完善煤礦定位技術的無線通信論文

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1.井下現有定位技術

1.1有源RFID定位技術

RFID(RadioFrequencyIdentification)技術，又稱為無線射頻識別技術，是一種非接觸式的自動識別技術，根據標識卡是否需要供電又可分為有源RFID技術及無源RFID技術，無源RFID標識卡一般識別距離在幾厘米～幾米，難以達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)應用較多的是有源RFID技術：每個下井人員攜帶一個433MHz或2.4GHz的有源定位標識卡，該標識卡每隔一段時間(1～3s)發(fā)送一次代表攜帶人員身份的射頻編碼，該編碼信號被安裝在礦井巷道內的讀卡器接收并傳送到地面服務器，由于讀卡器的位置在定位系統(tǒng)中已經設置完成，因此，我們可以判斷出井下人員的位置。該系統(tǒng)的優(yōu)點網絡結構、算法簡單，建設成本較低，缺點是定位精度低，一般為讀卡器的接收半徑，約幾十米～幾百米。

1.2RSSI定位技術

RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)是接收信號的強度指示，RSSI定位技術是通過接收到的信號強弱來測定信號發(fā)送點與接收點之間的距離，進而根據接收點位置坐標來進行定位計算的一種定位技術，該技術在礦井人員系統(tǒng)中應用較多，如TICC2431芯片就集成了RSSI定位引擎。RSSI定位技術精度較有源RFID定位技術有所提高，通過算法優(yōu)化的RSSI定位精度可達8m。RSSI定位技術的主要問題是易受環(huán)境的影響，如環(huán)境濕度的變化、人體的遮擋等均會引起信號強度的較大變化，使得測試數據波動較大。

1.3TDOA定位技術

TDOA（到達時間差）方法是通過測量移動目標發(fā)出的信號到達多個接收基站的時間差來對目標進行定位的方法，即各接收基站對來自同一移動臺的信號作到達時間TOA的測量，然后將各TOA值傳送到定位處理中心，中心根據TOA求出各基站間的TDOA并計算出目標的位置坐標。

1.4起源蜂窩小區(qū)技術

起源蜂窩小區(qū)定位技術(COO即CellOfOrigin)是一種基于移動臺的定位技術，它根據移動臺所注冊的小區(qū)識別號ID來確定移動臺的位置。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，只需知道哪些移動臺在當前小區(qū)注冊，系統(tǒng)把該小區(qū)基站對應的巷道位置和覆蓋半徑發(fā)送給移動臺，移動臺就能知道自己處在什么地方。同時，系統(tǒng)也可通過小區(qū)內注冊用戶信息得到移動臺所處的位置信息。起源蜂窩小區(qū)技術無需對移動網絡和移動臺進行修改，響應時間短，方案簡單、經濟。但是，由此導致的缺點是精度較差，定位誤差就是一個蜂窩的大小。

2.基于TD-SCDMA系統(tǒng)的定位技術

本項目研究了基于TD-SCDMA系統(tǒng)的定位技術，系統(tǒng)采用了TA（TimingAdvance）定位技術，又可稱為CellID+TA，即小區(qū)識別號+時間提前量。無線信號在空中傳播是有延遲的，時間提前量TA由基站BTS（BaseTransceiverStation）測量后通知移動臺MS提前這段TA時間發(fā)送數據，目的是為了補償基站BTS與MS之間的傳輸時延。TA定位方法就是利用現有的參數TA來測算定位目標MS和基站之間的距離，再經過相關軟件處理和計算得出各終端具體位置信息，同時體現在監(jiān)控中心，從而實現通過終端進行定位的功能。TA定位實現原理：

(1)定位請求控制

a.定位中心負責監(jiān)視定位命令表，發(fā)現有用戶定位請求，取出用戶信息；b.通過診斷測試流程將定位用戶消息發(fā)送至網元，定位結果返回后寫入定位數據表中；c.將命令表中對應的記錄狀態(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TA測量處理有差異，部分終端TA測量值差異較大，需要針對終端類型進行距離修正，所以在進行終端定位前，要先獲取終端類型。終端的IMEI由15位數字組成，其組成為：前6位數(TAC)是“型號核準號碼”，一般代表機型；接著的2位數(FAC)是“最后裝配號”，一般代表產地；之后的6位數(SNR)是“串號”，一般代表生產順序號；最后1位數(SP)為檢驗碼，一般中斷效驗碼都設置為0。在本項目實際使用中，由于同一個批次的終端，前8為數字一般相同，可以根據終端的IMEI前8位來確定終端類型。對于定位請求，RNC在獲取終端的IMSI后，發(fā)起IdentityRequest，請求類型為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，請求UE上報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。然后給CC回復IMEI查詢成功指示消息。

(3)修正值確定

本項目選取一款使用數量較多，且上報TA值穩(wěn)定的終端，其默認的定位修正值為0，并在每個基站的天線處，通過多次測量TA值，然后取平均值的方法確定各個基站的TA修正值；并通過多次計算，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)距離計算方法

定位中心收到一條定位消息，轉換為對應表的數據結構，并進行下一步判斷。根據終端所在小區(qū)CELLID，判斷終端位置是在地面還是井下。如果是井上，計算結束。如果是井下，根據IMEI確定終端類型。根據終端類型調用系統(tǒng)中儲存的相關修正值。根據測量值減去修正值，得到修正后的測量值。

3.結束語

通信聯絡系統(tǒng)是煤礦安全生產六大系統(tǒng)之一，礦井安全生產中具有重要的作用。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)的手機終端定位技術，該定位技術是基于移動終端上報的TA值，不需要額外增加其它定位設備，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)定位技術有很大提高。經實際應用表明，該定位系統(tǒng)能滿足礦井對手機定位應用的需求。

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