具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种井下定位系统及定位方法，以解决现有井下定位方法定位不精确的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的井下定位系统的结构示意图。参见图1，本发明提供的井下定位系统包括：地面控制中心1、地面网关2、井下网关3、多个安装在井下的定位器4和多个井下人员或井下设备携带的定位标识卡5。

所述地面控制中心1采用CAN总线连接地面网关2，地面网关2采用CAN总线连接井下网关3，井下网关3通过CAN总线连接多个定位器4。定位标识卡5与定位器4之间通过射频信号进行通信。

多个所述定位器4顺序安装在井下巷道的井道壁上，定位器4初始化时，地面控制中心1为每个所述定位器4配置唯一的定位器编号。各个定位器编号及定位器安装位置都存储在所述地面控制中心1的数据库中。

所述定位器4包括定位器处理器、射频信号接收模块以及必要的CAN接口和电源等设备。所述定位标识卡5包括标识卡处理器、射频信号发射模块以及必要的电源等设备。所述CAN总线上附带漏泄电缆，所述漏泄电缆的井下部分设有多个漏泄通孔，所述漏泄通孔用于将地面控制中心1对定位标识卡5的操作指令发送至各个定位标识卡5，还用于发送为定位器4充电的强电磁波。

所述定位标识卡5中的标识卡处理器与射频信号发射模块连接。所述定位标识卡5初始化时，地面控制中心1为每个所述定位标识卡5配置唯一的定位标识卡编号，并将定位标识卡编号存储在所述标识卡处理器中。所述标识卡处理器用于设定所述射频信号发射模块的发射功率和工作频率，并将自身的定位标识卡编号、发射功率和工作频率进行压缩和信号调制后通过射频信号发送出去。

所述定位器4中的定位器处理器与射频信号接收模块连接。所述射频信号接收模块用于接收多个定位标识卡5发出的射频信号。所述射频信号接收模块将接收到的射频信号发送至定位器处理器。所述定位器处理器对所述射频信号进行解压和调制解调处理，得到所述射频信号对应的定位标识卡编号、发射功率和工作频率，同时所述定位器处理得到所述射频信号的接收功率。所述定位器将所述射频信号对应的定位标识卡编号、发射功率、工作频率和接收功率再次进行压缩后，生成射频信号压缩包。所述射频信号压缩包通过CAN总线，由井下网关3、地面网关2依次传送至所述地面控制中心1。所述地面控制中心1根据所述射频信号压缩包中的信息对携带定位标识卡的井下人员或设备进行准确定位。

根据本发明提供的井下定位系统，本发明还提供一种井下定位方法，所述井下定位方法包括以下步骤：

步骤1，井下定位系统的安装及连接。

按照图1所示结构连接地面控制中心1、地面网关2和井下网关3。在井下巷道中沿井道壁布设与CAN总线连接的多个定位器4。定位器4布设时从巷道口开始向各巷道深处布设。

根据井下环境，不同位置的相邻两个定位器4之间的间距可以不同。具体的，在笔直的巷道中定位器布设可以稀疏一些，巷道拐弯处定位器布设密集一些。优选的，在较为笔直的巷道中每隔50～70米布设一个定位器4，在巷道拐弯处每隔10～20米布设一个定位器4。其中较为笔直的巷道是指弯曲角度小于等于30°的巷道，弯曲角度大于30°的巷道视为巷道拐弯处。因为本发明方法在较为笔直的巷道中定位精度更高，因此通过在巷道拐弯处布设更加密集的定位器来达到与笔直巷道同等级的定位精度。

步骤2，定位器及定位标识卡初始化。

完成定位器的布置之后，地面控制中心1为每个所述定位器4配置唯一的定位器编号，在地面控制台1的数据库中记录每个定位器的编号以及对应的井下位置。所述数据库可采用微软的SQL Server2000等现有的各种数据库软件系统实现。

对井下人员携带的定位标识卡5进行初始化处理，地面控制中心1为每个所述定位标识卡5配置唯一的定位标识卡编号，并将定位标识卡编号存储在所述标识卡处理器中。

给每个需要定位的井下工作人员或者移动机械设备分配定位标识卡，并在地面控制台1的数据库中记录每个定位标识卡的编号，以及所对应员工或者移动机械设备的信息。

步骤3，射频信号的发送和接收。

定位标识卡5每隔一段时间发送含有定位标识卡编号、发射功率和工作频率的射频信号。所述射频信号的发送时间间隔可取决于巷道内定位器的摆放间隔以及定位标识卡的移动速度。

优选的，所述时间间隔小于定位标识卡5从一个定位器移动到邻近的下一个定位器所需要的时间，例如，当定位对象为工作人员时，所述时间间隔为10～15秒，当定位对象为移动机械设备时，所述时间间隔可取1～2秒钟，也可根据实际的使用要求取值。

定位器4接收定位标识卡5发送的射频信号，并记录接收到的射频信号的接收功率，定位器将定位标识卡编号、与所述定位标识卡编号对应的发射功率、工作频率以及定位器编号及与所述定位器编号对应的接收功率进行压缩后，生成射频信号数据包，并发送至地面控制中心1。

步骤4，人员或设备的精确定位。

地面控制中心1接收到射频信号数据包后，对照数据库中存储的数据进行定位操作。

地面控制中心1接收到来自多个定位器4的多个数据包，多个数据包又分别来自多个定位标识卡5。地面控制中心1首先将射频信号数据包解压，得到定位标识卡编号，以及该编号的定位标识卡对应的发射功率、接收功率和工作频率。本发明将编号为i的定位标识卡的发射功率记为PO_i。对于编号为i的定位标识卡，同时有N个定位器接收到了其发射的编号为i的射频信号，该编号为i的射频信号到达第n个定位器时的接收功率为PI_in，其中n≤N。

判断N个接收器的接收功率集合{PI_i1，PI_i2，...，PI_iN}中各接收功率的大小，选择编号为i的定位标识卡对应的接收功率集合{PI_i1，PI_i2，...，PI_iN}中最大的两个接收功率PI_ia和PI_ib进行井下定位计算。根据功率传输过程的衰减规律，通常情况下距离越远衰减越大，距离越近衰减越小。因此PI_ia和PI_ib分别对应的编号为a的定位器以及编号为b的定位器是与编号为i的定位标识卡距离最近的两个定位器，根据编号为a的定位器以及编号为b的定位器的位置可以知道编号为i的定位标识卡所处的大概区域，即可以实现井下人员的粗定位。进一步还可以根据射频信号数据包中的其他数据进行井下人员的精准定位。

当N≤2时，表示只有两个以下的定位器接收到了定位标识卡发出的射频信号，表明携带定位标识卡的人员或设备已经远离了定位器布设区域，此时携带该定位标识卡的人员或设备很可能进入了未开发的危险区域，并且也无法对其进行精准定位。此时可以通过井下广播对携带该编号为i的定位标识卡的人员或设备发出警报。

对于编号为i的定位标识卡对应的第n个定位器，其接收功率为PI_in，编号为i的定位标识卡的发射功率为PO_i，采用下式(1)计算编号为i的定位标识卡发射的射频信号传输过程中的功率损耗：

PLOS_in＝PO_i-PI_in (1)

其中PLOS_in表示编号为i的定位标识卡发射的射频信号传输过程中的功率损耗，单位为MW(兆瓦)。PO_i表示编号为i的定位标识卡的发射功率，PI_in表示编号为i的射频信号到达第n个定位器时的接收功率。

根据公式(2)将射频信号传输过程的功率损耗换算为传输损耗：

LOS_in＝10log PLOS_in (2)

其中LOS_in表示编号为i的射频信号到达第n个定位器时的传输损耗，单位为dBm(分贝毫瓦)。

根据传输损耗计算编号为i的定位标识卡与编号为n的定位器之间的距离D_in：

LOS_in＝K+32.44+20lg D_in+20lg f_i (3)

其中D_in表示编号为i的定位标识卡与编号为n的定位器之间的距离；LOS_in表示射频信号由编号为i的定位标识卡传输至编号为n的定位器过程中的传输损耗；K表示损耗修正系数，由于射频信号要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的修正系数计入上式中，能够提高定位的准确性。f_i表示编号为i的定位标识卡发射的射频信号的工作频率。

图2为本发明提供的井下定位方法的原理示意图。参见图2，将接收功率PI_ia和PI_ib分别代入所述公式(1)～(3)中，计算得到编号为i的定位标识卡与编号为a的定位器之间的距离D_ia以及编号为i的定位标识卡与编号为b的定位器之间的距离D_ib。从地面控制中心1数据库中提取编号为a的定位器与编号为b的定位器之间的距离D_ab。如图2所示，在已知三角形三边边长D_ia、D_ib和D_ab的情况下，采用余弦定理即可求得方位角A_ia或B_ib。采用余弦定理求解方位角A_i或B_i是一种现有的技术，因此在本发明实施例中不再赘述。根据方位角A_ia和距离D_ia即可准确定位编号为i的定位标识卡在井下的位置。

地面控制中心1完成定位计算后，将编号为i的定位标识卡所对应的员工或设备的定位信息以及接收到射频信号数据包的时间储存在数据库中作为历史信息，并把实时的定位信息显示在屏幕上。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。