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煤矿井下生产环境复杂、恶劣,且缺乏可靠的井下人员定位技术,因此事故隐患极大。近年来,地面移动通信及其各种先进技术不断发展成熟,为井下人员定位技术的发展提供了强有力的技术支持。本文主要研究了井下无线信道特性和井下无线定位技术,对于在井下应用无线定位技术的可行性进行了分析和论证,在此基础上将TOA、TDOA和RSS无线定位技术应用于井下人员定位中,并用Matlab对各种定位方法进行了仿真试验。
首先,对于煤矿井下无线信道特性的研究,本文在分析和总结现有理论的基础上,对井下无线信道的时间、频率、空间选择性和相关性进行了讨论,并对其统计特征进行了全面的分析。同时,根据电磁波在井下巷道中传播的特点建立了井下无线信道的射线传输模型,仿真结果表明模型是有效性。
其次,对地面无线定位的四种方法 (RSS、TOA、TDOA、AOA)在井下应用的情况分别进行了分析,得出了RSS、TOA和 TDOA法可用于井下人员定位的结论。在深入分析当前定位算法基础上,实现了一种可同时估计人员位置和信号发射时间的井下TOA定位算法;受地面TDOA定位的Fang氏算法的启发,实现了一种简单的井下TOA定位算法—Fang-TOA算法,并且对井下应用两基站进行TOA定位的可行性进行了论证。同时,对井下TDOA定位算法进行了研究。对以上各算法分别在高斯噪声环境和NLOS环境下进行了仿真实验,仿真结果表明上述算法具有较好的定位效果。
最后,对基于LS算法的混合模型和修正的对数距离损耗模型的RSS定位法分别在不同高斯误差环境和NLOS环境下进行了仿真实验。仿真结果表明,在最大NLOS误差达到5m时,基于LS的RSS定位法仍具有一定的定位精度。