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煤矿井下UWB人员定位研究

作　者: 丁龙
导　师: 郭继坤
学　校:
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 超宽带井下定位 M元扩频 NLOS非视距
分类号: TD79
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

根据2012年6月发布的《BP世界能源统计年鉴》的数据，自1965年以来我国的能源结构一直是以煤炭为主导，近十年以先跌后升的态势维持在70%左右的水平，并且在未来相当长的时间内将难以改变这种局面。然而，我国近年来发生的如攀枝花829瓦斯爆炸事故等等一系列的重大事故，警示了煤矿安全生产的重要性。由于井下巷道通信环境空间狭小，电力线路铺设密集，各种噪声干扰辐射严重导致井下人员定位技术的相关研究成果不足。所以，高通信品质，低设备成本且定位精度高的井下UWB无线人员定位技术成为现阶段相关领域的研究重点。文章主要以超宽带（UWB）通信技术在矿井巷道这种特殊的受限空间应用为研究背景，在探讨了现有的井下人员无线定位技术优缺点的基础上，结合了现今非常有发展前景的CDMA扩频技术，首先探讨了M元扩频UWB通信信号的产生，频谱分布和误码特性，并研究了系统采用循环移位M元伪随机码（PseudoNoise，PN）方案，由于该方案是多个PN码的随机出现，因而其功率谱较常规的DS-UWB更加的平滑，且不会出现离散谱，信号的抗干扰能力较DS-UWB信号有显著提高。接着，本文探讨了在井下这种以机械化作业，机车运动速度不高，并存在严重的大尺度衰落和小尺度衰落的环境下，井下输电电缆，架线机车和蓄电池机车对UWB通信信号产生的干扰。最后，在结合了上述特征之后，探讨了三种适用于井下不同硬件能力，接收机不同信息处理复杂度的应用场景的高精度井下人员定位方案。同时对井下人员定位系统的由多径衰落，非视距NLOS所引入的误差进行了讨论，并进行了相关的仿真分析和总结。文章最后还在总结了上述研究工作的基础上，展望了未来井下定位的前景与文中有待进一步研究的问题。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-8
Abstract  8-12
1 绪论  12-19
  1.1 UWB 技术介绍  12-15
  1.2 UWB 的国内外研究现状及发展前景  15-16
  1.3 选题背景及研究意义  16-18
  1.4 本文主要工作及结构  18
  1.5 本章小结  18-19
2 UWB 无线传输技术和井下定位技术  19-33
  2.1 UWB 无线信号的产生  19-23
    2.1.1 DS-UWB 信号的产生  19-21
    2.1.2 TH-UWB 信号的产生  21
    2.1.3 MB-OFDM 信号的产生  21-23
  2.2 UWB 信号频谱研究  23-29
    2.2.1 DS-UWB 功率谱研究  23-26
    2.2.2 TH-UWB 功率谱研究  26
    2.2.3 UWB 功率谱分布的影响因素  26-29
  2.3 井下定位技术的研究  29-32
    2.3.1 WIFI 定位技术  30
    2.3.2 RFID 定位技术  30
    2.3.3 PHS 定位技术  30-31
    2.3.4 UWB 定位技术  31-32
  2.4 本章小结  32-33
3 UWB 技术的多元扩频通信研究  33-40
  3.1 UWB 技术多元扩频通信原理  33-35
    3.1.1 UWB 技术二元扩频通信原理  33-35
    3.1.2 UWB 技术多元扩频通信原理  35
  3.2 UWB 技术多元扩频通信结构  35-37
    3.2.1 UWB 技术多元二进制扩频通信  35-36
    3.2.2 UWB 技术多元多进制扩频通信  36
    3.2.3 UWB 技术基于循环移位的多元扩频通信  36-37
  3.3 UWB 技术多元扩频通信特性  37-39
    3.3.1 UWB 技术多元扩频通信功率密度  37-38
    3.3.2 UWB 技术多元扩频通信误码率  38
    3.3.3 UWB 技术多元扩频特性总结  38-39
  3.4 本章小结  39-40
4 UWB 井下无线通信环境的研究  40-64
  4.1 UWB 井下传播特性  40-47
    4.1.1 UWB 井下反射传播特性  40-41
    4.1.2 UWB 信道的频率色散  41-45
    4.1.3 井下粗糙表面对 UWB 传播的影响  45-47
  4.2 UWB 煤矿信道研究  47-56
    4.2.1 IEEE802.15.3a 模型研究  47-52
    4.2.2 IEEE802.15.4a 模型研究  52-53
    4.2.3 UWB 井下复合衰落信道  53-56
  4.3 井下噪声干扰  56-62
    4.3.1 井下输电电缆的干扰  56-58
    4.3.2 井下生产监控系统的干扰  58
    4.3.3 外井下架线机车的干扰  58-62
  4.4 本章小结  62-64
5 UWB 井下精确定位的研究  64-82
  5.1 UWB 井下无线测距定位技术  64-69
    5.1.1 基于 AOA 的测距定位技术  64-66
    5.1.2 基于 RSS 的测距定位技术  66-67
    5.1.3 基于 TOA/TDOA 的测距定位技术  67-69
  5.2 井下 UWB 定位方案  69-74
    5.2.1 有线信标节点统一授时定位方案  69-71
    5.2.2 信标节点差分定位方案  71-72
    5.2.3 变频转发估计定位方案  72-74
  5.3 井下 NLOS 环境下定位算法及其仿真分析  74-81
    5.3.1 基于 Taylor 级数的 UWB 定位算法  74-75
    5.3.2 基于 Chan 氏的 UWB 定位算法  75-77
    5.3.3 井下非视距条件下 UWB 定位的改进算法  77-80
    5.3.4 仿真设置和结果分析  80-81
  5.4 本章小结  81-82
6 结论  82-83
参考文献  83-91
作者简历  91-93
学位论文数据集  93-94
详细摘要  94-96

煤矿井下UWB人员定位研究

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