完善煤矿定位技术的无线通信论文

1.井下现有定位技术

1.1有源RFID定位技术

RFID(RadioFrequencyIdentification)技术，又称为无线射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，根据标识卡是否需要供电又可分为有源RFID技术及无源RFID技术，无源RFID标识卡一般识别距离在几厘米～几米，难以达到矿井井下人员定位系统的要求。因此，目前，矿井人员定位系统应用较多的是有源RFID技术：每个下井人员携带一个433MHz或2.4GHz的有源定位标识卡，该标识卡每隔一段时间(1～3s)发送一次代表携带人员身份的射频编码，该编码信号被安装在矿井巷道内的读卡器接收并传送到地面服务器，由于读卡器的位置在定位系统中已经设置完成，因此，我们可以判断出井下人员的位置。该系统的优点网络结构、算法简单，建设成本较低，缺点是定位精度低，一般为读卡器的接收半径，约几十米～几百米。

1.2RSSI定位技术

RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)是接收信号的强度指示，RSSI定位技术是通过接收到的信号强弱来测定信号发送点与接收点之间的距离，进而根据接收点位置坐标来进行定位计算的一种定位技术，该技术在矿井人员系统中应用较多，如TICC2431芯片就集成了RSSI定位引擎。RSSI定位技术精度较有源RFID定位技术有所提高，通过算法优化的RSSI定位精度可达8m。RSSI定位技术的主要问题是易受环境的影响，如环境湿度的变化、人体的遮挡等均会引起信号强度的较大变化，使得测试数据波动较大。

1.3TDOA定位技术

TDOA（到达时间差）方法是通过测量移动目标发出的信号到达多个接收基站的时间差来对目标进行定位的方法，即各接收基站对来自同一移动台的信号作到达时间TOA的测量，然后将各TOA值传送到定位处理中心，中心根据TOA求出各基站间的TDOA并计算出目标的位置坐标。

1.4起源蜂窝小区技术

起源蜂窝小区定位技术(COO即CellOfOrigin)是一种基于移动台的定位技术，它根据移动台所注册的小区识别号ID来确定移动台的位置。由于矿井无线通信系统的井下基站安装的巷道位置是一般是固定的，只需知道哪些移动台在当前小区注册，系统把该小区基站对应的巷道位置和覆盖半径发送给移动台，移动台就能知道自己处在什么地方。同时，系统也可通过小区内注册用户信息得到移动台所处的位置信息。起源蜂窝小区技术无需对移动网络和移动台进行修改，响应时间短，方案简单、经济。但是，由此导致的缺点是精度较差，定位误差就是一个蜂窝的大小。

2.基于TD-SCDMA系统的定位技术

本项目研究了基于TD-SCDMA系统的定位技术，系统采用了TA（TimingAdvance）定位技术，又可称为CellID+TA，即小区识别号+时间提前量。无线信号在空中传播是有延迟的，时间提前量TA由基站BTS（BaseTransceiverStation）测量后通知移动台MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了补偿基站BTS与MS之间的传输时延。TA定位方法就是利用现有的参数TA来测算定位目标MS和基站之间的距离，再经过相关软件处理和计算得出各终端具置信息，同时体现在监控中心，从而实现通过终端进行定位的功能。TA定位实现原理：

(1)定位请求控制

a.定位中心负责监视定位命令表，发现有用户定位请求，取出用户信息；b.通过诊断测试流程将定位用户消息发送至网元，定位结果返回后写入定位数据表中；c.将命令表中对应的记录状态置为已发送状态。

(2)终端类型判断

由于不同厂商的终端对TA测量处理有差异，部分终端TA测量值差异较大，需要针对终端类型进行距离修正，所以在进行终端定位前，要先获取终端类型。终端的IMEI由15位数字组成，其组成为：前6位数(TAC)是“型号核准号码”，一般代表机型；接着的2位数(FAC)是“最后装配号”，一般代表产地；之后的6位数(SNR)是“串号”，一般代表生产顺序号；最后1位数(SP)为检验码，一般中断效验码都设置为0。在本项目实际使用中，由于同一个批次的终端，前8为数字一般相同，可以根据终端的IMEI前8位来确定终端类型。对于定位请求，RNC在获取终端的IMSI后，发起IdentityRequest，请求类型为IMEI，IUC收到呼叫中心CC的Identity查询后，给RAC发送下行直传消息，请求UE上报IMEI信息。IUC收到RAC的上行直传消息后，从NAS消息中解析出IMEI后，将IMEI写入到UE表中，需要判断UE表中RRC的建立原因，如果是Terminating-causeunknown，该IMEI信息不需要给CN回复。然后给CC回复IMEI查询成功指示消息。

(3)修正值确定

本项目选取一款使用数量较多，且上报TA值稳定的终端，其默认的定位修正值为0，并在每个基站的天线处，通过多次测量TA值，然后取平均值的方法确定各个基站的TA修正值；并通过多次计算，确定出基站修正距离Ud(uepathdistance)、终端修正距离Td(terminaldistance)、阶段修正距离Pd(partdistaice)，并配置各基站最大定位范围Md(maximumdistance)为基站间距离，确定修正值后，存入修正值表中。

(4)距离计算方法

定位中心收到一条定位消息，转换为对应表的数据结构，并进行下一步判断。根据终端所在小区CELLID，判断终端位置是在地面还是井下。如果是井上，计算结束。如果是井下，根据IMEI确定终端类型。根据终端类型调用系统中储存的相关修正值。根据测量值减去修正值，得到修正后的测量值。

3.结束语

通信联络系统是煤矿安全生产六大系统之一，矿井安全生产中具有重要的作用。矿用TD-SCDMA无线通信系统是近年来在煤矿安装应用较多的一种无线通信系统。本文提出了一种基于TD-SCDMA无线通信系统的手机终端定位技术，该定位技术是基于移动终端上报的TA值，不需要额外增加其它定位设备，系统成本较低；且系统的定位误差约为15米，相比原有的基站小区定位技术有很大提高。经实际应用表明，该定位系统能满足矿井对手机定位应用的需求。

作者：顾义东 单位：天地（常州）自动化股份有限公司 中煤科工集团常州研究院有限公司