針對(duì)紅柳林煤礦對(duì)井下快速移動(dòng)目標(biāo)定位的需求，提出了一種基于UWB技術(shù)的高精度定位系統(tǒng)。采用自主研發(fā)的UWB定位模塊，通過(guò)TOA測(cè)距算法和改進(jìn)的Chan算法實(shí)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(yùn)輸巷道中進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)于移動(dòng)速度小于10m/s的目標(biāo)，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(yīng)井下復(fù)雜多變環(huán)境，可為井下人員跟蹤、設(shè)備監(jiān)控等提供技術(shù)支撐。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學(xué)術(shù)園地”專(zhuān)欄

作者簡(jiǎn)介：常波峰，高級(jí)工程師，現(xiàn)任陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司黨委副書(shū)記、總經(jīng)理，主要從事安全生產(chǎn)、企業(yè)運(yùn)營(yíng)、智能礦山建設(shè)等相關(guān)技術(shù)研究及管理工作。E-mail：1403620280@qq.com

作者單位：陜煤集團(tuán)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(dòng)目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)在紅柳林煤礦的應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(1)：94-98.

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隨著煤礦智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，井下人員和設(shè)備的高精度定位需求日益迫切。然而，井下環(huán)境復(fù)雜多變，存在空間受限、信號(hào)遮擋、多徑效應(yīng)等諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)定位技術(shù)如GPS、RFID等難以滿(mǎn)足高精度定位需求。近年來(lái)，超寬帶（UWB）技術(shù)因其納秒級(jí)時(shí)間分辨率、強(qiáng)抗干擾能力和厘米級(jí)定位精度，在井下定位領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。

針對(duì)陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)公司（簡(jiǎn)稱(chēng)紅柳林煤礦）井下快速移動(dòng)目標(biāo)定位需求，提出了一種改進(jìn)的UWB定位系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化TOA測(cè)距算法降低時(shí)鐘同步要求，改進(jìn)Chan定位算法提高抗多徑性能，并結(jié)合IMU數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)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(wàn)t/a。井田面積138.37km2。主采5-2煤層，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，正常涌水量超過(guò)1400m3/h。屬低瓦斯礦井，礦井采用斜井開(kāi)拓，設(shè)有6條井筒，形成5個(gè)盤(pán)區(qū)。截至2023年，剩余可采儲(chǔ)量11.35億t，服務(wù)年限46.7年，井下環(huán)境的復(fù)雜多變對(duì)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(shè)計(jì)

井下高精度定位系統(tǒng)采用主從式分層架構(gòu)，由中央服務(wù)器、基站節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽3部分組成。

（1）中央服務(wù)器

系統(tǒng)核心為中央服務(wù)器，負(fù)責(zé)配置管理、數(shù)據(jù)處理與融合、定位算法實(shí)現(xiàn)以及與上層應(yīng)用的通信。

（2）基站節(jié)點(diǎn)

基站節(jié)點(diǎn)布設(shè)在井下巷道的關(guān)鍵位置，每個(gè)基站配備UWB無(wú)線(xiàn)通信模塊和TOA測(cè)距模塊，用于與移動(dòng)標(biāo)簽交互并記錄測(cè)距原始數(shù)據(jù)。

（3）移動(dòng)標(biāo)簽

移動(dòng)標(biāo)簽攜帶在人員或帖子設(shè)備上，內(nèi)置UWB收發(fā)模塊和慣性測(cè)量單元（IMU），與基站進(jìn)行雙向通信和距離測(cè)量。

井下高精度定位系統(tǒng)工作流程為移動(dòng)標(biāo)簽周期性地向基站發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求，基站接收到請(qǐng)求后，與標(biāo)簽進(jìn)行多輪測(cè)距交互，獲取1組TOA數(shù)據(jù)，并附加時(shí)間戳后上傳至中央服務(wù)器。服務(wù)器匯總多個(gè)基站的測(cè)距數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)間同步和離群值剔除等預(yù)處理后，利用改進(jìn)的Chan算法計(jì)算標(biāo)簽的三維坐標(biāo)，并結(jié)合IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行融合濾波，得到高精度定位結(jié)果。井下高精度定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 井下高精度定位系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 井下高精度定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)井下復(fù)雜環(huán)境，井下定位系統(tǒng)的中央服務(wù)器、基站節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽在硬件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了2個(gè)方面設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

（1）基站節(jié)點(diǎn)采用雙天線(xiàn)MIMO架構(gòu)提高信號(hào)質(zhì)量，優(yōu)化了UWB射頻前端設(shè)計(jì)，重點(diǎn)改進(jìn)天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)和PCB布局，使發(fā)射功率提升至-41.3dBm/MHz，接收靈敏度為-93dBm?；局骺剡x用STM32F407單片機(jī)（主頻168MHz），實(shí)現(xiàn)了UWB與IMU數(shù)據(jù)的硬件級(jí)融合，針對(duì)井下潮濕環(huán)境，設(shè)計(jì)了三級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)和EMC屏蔽。

（2）移動(dòng)標(biāo)簽采用可重構(gòu)天線(xiàn)陣列，通過(guò)優(yōu)化TOA測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)10ps精度測(cè)量。設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)策略，使標(biāo)簽續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)50%，尺寸為85mm×45mm×12mm。中央服務(wù)器采用雙機(jī)熱備架構(gòu)，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(shè)計(jì)

井下定位系統(tǒng)軟件采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、定位算法層和應(yīng)用服務(wù)層。軟件各模塊均采用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，利用多線(xiàn)程并行處理提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，軟件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 井下高精度定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架

（1）數(shù)據(jù)采集層在基站節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽上運(yùn)行，負(fù)責(zé)控制UWB測(cè)距過(guò)程，并將原始測(cè)距數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)打包上傳至服務(wù)器。

（2）數(shù)據(jù)處理層接收來(lái)自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)距數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間同步、離群值剔除等預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

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

（4）應(yīng)用服務(wù)層基于定位結(jié)果，提供人員跟蹤、電子圍欄、距離報(bào)警等服務(wù)，并通過(guò)WebSocket與上層應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。各層之間通過(guò)明確定義的API接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)。

井下高精度定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 兩步TOA測(cè)距算法

系統(tǒng)采用兩步TOA算法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。該算法通過(guò)基站與標(biāo)簽之間的雙向雙程測(cè)距消除時(shí)鐘偏差，無(wú)需時(shí)間同步即可獲得準(zhǔn)確距離。為了進(jìn)一步提高測(cè)距精度，系統(tǒng)在算法中引入了線(xiàn)性回歸和卡爾曼濾波。通過(guò)多次測(cè)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(xiàn)性關(guān)系，減小測(cè)量噪聲的影響。將RTT測(cè)量值與IMU估計(jì)值輸入卡爾曼濾波器，動(dòng)態(tài)跟蹤距離變化，平滑測(cè)距結(jié)果。TOA測(cè)距算法流程如圖3所示。

圖3 TOA測(cè)距算法流程

3.2 改進(jìn)的Chan定位算法

系統(tǒng)基于Chan算法進(jìn)行定位，并針對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)后的定位算法主要采用基于UWB信號(hào)質(zhì)量（信噪比和功率延遲比）動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)距數(shù)據(jù)的權(quán)重，自適應(yīng)權(quán)重策略降低不良測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；采用迭代方式不斷優(yōu)化目標(biāo)位置估計(jì)，提高定位精度和可靠性。改進(jìn)Chan算法定位流程如圖4所示。

圖4 改進(jìn)Chan算法定位流程

通過(guò)分析UWB信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和能量分布，識(shí)別出受到NLOS影響的測(cè)距值，并利用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)其進(jìn)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(yùn)動(dòng)估計(jì)進(jìn)行融合，動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)的位置和速度。改進(jìn)后的Chan算法在井下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位，靜態(tài)定位精度為20cm，動(dòng)態(tài)定位精度為30cm，滿(mǎn)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(yīng)卡爾曼濾波器，根據(jù)井下環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)時(shí)調(diào)整噪聲協(xié)方差矩陣，提高了定位估計(jì)的精確度和魯棒性。采用多模型融合策略，結(jié)合基于UWB的TOA定位、IMU的航位推算和基于場(chǎng)景地圖匹配等多種定位方法，利用貝葉斯框架對(duì)不同模型的定位結(jié)果進(jìn)行融合，提升定位可靠性。

（2）在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，優(yōu)化了UWB測(cè)距協(xié)議，減小了空中傳輸時(shí)延，提高了測(cè)距效率。采用改進(jìn)的時(shí)間同步方案，通過(guò)分布式Kalman濾波實(shí)現(xiàn)基站間的高精度同步，同步誤差降至納秒級(jí)。

（3）在硬件設(shè)計(jì)中采用了低功耗、高可靠的UWB收發(fā)機(jī)，提高了系統(tǒng)的電池續(xù)航能力和環(huán)境適應(yīng)性；設(shè)計(jì)了基于壓縮感知的信道估計(jì)算法，通過(guò)稀疏表示和重構(gòu)技術(shù)準(zhǔn)確估計(jì)直達(dá)路徑，降低了多徑干擾；優(yōu)化了天線(xiàn)布局和射頻前端電路，提升信號(hào)的穿透能力和抗干擾能力。

井下高精度定位系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 定位測(cè)試環(huán)境與方案

井下高精度定位系統(tǒng)測(cè)試選取紅柳林煤礦井下掘進(jìn)工作面，測(cè)試采用分層分區(qū)策略，在不同區(qū)域布設(shè)多個(gè)基站，形成局部定位網(wǎng)絡(luò)。受試者攜帶移動(dòng)標(biāo)簽，模擬實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景中行走、奔跑、爬行等動(dòng)作。

測(cè)試方案設(shè)計(jì)了多種測(cè)試用例和評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位精度、可用性、連續(xù)性等。統(tǒng)計(jì)分析不同區(qū)域和工況下的定位結(jié)果，并記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和資源消耗數(shù)據(jù)，全面評(píng)估了系統(tǒng)性能和可靠性。同時(shí)利用高精度測(cè)量設(shè)備獨(dú)立采集受試者真實(shí)軌跡，作為定位精度評(píng)估基準(zhǔn)。定位系統(tǒng)測(cè)試方案如圖5所示。

圖5 定位系統(tǒng)測(cè)試方案框架

4.2 靜態(tài)定位精度測(cè)試

（1）在礦井內(nèi)選取了10個(gè)具有代表性的測(cè)試點(diǎn)，覆蓋了不同的區(qū)域和環(huán)境條件。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)受試者攜帶移動(dòng)標(biāo)簽保持靜止?fàn)顟B(tài)，連續(xù)采集30min定位數(shù)據(jù)。同時(shí)，使用全站儀對(duì)測(cè)試點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)量，作為定位誤差計(jì)算的基準(zhǔn)。

（2）比較定位結(jié)果與基準(zhǔn)坐標(biāo)之間的差異，計(jì)算出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(jì)分析每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的定位誤差，評(píng)估定位精度的穩(wěn)定性，計(jì)算出均值（Mean）、標(biāo)準(zhǔn)差（STD）指標(biāo)，靜態(tài)定位精度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 靜態(tài)定位精度測(cè)試結(jié)果

表1測(cè)試結(jié)果表明：在10個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，水平定位平均誤差為8.7～14.3cm，其中測(cè)試點(diǎn)F精度最高為8.7cm，測(cè)試點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試

礦井內(nèi)布設(shè)了長(zhǎng)度約為500m的測(cè)試路線(xiàn)，覆蓋了直線(xiàn)、拐角、上坡、下坡等多種典型路段。受試者攜帶移動(dòng)標(biāo)簽以分別為1、2、3m/s不同速度沿測(cè)試路線(xiàn)行走，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄標(biāo)簽的定位軌跡；同時(shí)，利用激光跟蹤儀高精度采集受試者的真實(shí)軌跡，作為定位誤差計(jì)算基準(zhǔn)。

比較定位軌跡與基準(zhǔn)軌跡之間的差異，計(jì)算出不同速度下的定位誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，包括平均誤差、最大誤差和誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。移動(dòng)速度增加，定位誤差呈上升趨勢(shì)，總體誤差均<30cm，滿(mǎn)足井下動(dòng)態(tài)定位的精度需求。

表2 動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試結(jié)果

4.4 系統(tǒng)可靠性測(cè)試

測(cè)試在礦井內(nèi)選取了3個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)了10個(gè)基站節(jié)點(diǎn)，連續(xù)運(yùn)行72h。測(cè)試期間，定期檢查系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，記錄各項(xiàng)可靠性指標(biāo)，包括系統(tǒng)正常工作時(shí)間、故障次數(shù)、平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）等。為了考核系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)模擬了高溫、潮濕、粉塵、振動(dòng)等各種惡劣工況，評(píng)估系統(tǒng)在極端條件下的工作表現(xiàn)，可靠性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 可靠性測(cè)試結(jié)果

在3個(gè)測(cè)試區(qū)域內(nèi)，井下高精度定位系統(tǒng)平均正常工作時(shí)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(jié)

（1）基于UWB技術(shù)的井下快速移動(dòng)目標(biāo)高精度定位系統(tǒng)采用雙向雙程TOA測(cè)距與改進(jìn)Chan算法相結(jié)合的方案，在井下復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)精度優(yōu)于20cm、動(dòng)態(tài)精度優(yōu)于30cm的定位效果，定位刷新率為50Hz，滿(mǎn)足了井下快速移動(dòng)目標(biāo)的精確定位需求。

（2）引入自適應(yīng)權(quán)重機(jī)制和NLOS識(shí)別修正等創(chuàng)新方法，有效克服了井下多徑效應(yīng)影響。在紅柳林煤礦井下72h連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)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(lái)研究將重點(diǎn)關(guān)注分布式組網(wǎng)和低功耗設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的應(yīng)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(tuán)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(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)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(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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