紅柳林煤礦總經理常波峰：基于 UWB 井下動目標高精度定位系統在紅柳林煤礦的應用

2025年03月07日 15:29 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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針對紅柳林煤礦對井下快速移動目標定位的需求，提出了一種基于UWB技術的高精度定位系統。采用自主研發的UWB定位模塊，通過TOA測距算法和改進的Chan算法實現三維定位。在紅柳林煤礦5-2煤層綜采工作面及其上下運輸巷道中進行了系統測試。測試結果表明，系統對于移動速度小于10m/s的目標，定位精度優于20cm，定位刷新率為50Hz。系統具有良好的魯棒性和可靠性，適應井下復雜多變環境，可為井下人員跟蹤、設備監控等提供技術支撐。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學術園地”專欄

作者簡介：常波峰，高級工程師，現任陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司黨委副書記、總經理，主要從事安全生產、企業運營、智能礦山建設等相關技術研究及管理工作。E-mail：1403620280@qq.com

作者單位：陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司

引用格式：常波峰，郭奮超，胡文斌，等. 基于 UWB 井下動目標高精度定位系統在紅柳林煤礦的應用[J].智能礦山，2025，6(1)：94-98.

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隨著煤礦智能化建設的不斷推進，井下人員和設備的高精度定位需求日益迫切。然而，井下環境復雜多變，存在空間受限、信號遮擋、多徑效應等諸多挑戰，傳統定位技術如GPS、RFID等難以滿足高精度定位需求。近年來，超寬帶（UWB）技術因其納秒級時間分辨率、強抗干擾能力和厘米級定位精度，在井下定位領域得到廣泛關注。

針對陜煤集團神木紅柳林礦業公司（簡稱紅柳林煤礦）井下快速移動目標定位需求，提出了一種改進的UWB定位系統。通過優化TOA測距算法降低時鐘同步要求，改進Chan定位算法提高抗多徑性能，并結合IMU數據實現高精度動態跟蹤。

紅柳林煤礦概況

紅柳林煤礦2011年12月投產，核定生產能力1800萬t/a。井田面積138.37km2。主采5-2煤層，水文地質條件復雜，正常涌水量超過1400m3/h。屬低瓦斯礦井，礦井采用斜井開拓，設有6條井筒，形成5個盤區。截至2023年，剩余可采儲量11.35億t，服務年限46.7年，井下環境的復雜多變對定位系統提出了更高要求。

井下高精度定位系統總體設計

井下高精度定位系統采用主從式分層架構，由中央服務器、基站節點和移動標簽3部分組成。

（1）中央服務器

系統核心為中央服務器，負責配置管理、數據處理與融合、定位算法實現以及與上層應用的通信。

（2）基站節點

基站節點布設在井下巷道的關鍵位置，每個基站配備UWB無線通信模塊和TOA測距模塊，用于與移動標簽交互并記錄測距原始數據。

（3）移動標簽

移動標簽攜帶在人員或帖子設備上，內置UWB收發模塊和慣性測量單元（IMU），與基站進行雙向通信和距離測量。

井下高精度定位系統工作流程為移動標簽周期性地向基站發送測距請求，基站接收到請求后，與標簽進行多輪測距交互，獲取1組TOA數據，并附加時間戳后上傳至中央服務器。服務器匯總多個基站的測距數據，通過時間同步和離群值剔除等預處理后，利用改進的Chan算法計算標簽的三維坐標，并結合IMU數據進行融合濾波，得到高精度定位結果。井下高精度定位系統架構如圖1所示。

圖1 井下高精度定位系統構架

2.1 井下高精度定位系統硬件設計

針對井下復雜環境，井下定位系統的中央服務器、基站節點和移動標簽在硬件設計方面進行了2個方面設計創新。

（1）基站節點采用雙天線MIMO架構提高信號質量，優化了UWB射頻前端設計，重點改進天線匹配網絡和PCB布局，使發射功率提升至-41.3dBm/MHz，接收靈敏度為-93dBm?；局骺剡x用STM32F407單片機（主頻168MHz），實現了UWB與IMU數據的硬件級融合，針對井下潮濕環境，設計了三級防護結構和EMC屏蔽。

（2）移動標簽采用可重構天線陣列，通過優化TOA測距模塊實現10ps精度測量。設計動態功耗調節策略，使標簽續航時間延長50%，尺寸為85mm×45mm×12mm。中央服務器采用雙機熱備架構，配備Inteli7處理器和16GB內存，支持高并發數據處理。

2.2 井下高精度定位系統軟件設計

井下定位系統軟件采用模塊化、層次化的設計架構，分為數據采集層、數據處理層、定位算法層和應用服務層。軟件各模塊均采用C++語言實現，利用多線程并行處理提高系統實時性，軟件設計框架如圖2所示。

圖2 井下高精度定位系統軟件設計框架

（1）數據采集層在基站節點和移動標簽上運行，負責控制UWB測距過程，并將原始測距數據和IMU數據打包上傳至服務器。

（2）數據處理層接收來自多個節點的測距數據，進行時間同步、離群值剔除等預處理，并將處理后的數據存入數據庫。

（3）定位算法層是系統的核心，采用改進的Chan算法和卡爾曼濾波算法，融合UWB測距數據和IMU數據，實現高精度的三維定位。

（4）應用服務層基于定位結果，提供人員跟蹤、電子圍欄、距離報警等服務，并通過WebSocket與上層應用實現實時通信。各層之間通過明確定義的API接口進行數據交互，便于系統的擴展和維護。

井下高精度定位系統關鍵技術

3.1 兩步TOA測距算法

系統采用兩步TOA算法實現高精度測距。該算法通過基站與標簽之間的雙向雙程測距消除時鐘偏差，無需時間同步即可獲得準確距離。為了進一步提高測距精度，系統在算法中引入了線性回歸和卡爾曼濾波。通過多次測量得到1組RTT樣本，利用最小二乘法擬合出RTT與距離之間的線性關系，減小測量噪聲的影響。將RTT測量值與IMU估計值輸入卡爾曼濾波器，動態跟蹤距離變化，平滑測距結果。TOA測距算法流程如圖3所示。

圖3 TOA測距算法流程

3.2 改進的Chan定位算法

系統基于Chan算法進行定位，并針對井下環境進行了優化改進。改進后的定位算法主要采用基于UWB信號質量（信噪比和功率延遲比）動態調整測距數據的權重，自適應權重策略降低不良測量數據的影響；采用迭代方式不斷優化目標位置估計，提高定位精度和可靠性。改進Chan算法定位流程如圖4所示。

圖4 改進Chan算法定位流程

通過分析UWB信號的到達時間和能量分布，識別出受到NLOS影響的測距值，并利用統計模型對其進行修正。采用基于粒子濾波的融合定位算法，將Chan算法的輸出與IMU的運動估計進行融合，動態跟蹤目標的位置和速度。改進后的Chan算法在井下環境中實現了精準定位，靜態定位精度為20cm，動態定位精度為30cm，滿足了井下作業的高精度定位需求。

3.3 定位性能優化

（1）在算法層面，引入自適應卡爾曼濾波器，根據井下環境的動態特性，實時調整噪聲協方差矩陣，提高了定位估計的精確度和魯棒性。采用多模型融合策略，結合基于UWB的TOA定位、IMU的航位推算和基于場景地圖匹配等多種定位方法，利用貝葉斯框架對不同模型的定位結果進行融合，提升定位可靠性。

（2）在系統實現方面，優化了UWB測距協議，減小了空中傳輸時延，提高了測距效率。采用改進的時間同步方案，通過分布式Kalman濾波實現基站間的高精度同步，同步誤差降至納秒級。

（3）在硬件設計中采用了低功耗、高可靠的UWB收發機，提高了系統的電池續航能力和環境適應性；設計了基于壓縮感知的信道估計算法，通過稀疏表示和重構技術準確估計直達路徑，降低了多徑干擾；優化了天線布局和射頻前端電路，提升信號的穿透能力和抗干擾能力。

井下高精度定位系統測試與結果分析

4.1 定位測試環境與方案

井下高精度定位系統測試選取紅柳林煤礦井下掘進工作面，測試采用分層分區策略，在不同區域布設多個基站，形成局部定位網絡。受試者攜帶移動標簽，模擬實際作業場景中行走、奔跑、爬行等動作。

測試方案設計了多種測試用例和評價指標，包括靜態和動態定位精度、可用性、連續性等。統計分析不同區域和工況下的定位結果，并記錄系統運行狀態和資源消耗數據，全面評估了系統性能和可靠性。同時利用高精度測量設備獨立采集受試者真實軌跡，作為定位精度評估基準。定位系統測試方案如圖5所示。

圖5 定位系統測試方案框架

4.2 靜態定位精度測試

（1）在礦井內選取了10個具有代表性的測試點，覆蓋了不同的區域和環境條件。在每個測試點受試者攜帶移動標簽保持靜止狀態，連續采集30min定位數據。同時，使用全站儀對測試點的真實坐標進行精確測量，作為定位誤差計算的基準。

（2）比較定位結果與基準坐標之間的差異，計算出每個測試點的定位誤差，包括水平誤差、垂直誤差和三維空間誤差。

（3）統計分析每個測試點的定位誤差，評估定位精度的穩定性，計算出均值（Mean）、標準差（STD）指標，靜態定位精度測試結果見表1。

表1 靜態定位精度測試結果

表1測試結果表明：在10個測試點中，水平定位平均誤差為8.7～14.3cm，其中測試點F精度最高為8.7cm，測試點G誤差最大為14.3cm；高程定位平均誤差為4.2～6.8cm，優于水平定位精度。三維綜合定位平均誤差均<16cm，標準差<3.8cm，數據表明定位系統具有良好的精度和穩定性。

4.3 動態定位精度測試

礦井內布設了長度約為500m的測試路線，覆蓋了直線、拐角、上坡、下坡等多種典型路段。受試者攜帶移動標簽以分別為1、2、3m/s不同速度沿測試路線行走，系統實時記錄標簽的定位軌跡；同時，利用激光跟蹤儀高精度采集受試者的真實軌跡，作為定位誤差計算基準。

比較定位軌跡與基準軌跡之間的差異，計算出不同速度下的定位誤差統計指標，包括平均誤差、最大誤差和誤差的標準差。動態定位精度測試結果見表2。移動速度增加，定位誤差呈上升趨勢，總體誤差均<30cm，滿足井下動態定位的精度需求。

表2 動態定位精度測試結果

4.4 系統可靠性測試

測試在礦井內選取了3個不同區域，每個區域內布設了10個基站節點，連續運行72h。測試期間，定期檢查系統運行狀態，記錄各項可靠性指標，包括系統正常工作時間、故障次數、平均無故障工作時間（MTBF）等。為了考核系統的環境適應性，在測試區域內模擬了高溫、潮濕、粉塵、振動等各種惡劣工況，評估系統在極端條件下的工作表現，可靠性測試結果見表3。

表3 可靠性測試結果