着地面定位技术和设备直接在煤矿井下应用[6-8]。现有矿井人员定位方法定位误差大，难以满足煤矿事故救援、运输和机电事故防治等需求。因此，有必要针对煤矿井下特殊性，研究矿井人员精确定位方法，以满足煤矿安全生产需要。

1 矿井人员定位技术现状

早期矿井人员定位系统采用RFID技术，只能掌握携卡人员是否通过读卡分站，但不能测定携卡人员与读卡分站的距离，不能定位，难以满足煤矿安全生产需求[9]。为满足煤矿安全生产需求，近几年，人们研发了RSSI(Received Signal Strength Indicator)基于无线信号强度、AOA(Angle of Arrival)基于角度测量、TOA(Time Of Arrival)基于传输时间测距、TWR(Two-Way Ranging)双程测距、SDS-TWR(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging)双边双程测距、TDOA(Time Difference Of Arrival)基于时间差测距等矿井人员定位方法。

1.1 RSSI定位方法

RSSI基于无线信号强度的定位方法，通过检测接收信号强度，计算出无线信号传输距离[10]。RSSI定位方法的定位精度受信号发射功率和接收灵敏度，巷道及其支护，巷道中导体和设备等影响，定位误差大，不适用于矿井人员精确定位。

1.2 AOA定位方法

AOA基于角度测量的定位方法，通过2台已知间距(系统安装时确定)的定位分站，分别测量定位卡与分站间的角度，进而计算出定位卡的位置[11]。AOA定位方法只能用于直线无障碍测距，定位精度受巷道弯曲、分支和倾斜，胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站和作业人员等阻挡体(以下简称阻挡体)影响，特别是定位天线和定位精度受机械振动等影响，不适用于煤矿井下人员定位。

1.3 TOA,TWR和SDS-TWR定位方法

1.3.1 TOA定位方法

TOA基于传输时间测距的定位方法，通过检测无线信号在发送设备和接收设备之间的传输时间，再乘以信号传输速度c(无线电信号传输速度为光速)，计算出发送设备和接收设备之间的距离d，如式(1)所示:

d=c(ts-tt)

(1)

式中，tt为发送设备发送无线信号时刻;ts为接收设备收到无线信号时刻。

TOA定位方法定位精度与信号传输时间有关，与信号强度无关[12-14]，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响。因此，TOA定位方法定位精度不受巷道及其支护，巷道中导体和设备等造成的信号传输衰减影响，可用于煤矿井下人员精确定位。但TOA定位方法要求发射设备和接收设备时钟精确并同步，定位卡和定位分站成本高。

1.3.2 TWR定位方法

为解决TOA定位方法要求发射设备和接收设备时钟同步的难题，在TOA定位方法的基础上，人们提出了TWR双程测距定位方法，通过定位分站与定位卡之间的双向信号传输实现测距[15-17]，如图1所示。

图1中，TAM为分站从发送测距信号到接收定位卡应答信号的时间，与信号传输时间、分站处理时间和时钟精度有关;TM为定位卡从接收到分站测距信号到回复应答信号时间，与定位卡处理时间和时钟精度有关。

设dAM为定位分站到定位卡之间的测量距离，则

(2)

通过上面分析可以得出，TWR定位方法保留了TOA定位方法的优点，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响，解决了TOA定位方法需分站与定位卡时钟同步的难题，适用于煤矿井下人员精确定位。TWR定位方法不需定位分站与定位卡时钟同步，降低了定位卡和分站复杂度和成本，适用于煤矿井下人员精确定位，但定位卡和定位分站的时钟频率偏移影响定位精度，定位卡和定位分站成本较高。

1.3.3 SDS-TWR定位方法

SDS-TWR双边双程测距定位方法是TWR定位方法的改进，在TWR测距过程基础上，定位卡再主动与定位分站进行一次双向信号传输过程实现测距[18-19]，如图2所示。

图2中TMA为定位卡从发送测距信号到接收到分站应答信号的时间，与信号传输时间、定位卡处理时间和时钟精度有关;TA为分站从接收到定位卡测距信号到回复应答信号时间，与分站处理时间和时钟精度有关。则:

(3)

通过上面分析可以得出，SDS-TWR定位方法保留了TOA定位方法的优点，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响，解决了TOA定位方法需分站与定位卡时钟同步的难题，适用于煤矿井下人员精确定位。SDS-TWR定位方法不需分站与定位卡时钟同步，降低了定位卡和分站复杂度和成本，适用于煤矿井下人员精确定位，但定位分站和定位卡的时钟频率偏移影响定位精度，定位卡和定位分站成本较高。

1.4 TDOA定位方法

TDOA基于时间差测距定位方法，除人员定位卡M外，至少需要2个固定定位分站A和B，分站A和分站B之间距离L安装时已知。人员定位卡M发送测距信号，分站A和分站B接收信号，分别记录测距信号到达分站A的时刻t1和到达分站B的时刻t2，通过计算到达时间差，可计算出人员定位卡M与分站A和分站B的距离差dM，进而计算出人员定位卡M与分站A和分站B的距离。则

dM=c(t1-t2)

(4)

通过上面分析可以得出，TDOA定位方法定位精度与t1和t2有关，与信号强度无关，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响[20]。因此，TDOA定位方法定位精度不受巷道及其支护，巷道中导体和设备等造成的信号传输衰减影响，可用于煤矿井下人员精确定位。但TDOA定位方法要求定位分站时钟精确，分站之间时钟同步，定位分站成本高。

通过上面分析可以得出，RSSI和AOA定位方法不适用于矿井人员精确定位。TOA定位方法要求定位卡和定位分站时钟精确并同步，定位卡和定位分站成本高，可用于矿井人员精确定位。TWR和SDS-TWR定位方法不需定位卡和定位分站时钟同步，但定位卡和定位分站的时钟频率偏移影响定位精度，定位卡和定位分站成本较高，适用于矿井人员精确定位。TDOA定位方法要求定位分站时钟精确，分站之间时钟同步，定位分站成本高，可用于矿井人员精确定位。因此，有必要研究和创新矿井人员精确定位方法。

2 异步测时矿井人员精确定位方法

针对现有矿井人员定位方法存在的问题和矿井人员精确定位需求，笔者提出了异步测时矿井人员精确定位方法(以下简称异步测时法)。

2.1 异步测时法工作原理及工作过程

煤矿井下巷道狭长，宽度和高度远远小于长度。因此，可以将煤矿井下人员定位简化为一维定位。

异步测时法定位分站布置如图3所示，图中巷道在圆形内的区域为分站A和分站B的信号覆盖范围。在井下巷道中间隔一定距离安装定位分站，保证相邻分站可相互无线通信，定位卡M可与两个邻近分站同时进行通信。

异步测时法工作原理和过程如图4所示。由任意分站(为便于说明，标记为分站A)对通信范围内的至少1个定位卡(为便于说明，标记为定位卡M)发出测距信号。定位卡M接收到分站A发出的测距信号后，立即向分站A回复应答信号。分站A接收到定位卡M回复的应答信号后，根据发送测距信号时刻和接收到定位卡M回复的应答信号时刻，计算收发测距信号时间TAM。紧邻定位卡M的另一分站B收到分站A发出的测距信号后，立即发出测距信号。定位卡M接收到分站B发出的测距信号后，立即向分站B回复应答信号。分站B接收到定位卡M回复的应答信号后，根据发送测距信号时刻和接收到定位卡M回复的应答信号时刻，计算收发测距信号时间TBM,并将收发测距信号时间TBM发送给分站A。分站A根据TAM，TBM，分站A与分站B之间距离dAB(分站安装时已知)，计算出定位卡M距分站A和分站B的距离，实现定位卡M定位。

异步测时法定位流程如图5所示。

2.2 异步测时法距离测算

由图4可知，分站和定位卡的一个往复过程包括两个单程的信号传输时间和一个信号应答延迟时间，如式(5)和(6)所示:

(6)

式中，dAM和dBM分别为分站A和分站B与定位卡M之间的距离。

由式(5)和(6)可得

(8)

式(7)减式(8)可得

(9)

合并同类项，可消除定位卡M的应答时间TM，得

(10)

已知分站A和B的间隔距离dAB，由于分站响应时间极短，井下人员移动速度较慢，因此，可以认为分站A和B在测距时定位卡M位置不变，则

dAB=dAM+dBM

(11)

dAM-dBM=dAM-(dAB-dAM)=2dAM-dAB

(12)

将式(12)代入式(10)得

(14)

整理可得dAM,dBM值的方程组，

(15)

根据dAM,dBM及分站A、分站B位置数据实现定位。

2.3 异步测时法定位分析

通过式(14)可以看出，dAM与TAM和TBM有关，与定位卡无关。因此，异步测时法既不需要分站之间时钟同步，也不需要定位卡与分站时钟同步，大大降低了分站和定位卡复杂性和成本。定位卡时钟误差不影响异步测时法的定位精度，进一步降低了定位卡复杂性和成本。异步测时法定位精度仅受分站A和分站B时钟频率偏移影响。

设定位分站A和分站B的时钟频率偏移分别是eA和eB,分站A收发测距信号真实时间为分站B收发测距信号真实时间为定位卡M到分站A的真实距离为则

(18)

设定位误差为ΔdAM，则

(19)

3 异步测时法与其他方法性能比较

受巷道及其支护和巷道中导体及障碍物影响大小、是否需要分站与定位卡时钟同步、是否需要分站之间同步、受定位卡和分站时钟频率偏移影响大小、分站成本、定位卡成本和定位精度是衡量煤矿井下人员定位方法的主要性能指标。异步测时法测距仅与分站收发测距信号时间有关，与信号强度无关，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响，不受巷道及支护、巷道中导体和设备等造成的信号传输衰减影响。特别是，异步测时法与定位卡时钟无关，大大降低了定位卡复杂度和成本，同时也不需要定位分站之间同步，降低了定位分站复杂度和成本，适用于矿井人员精确定位。异步测时法与现有矿井人员定位方法主要性能比较见表1。

4 仿真实验

通过上面分析可知，RSSI和AOA定位方法不适用于煤矿井下人员精确定位。TOA定位方法定位卡和定位分站成本高。TDOA定位方法定位分站成本高。目前煤矿井下人员精确定位系统主要采用TWR和SDS-TWR定位方法。因此，性能对比实验选用煤矿井下人员精确定位系统应用最多、性能指标最好的TWR和SDS-TWR定位方法。

表1 异步测时法与其他矿井人员定位方法主要性能比较
Table 1 Main performance comparison between asynchronous time-measuring underground coal mine accuratepersonnel positioning method and other underground coal mine personnel positioning methods

使用MATLAB仿真软件进行仿真，分别采用TWR测距方法、SDS-TWR测距方法及本文提出的异步测时法，对测距误差与定位分站计时频率偏移、信号收发时间长度的关系进行仿真。其中频率偏移取值范围参考IEEE802.11标准,频率偏移在±25×10-6范围内[15]。

4.1 TWR定位方法

设为定位卡从接收到测距信号到反馈应答信号的真实时间，则测距误差ΔdAM为[21-22]:

(20)

仿真结果如图6所示。

4.2 SDS-TWR定位方法

设为定位卡从发送测距信号到接收到分站应答信号的真实时间;为分站从接收到测距信号到反馈应答信号的真实时间，则测距误差ΔdAM为[21]:

(21)

仿真结果如图7所示。

4.3 异步测时法

测距误差ΔdAM为

(22)

仿真结果如图8所示。

通过仿真可知，异步测时法测距误差明显低于TWR、SDS-TWR测距误差，最大测距误差低一倍以上，特别在两定位分站中间区域误差抑制效果尤为明显。

5 结 论

异步测时法测距仅与分站收发测距信号时间有关，与信号强度无关，定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响，不受巷道及支护、巷道中导体和设备等造成的信号传输衰减影响。特别是，异步测时法与定位卡时钟无关，大大降低了定位卡复杂度和成本，同时也不需要定位分站之间同步，降低了定位分站复杂度和成本。异步测时法优于现有矿井定位方法，适用于矿井人员精确定位。

参考文献(References):

[1] 孙继平.煤矿安全生产与信息化[M].北京:煤炭工业出版社，2011.

[2] 孙继平.互联网+煤矿监控与通信[M].北京:煤炭工业出版社，2016.

[3] 孙继平，杨大明，张志钰，等.煤矿井下安全避险“六大系统”建设指南[M].北京:煤炭工业出版社，2012.

[4] 孙继平，彭霞，卫修君，等.AQ1048 2007，煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范[S].北京:煤炭工业出版社，2007.

SUN Jiping,PENG Xia,WEI Xiujun,et al.AQ1048 2007,Management and use of coal mine personnel management system specification[S].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2007.

[5] 孙继平，彭霞，卫修君，等.AQ6210 2007，煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件[S].北京:煤炭工业出版社，2007.

SUN Jiping,PENG Xia,WEI Xiujun,et al.AQ6210 2007,General Technical Conditions for Coal Mine Pit Management System[S].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2007.

[6] 孙继平.煤矿事故特点与煤矿通信、人员定位及监视新技术[J].工矿自动化,2015,41(2):1-5

SUN Jiping.Characteristics of coal mine accidents and new technologies of coal mine communication,personnel positioning and monitoring[J].Industry and Mine Automation,2015,41(2):1-5.

[7] 刘毅.基于三向加速度数据的井下移动通信设备定位[J].工矿自动化，2016，42(4):70-73.

LIU Yi.A method for locating the mobile phone in coal mine based on three direction acceleration data[J].Industry and Mine Automation，2016，42(4):70-73.

[8] LIU Yi.Study of a channel assignment model at underground strap cell communication system[A].2012 9th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery[C].Chongqing,2012:2979-2982.

[9] 孙继平.煤矿井下人员位置监测技术与系统[J].煤炭科学技术，2010，38(11):1-5.

SUN Jiping.Personnel position monitoring technology and system in under ground mine[J].Coal Science and Technology，2010，38(11):1-5.

[10] 吴绍春,陈亮.基于RSSI的矿山井下人员定位方法研究[J].计算机应用与软件,2015,32(10):116-119.

WU Shaochun,CHEN Liang.Research on localisation method for underground mine personnel based on RSSI[J].Computer Applications and Software,2015,32(10):116-119.

[11] TOMIC S,BEKO M,DINIS R.Distributed RSS-AoA based localization with unknown transmit powers[J].IEEE Wireless Communications Letters,2016,5(4):392-395.

[12] 刘世森,汤朝明,吴畏.无线传感器网络中的TOA测距方法研究[J].工矿自动化,2012,37(3):31-34.

LIU Shisen,TANG Chaoming,WU Wei.Research of TOA ranging method in wireless sensor network[J].Industry and Mine Automation,2012,37(3):31-34.

[13] 吴畏,刘世森.基于TOA技术的煤矿井下精确人员定位系统研究[J].中国煤炭,2012,50(4):65-67.

WU Wei,LIU Shisen.Accurate person positioning system for coal mine based on TOA technique[J].China Coal,2012,50(4):65-67.

[14] 孙继平，蒋恩松.基于WiFi信号二次扩频的矿井TOA测距方法[J].工矿自动化,2017,43(10):53-58

SUN Jiping,JIANG Ensong.Mine TOA ranging method based on respread spectrum to WiFi signal[J].Industry and Mine Automation,2017,43(10):53-58.

[15] 孙继平，李晨鑫.基WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法[J].煤炭学报,2014,39(1):192-197.

SUN Jiping,LI Chenxin.TOA underground coal mine target positioning method based on WiFi and timing error suppression[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):192-197.

[16] 蒋恩松.矿井扩频测距定位方法研究[D].北京:中国矿业大学(北京)，2017

JIANG Ensong.Research of the mine positioning method based on spread spectrum ranging[D].Beijing:China University of Mining & Technology(Beijing)，2017.

[17] 肖竹，王勇超，田斌，等.超宽带定位研究与应用[J].电子学报，2011，1(39):133-141.

XIAO Zhu,WANG Yongchao,TIAN Bin,et al.Development and prospect of ultra-wideband localization research and application[J].ACTA Electronica Sinica,2011，1(39):133-141.

[18] 李晨鑫.矿井人员精确定位及唯一性检测关键技术研究[D].北京:中国矿业大学(北京)，2014.

LI Chenxin.Research on key technology of mine personnel accurate positioning and uniqueness detection[D].Beijing:China University of Mining & Technology(Beijing)，2014.

[19] 宋华莹.基于CSS技术的飞行器立体实时定位的研究及实现[D].北京:中国科学院大学，2013.

SONG Huaying.The research and implementation of quad-rotor three-dimensional real-time positioning[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences，2013.

[20] ZHANG R,HOFLINGER F,REINDL L.TDOA-based localization using interacting multiple model estimator and ultrasonic transmitter/receiver[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2012,62(8):2205-2214.

[21] 孙哲星.基于时间测距的矿井人员定位方法研究[J].工矿自动化,2018,44(4):30-33.

SUN Zhexing.Research on mine personnel positioning method based on time range[J].Industry and Mine Automation,2018,44(4):30-33.

[22] 孙哲星.煤矿井下人员精确定位方法[J].煤炭科学技术,2018,46(3):130-134.

SUN Zhexing.Applicationand development on drill rod matched for large diameter and directional long borehole in underground coalmine[J].Coal Science and Technology,2018,46(3):130-134.