地下扫描卫星高精度跟踪定位方法及关键技术研究

The premise and foundation of underground unmanned mining is high precision tracking and positioning technology. However, the accurate of existing tracking position methods in underground coal mine is low. Especially, it can not meet the high precision tracking and positioning requiremnet of mining equipment in underground working space. Now the urgent resolving key scientific issue of unmanned mining is to realize the real-time tracking and precise positioning of mining equipment in the underground working space. Therefore, a novel method of underground scanning satellite positioning is proposed in this project, which is based on the combination of GPS localization theory and laser scanning technology. This project will be based on this theory, to study the high precision tracking positioning key technology of mining equipment using underground scanning satellite in mining working space. The combination methods of theoretical analysis and experimental study are used to solve the following key issues: l) The working principle and implementation method of obtaining the target space angle information using nderground scanning satellite are studied. 2) The positioning algorithm of fast adaptive tracking position of underground scanning satellite in mine working space complex conditions is studied. 3) The dynamic error transfer law and the intelligent compensation effective method of underground scanning satellite in constrained mining working space are studied. Finally, the real-time tracking and high precise positioning to the mining equipment in the underground is realized. The research results will provide a new positioning method and technical support for underground unmanned mining, and have the positive application value and broad application prospects in the mining and metallurgy, underground transport, tunnel engineering.

高精度跟踪定位技术是实现地下无人采掘的前提和基础，但目前煤矿井下现有跟踪定位方法的精度都不高，尤其不适合采掘作业空间中采掘装备的高精度跟踪定位要求。因此，如何提高采掘作业空间中采掘装备的跟踪定位精度是地下无人采掘所面临的一个亟待解决的关键科学问题。本项目提出一种基于GPS定位理念和激光扫描技术相融合的新型精确定位方法-地下扫描卫星定位法，并在此理论基础上，研究地下扫描卫星在无GPS信号的采掘作业空间中对采掘装备高精度跟踪定位关键技术。包括：l)地下扫描卫星自动精确获取被测目标空间角度信息原理与实现方法；2)复杂条件下地下扫描卫星自适应快速跟踪定位算法；3)约束空间中地下扫描卫星定位系统动态误差的传递规律及智能化补偿的有效方法。实现对采掘装备的实时跟踪和高精度定位，研究成果为地下无人采掘提供新的定位方法和技术支持，在采矿冶金、地下交通、隧道工程等领域具有具有积极的应用价值和广阔的应用前景。

实现无人化采掘是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，也是解决我国煤矿安全、高效、绿色开采问题的技术跨越，而高精度跟踪定位技术实现无人化采掘的前提和基础。为此，本项目提出一种基于GPS定位理念和激光扫描技术相融合的新型精确定位方法—地下扫描卫星定位法，围绕地下扫描卫星在无GPS信号的采掘作业空间中对采掘装备高精度跟踪定位理论与方法展开研究，完成了任务书中规定的要求，实现了预期研究目标，取得了一系列研究成果。.①提出了地下扫描卫星自动精确获取被测目标位置信息基本理论，建立了基于双卫星基站来精确计算接收器位置的数学模型；从井下环境以及不同基站区分的角度，建立了基站转台上发射出的扇面激光的水平偏转角度θ与垂直偏转角度α之间关系；利用时间信号规律准确判断出不同基站与不同扇面激光特征；依据地下工作环境的实际工况给出了卫星基站的最优布置方法。.②分析了地下扫描卫星高精度跟踪定位理论，给出了地下扫描卫星系统的整体技术方案，并研制了地下扫描卫星硬件系统，包括：卫星基站θ与α角度的实现，卫星基站的电气控制，零位信号的发射装置；接收器以及接收电路；软件系统包括接收器接收信号程序以及坐标计算的算法；最后推导出了地下扫描卫星自适应跟踪定位算法。.③对研制的地下扫描卫星系统进行了大量的试验研究及误差补偿，试验结果表明地下扫描卫星系统的三维定位精度为0.017863m/m；分析了卫星基站的安装误差及接收器尺寸大小对定位精度的影响并对其进行了误差补偿，补偿后的三维定位精度达到0.013173m/m；针对卫星基站转台的倾斜度影响的问题，建立利用水平尺测量近似倾斜程度的理论模型。.以上研究成果可为地下无人采掘提供新的定位方法和技术支持，在采矿冶金、地下交通、隧道工程等领域具有积极的应用价值和广阔的应用前景。