一种基于传播模型的井下人员定位算法

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1、http://www.paper.edu.cn一种基于传播模型的井下人员定位算法朱勇大连理工大学电子与信息工程学院计算机系，辽宁大连（116023）E-mail：zhuyoong@yahoo.cn摘要：本文提出了一种基于传播模型的井下人员定位算法。分析了电磁波在自由空间的传播模型；针对井下巷道的特殊环境，结合电磁波在自由空间的传播模型拟合出了井下巷道的传播模型；设计了井下巷道定位网络的拓扑结构及其传播模型的配置形式；详细描述了基于传播模型的定位算法；通过大量实验测试，结果表明，算法性能好、运行速度快、定位精度高，满足各种规模的煤矿井下人员定位的需要。关键词

2、：传播模型；定位；ZigBee中图分类号：TP393.171.引言煤炭工业在我国国民经济建设中占有重要地位，但是由于井下的潮湿、易爆等恶劣的环境，井下安全一直是一个备受关注的问题。当井下出现危险情况时，如果能够实现对井下人员的定位，让地面工作人员知道井下人员的位置，以便开展有效的救援工作，这对井下工作[1]人员的人身安全有着十分重要的意义。随着移动通信及其业务的快速发展，无线定位技术受到了广泛的关注，各种无线定位的解决方案和定位算法大量涌现。相比之下，井下无线通信环境的恶劣性和复杂性，严重阻碍了井下无线定位技术的发展。对于井下人员定位，最早的是采用IC卡、

3、手纹识别技术和红[2]外线编码技术，这些技术只能实现简单的人员考勤，无法很好地解决对多个移动的物体和人员进行快速识别和跟踪定位。[3]目前，国内外各矿井广泛采用的井下人员跟踪定位系统均采用RFID技术和基于Intranet的Web技术开发设计，以无线采集、有线传输的方式对井下人员实行定位，这种方法只能将人员定位在基站附近的一个区域范围内。因此，用现有的无线定位技术对井下人员进行精确的定位是一个意义重大的研究方向。Zigbee技术为井下人员定位提供了良好的硬件平台。文中采用Chipcon公司的CC2430ZigBee片上系统构建硬件平台，在综合分析了2.4G

4、Hz高频信号传播损耗特性的基础上，结合井下巷道的地形结构特点，提出一种基于RSSI的，简洁高效的、专门适用于井下人员的定位算法。2.传播模型分析电磁波传播损耗特性的研究方法通常可以分为以下三种模式：（1）经验模式；（2）确[4]定性模式；（3）半经验或半确定性模式。经验模式是根据大量的测量结果统计分析后导出的公式。用经验模式预测传播损耗的方法简单，不需要相关环境的详细信息，而且可以很容易和快速地应用它们，但是不能提供非常精确的传播损耗估算值。确定性模式是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。目前基于确定性模式的方法已经有很多种，但在许多环境情况下，确

5、定性的无线传播损耗模型预测是一种极其复杂的电磁问题，这使它不可能预测高度精确的无线传播。半经验或半确定性模式是基于经验模式和确定性模式的一种折中的方法。它是基于确定性方法用于一般环境中导出的等式。为了改善它们和实验结果的一致性，则需要对等式进行-1-http://www.paper.edu.cn修正。2.1自由空间的传播模型电磁波在自由空间中传播时，其能量没有介质损耗。[5]自由空间的传播模型为⎡Pr(d0)⎤d0P(d)dBm=10log+20log()r10⎢⎥10⎣0.001W⎦d其中d≥d，d为发射－接收距离，单位为米(m)，d为一个已知的接收功率

6、参考点，00单位为米(m)，P(d)为参考点的接收功率，单位为瓦(W)，P(d)为与发射天线相距d远r0r处的接收功率，单位为dBm。但是，现实中由于各种干扰的存在，电磁波的衰减规律与上述模型有较大差异。ZigBee规范直接使用了IEEE802.15.4协议所定义的物理层，采用2.4GHz信号传输数据，频率高、波长短，受环境干扰尤为明显。2.2井下巷道传播模型自由空间是一种理想环境。井下环境恶劣，巷道内处于悬浮状态的煤尘和岩尘对电磁波的传播产生很大影响，它们的存在消耗了电磁场的能量，因此实际应用中采用半经验半确定性模式对自由空间的传播模型进行了修正。实验中

7、，使用TI公司的CC2430ZDK硬件平台以及SmartRFStudio软件，在一个与井下巷道结构相似的防空洞巷道的不同地段进行测量，测试数据如表1所示。表1防空洞传播损耗测试数据距离(m)强度1(dBm)强度2(dBm)强度3(dBm)强度4(dBm)强度5(dBm)5-76.94-76.85-77.12-77.03-76.9110-79.96-80.44-79.62-80.25-80.1320-85.51-83.46-84.26-85.07-83.9230-84.55-85.21-84.95-84.76-85.1840-85.62-85.95-86.0

8、7-85.74-85.2350-89.44-88.98-89.94