煤矿工作面动目标精确定位关键技术研究

With the progress of coal mining, coal face and its devices will shift continuously, disabling the positioning methods based on anchor nodes. Besides, the time-varying property of physical communication space in coal face makes those traditional positioning algorithms work poor. To solve these problems, we make use of wireless sensors forming a positioning network, which can move with devices. In this scheme, WSN can decide whether self-positioning or not. All localization nodes will assemble one smart antenna. In this project, localization nodes searche signals of destination node through parallel ecological niche searching algorithm, and then evaluate the signals' direction of arrival. Second, we will study the precise time estimating and synchronizing technologies based on early-warning transformation, drifting compensation and clock correction, and then research the self-repair methods under nodes fault. Through these works, we can get precise delays for object positioning. In the end, we will take the subspace decomposition update technology into consideration to develop a adaptive DOA tracking algorithm based on angle-locked loop, and then employ DOA and precise time estimating technology or AOA to get the destination's coordinates.

煤矿工作面以及工作面中部署的设备会随着生产的进行而不断推进，使得基于锚节点的定位方法失效。同时，工作面物理通信空间时刻变化的特性使得传统的定位算法效果不佳。本项目采用无线传感器构成定位网络，让网络随着设备的移动而移动，解决工作空间不断移动的难题。系统可以根据需要，决定是否对WSN网络进行自定位。定位节点上配备智能天线，让其通过并行的小生境搜索算法搜索目标节点信号，估计目标信号的到达角度。研究基于预警转换、漂移补偿和时钟校准的精确时间估计与同步技术，以及节点故障下的自修复技术，为定位网络提供精确的时延。在子空间分解更新技术的基础上，采用基于锁角环路的自适应DOA跟踪算法和精确的时间估计技术(或AOA)对工作面区域内的目标进行实时定位追踪。

本项目的目标是解决煤矿工作面动态推进、通信空间时变场景下的动目标精确定位难题。项目围绕煤矿巷道自适应DOA估计方法、高精度时间估计与同步方法、煤矿工作面精确定位方法展开，完满完成了研究任务，实现了预期研究目标，取得了一系列原创性成果。.在煤矿巷道自适应DOA估计方法方面，针对井下多径环境形成的相干信源对DOA估计的影响，提出了前后向平滑的相关信号DOA估计方法，以及基于Toeplitz算法的解相干DOA 估计方法，它们比单纯的前向平滑具有更好的DOA分辨力，解决了在矿井目标定位中DOA估计性能将受到严重影响、甚至无法分辨出波达方向的难题。.在高精度时间估计与同步方法方面，明确了工作面定位WSN的时间同步影响因素，提出了一种按需分层的时间同步算法和一种广播参考消息定时同步算法，它们都是层次性的时间同步协议，对煤矿巷道环境具有很好的适应能力，同步精度高，解决了煤矿工作面TOA或TDOA难以精确同步时钟的难题。.在煤矿工作面精确定位方法方面，创新性的提出了煤矿巷道环境的移动信标辅助定位机制和方法、基于证人节点的目标定位、基于双标签的目标定位、基于可见光通信技术的目标定位等方法，它们分别适用于定位信标稀疏或灾后场景、已经部署有一定物联网感知节点的场景。这些方法新颖的定位思路，为提高定位精度开辟了新的路径。.在研究成果方面，出版学术专著1部；发表学术论文12篇，其中SCI检索2篇，EI检索6篇；申请发明专利7项；研发成功矿井定位演示系统，可在统一的三维工作面模型中全面展示研究成果；研发成功矿井定位实物系统，并经过权威检测机构的性能检测。这些成果不但可以辅助确定支架支撑强度、割煤高度和深度，以便对生产过程进行调度监控；而且可在发生矿难之时准确确定受困矿工位置，以便快速制定营救方案。