紅柳林煤礦總經(jīng)理常波峰：基于 UWB 井下動目標高精度定位系統(tǒng)在紅柳林煤礦的應用

2025年03月07日 15:29 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

語音播報

點擊播放

針對紅柳林煤礦對井下快速移動目標定位的需求，提出了一種基于UWB技術的高精度定位系統(tǒng)。采用自主研發(fā)的UWB定位模塊，通過TOA測距算法和改進的Chan算法實現(xiàn)三維定位。在紅柳林煤礦5-2煤層綜采工作面及其上下運輸巷道中進行了系統(tǒng)測試。測試結果表明，系統(tǒng)對于移動速度小于10m/s的目標，定位精度優(yōu)于20cm，定位刷新率為50Hz。系統(tǒng)具有良好的魯棒性和可靠性，適應井下復雜多變環(huán)境，可為井下人員跟蹤、設備監(jiān)控等提供技術支撐。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學術園地”專欄

作者簡介：常波峰，高級工程師，現(xiàn)任陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司黨委副書記、總經(jīng)理，主要從事安全生產(chǎn)、企業(yè)運營、智能礦山建設等相關技術研究及管理工作。E-mail：1403620280@qq.com

作者單位：陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司

引用格式：常波峰，郭奮超，胡文斌，等. 基于 UWB 井下動目標高精度定位系統(tǒng)在紅柳林煤礦的應用[J].智能礦山，2025，6(1)：94-98.

點擊文末左下角閱讀原文，免費下載閱讀pdf全文

關注微信公眾號，了解更多礦山智能化建設進展

隨著煤礦智能化建設的不斷推進，井下人員和設備的高精度定位需求日益迫切。然而，井下環(huán)境復雜多變，存在空間受限、信號遮擋、多徑效應等諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)定位技術如GPS、RFID等難以滿足高精度定位需求。近年來，超寬帶（UWB）技術因其納秒級時間分辨率、強抗干擾能力和厘米級定位精度，在井下定位領域得到廣泛關注。

針對陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)公司（簡稱紅柳林煤礦）井下快速移動目標定位需求，提出了一種改進的UWB定位系統(tǒng)。通過優(yōu)化TOA測距算法降低時鐘同步要求，改進Chan定位算法提高抗多徑性能，并結合IMU數(shù)據(jù)實現(xiàn)高精度動態(tài)跟蹤。

紅柳林煤礦概況

紅柳林煤礦2011年12月投產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力1800萬t/a。井田面積138.37km2。主采5-2煤層，水文地質(zhì)條件復雜，正常涌水量超過1400m3/h。屬低瓦斯礦井，礦井采用斜井開拓，設有6條井筒，形成5個盤區(qū)。截至2023年，剩余可采儲量11.35億t，服務年限46.7年，井下環(huán)境的復雜多變對定位系統(tǒng)提出了更高要求。

井下高精度定位系統(tǒng)總體設計

井下高精度定位系統(tǒng)采用主從式分層架構，由中央服務器、基站節(jié)點和移動標簽3部分組成。

（1）中央服務器

系統(tǒng)核心為中央服務器，負責配置管理、數(shù)據(jù)處理與融合、定位算法實現(xiàn)以及與上層應用的通信。

（2）基站節(jié)點

基站節(jié)點布設在井下巷道的關鍵位置，每個基站配備UWB無線通信模塊和TOA測距模塊，用于與移動標簽交互并記錄測距原始數(shù)據(jù)。

（3）移動標簽

移動標簽攜帶在人員或帖子設備上，內(nèi)置UWB收發(fā)模塊和慣性測量單元（IMU），與基站進行雙向通信和距離測量。

井下高精度定位系統(tǒng)工作流程為移動標簽周期性地向基站發(fā)送測距請求，基站接收到請求后，與標簽進行多輪測距交互，獲取1組TOA數(shù)據(jù)，并附加時間戳后上傳至中央服務器。服務器匯總多個基站的測距數(shù)據(jù)，通過時間同步和離群值剔除等預處理后，利用改進的Chan算法計算標簽的三維坐標，并結合IMU數(shù)據(jù)進行融合濾波，得到高精度定位結果。井下高精度定位系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 井下高精度定位系統(tǒng)構架

2.1 井下高精度定位系統(tǒng)硬件設計

針對井下復雜環(huán)境，井下定位系統(tǒng)的中央服務器、基站節(jié)點和移動標簽在硬件設計方面進行了2個方面設計創(chuàng)新。

（1）基站節(jié)點采用雙天線MIMO架構提高信號質(zhì)量，優(yōu)化了UWB射頻前端設計，重點改進天線匹配網(wǎng)絡和PCB布局，使發(fā)射功率提升至-41.3dBm/MHz，接收靈敏度為-93dBm。基站主控選用STM32F407單片機（主頻168MHz），實現(xiàn)了UWB與IMU數(shù)據(jù)的硬件級融合，針對井下潮濕環(huán)境，設計了三級防護結構和EMC屏蔽。

（2）移動標簽采用可重構天線陣列，通過優(yōu)化TOA測距模塊實現(xiàn)10ps精度測量。設計動態(tài)功耗調(diào)節(jié)策略，使標簽續(xù)航時間延長50%，尺寸為85mm×45mm×12mm。中央服務器采用雙機熱備架構，配備Inteli7處理器和16GB內(nèi)存，支持高并發(fā)數(shù)據(jù)處理。

2.2 井下高精度定位系統(tǒng)軟件設計

井下定位系統(tǒng)軟件采用模塊化、層次化的設計架構，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、定位算法層和應用服務層。軟件各模塊均采用C++語言實現(xiàn)，利用多線程并行處理提高系統(tǒng)實時性，軟件設計框架如圖2所示。

圖2 井下高精度定位系統(tǒng)軟件設計框架

（1）數(shù)據(jù)采集層在基站節(jié)點和移動標簽上運行，負責控制UWB測距過程，并將原始測距數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)打包上傳至服務器。

（2）數(shù)據(jù)處理層接收來自多個節(jié)點的測距數(shù)據(jù)，進行時間同步、離群值剔除等預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

（3）定位算法層是系統(tǒng)的核心，采用改進的Chan算法和卡爾曼濾波算法，融合UWB測距數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度的三維定位。

（4）應用服務層基于定位結果，提供人員跟蹤、電子圍欄、距離報警等服務，并通過WebSocket與上層應用實現(xiàn)實時通信。各層之間通過明確定義的API接口進行數(shù)據(jù)交互，便于系統(tǒng)的擴展和維護。

井下高精度定位系統(tǒng)關鍵技術

3.1 兩步TOA測距算法

系統(tǒng)采用兩步TOA算法實現(xiàn)高精度測距。該算法通過基站與標簽之間的雙向雙程測距消除時鐘偏差，無需時間同步即可獲得準確距離。為了進一步提高測距精度，系統(tǒng)在算法中引入了線性回歸和卡爾曼濾波。通過多次測量得到1組RTT樣本，利用最小二乘法擬合出RTT與距離之間的線性關系，減小測量噪聲的影響。將RTT測量值與IMU估計值輸入卡爾曼濾波器，動態(tài)跟蹤距離變化，平滑測距結果。TOA測距算法流程如圖3所示。

圖3 TOA測距算法流程

3.2 改進的Chan定位算法

系統(tǒng)基于Chan算法進行定位，并針對井下環(huán)境進行了優(yōu)化改進。改進后的定位算法主要采用基于UWB信號質(zhì)量（信噪比和功率延遲比）動態(tài)調(diào)整測距數(shù)據(jù)的權重，自適應權重策略降低不良測量數(shù)據(jù)的影響；采用迭代方式不斷優(yōu)化目標位置估計，提高定位精度和可靠性。改進Chan算法定位流程如圖4所示。

圖4 改進Chan算法定位流程

通過分析UWB信號的到達時間和能量分布，識別出受到NLOS影響的測距值，并利用統(tǒng)計模型對其進行修正。采用基于粒子濾波的融合定位算法，將Chan算法的輸出與IMU的運動估計進行融合，動態(tài)跟蹤目標的位置和速度。改進后的Chan算法在井下環(huán)境中實現(xiàn)了精準定位，靜態(tài)定位精度為20cm，動態(tài)定位精度為30cm，滿足了井下作業(yè)的高精度定位需求。

3.3 定位性能優(yōu)化

（1）在算法層面，引入自適應卡爾曼濾波器，根據(jù)井下環(huán)境的動態(tài)特性，實時調(diào)整噪聲協(xié)方差矩陣，提高了定位估計的精確度和魯棒性。采用多模型融合策略，結合基于UWB的TOA定位、IMU的航位推算和基于場景地圖匹配等多種定位方法，利用貝葉斯框架對不同模型的定位結果進行融合，提升定位可靠性。

（2）在系統(tǒng)實現(xiàn)方面，優(yōu)化了UWB測距協(xié)議，減小了空中傳輸時延，提高了測距效率。采用改進的時間同步方案，通過分布式Kalman濾波實現(xiàn)基站間的高精度同步，同步誤差降至納秒級。

（3）在硬件設計中采用了低功耗、高可靠的UWB收發(fā)機，提高了系統(tǒng)的電池續(xù)航能力和環(huán)境適應性；設計了基于壓縮感知的信道估計算法，通過稀疏表示和重構技術準確估計直達路徑，降低了多徑干擾；優(yōu)化了天線布局和射頻前端電路，提升信號的穿透能力和抗干擾能力。

井下高精度定位系統(tǒng)測試與結果分析

4.1 定位測試環(huán)境與方案

井下高精度定位系統(tǒng)測試選取紅柳林煤礦井下掘進工作面，測試采用分層分區(qū)策略，在不同區(qū)域布設多個基站，形成局部定位網(wǎng)絡。受試者攜帶移動標簽，模擬實際作業(yè)場景中行走、奔跑、爬行等動作。

測試方案設計了多種測試用例和評價指標，包括靜態(tài)和動態(tài)定位精度、可用性、連續(xù)性等。統(tǒng)計分析不同區(qū)域和工況下的定位結果，并記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)和資源消耗數(shù)據(jù)，全面評估了系統(tǒng)性能和可靠性。同時利用高精度測量設備獨立采集受試者真實軌跡，作為定位精度評估基準。定位系統(tǒng)測試方案如圖5所示。

圖5 定位系統(tǒng)測試方案框架

4.2 靜態(tài)定位精度測試

（1）在礦井內(nèi)選取了10個具有代表性的測試點，覆蓋了不同的區(qū)域和環(huán)境條件。在每個測試點受試者攜帶移動標簽保持靜止狀態(tài)，連續(xù)采集30min定位數(shù)據(jù)。同時，使用全站儀對測試點的真實坐標進行精確測量，作為定位誤差計算的基準。

（2）比較定位結果與基準坐標之間的差異，計算出每個測試點的定位誤差，包括水平誤差、垂直誤差和三維空間誤差。

（3）統(tǒng)計分析每個測試點的定位誤差，評估定位精度的穩(wěn)定性，計算出均值（Mean）、標準差（STD）指標，靜態(tài)定位精度測試結果見表1。

表1 靜態(tài)定位精度測試結果

表1測試結果表明：在10個測試點中，水平定位平均誤差為8.7～14.3cm，其中測試點F精度最高為8.7cm，測試點G誤差最大為14.3cm；高程定位平均誤差為4.2～6.8cm，優(yōu)于水平定位精度。三維綜合定位平均誤差均<16cm，標準差<3.8cm，數(shù)據(jù)表明定位系統(tǒng)具有良好的精度和穩(wěn)定性。

4.3 動態(tài)定位精度測試

礦井內(nèi)布設了長度約為500m的測試路線，覆蓋了直線、拐角、上坡、下坡等多種典型路段。受試者攜帶移動標簽以分別為1、2、3m/s不同速度沿測試路線行走，系統(tǒng)實時記錄標簽的定位軌跡；同時，利用激光跟蹤儀高精度采集受試者的真實軌跡，作為定位誤差計算基準。

比較定位軌跡與基準軌跡之間的差異，計算出不同速度下的定位誤差統(tǒng)計指標，包括平均誤差、最大誤差和誤差的標準差。動態(tài)定位精度測試結果見表2。移動速度增加，定位誤差呈上升趨勢，總體誤差均<30cm，滿足井下動態(tài)定位的精度需求。

表2 動態(tài)定位精度測試結果

4.4 系統(tǒng)可靠性測試

測試在礦井內(nèi)選取了3個不同區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)布設了10個基站節(jié)點，連續(xù)運行72h。測試期間，定期檢查系統(tǒng)運行狀態(tài)，記錄各項可靠性指標，包括系統(tǒng)正常工作時間、故障次數(shù)、平均無故障工作時間（MTBF）等。為了考核系統(tǒng)的環(huán)境適應性，在測試區(qū)域內(nèi)模擬了高溫、潮濕、粉塵、振動等各種惡劣工況，評估系統(tǒng)在極端條件下的工作表現(xiàn)，可靠性測試結果見表3。

表3 可靠性測試結果

在3個測試區(qū)域內(nèi)，井下高精度定位系統(tǒng)平均正常工作時間>70h，故障次數(shù)均為0次，表明系統(tǒng)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，在惡劣環(huán)境下，均能夠持續(xù)穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)異常中斷或性能明顯下降的情況。

總結

（1）基于UWB技術的井下快速移動目標高精度定位系統(tǒng)采用雙向雙程TOA測距與改進Chan算法相結合的方案，在井下復雜環(huán)境中實現(xiàn)了靜態(tài)精度優(yōu)于20cm、動態(tài)精度優(yōu)于30cm的定位效果，定位刷新率為50Hz，滿足了井下快速移動目標的精確定位需求。

（2）引入自適應權重機制和NLOS識別修正等創(chuàng)新方法，有效克服了井下多徑效應影響。在紅柳林煤礦井下72h連續(xù)運行測試，驗證了在高溫、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境下的可靠性與穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)在基站部署密度和功耗控制方面仍需優(yōu)化，未來研究將重點關注分布式組網(wǎng)和低功耗設計，進一步提升系統(tǒng)在復雜工況下的應用效果。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

往期薦讀