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煤矿井下无线透地定位技术研究

发布时间:2020-09-16 21:31
   我国现阶段的主要能量来源是煤矿,煤矿行业的安全生产一直是政府常抓不懈的课题。传统煤矿井下定位系统一旦发生矿难设备容易损坏,造成系统瘫痪,导致地面救援人员和井下被困人员无法正常通信,而错过最佳救援时机。因此,针对矿井生产,建立一套行之有效的煤矿井下定位系统,实现井下被困人员快速定位,保证地面救援人员及时施救,是一项复杂而具有重要意义的课题。煤矿区域的地层结构比较复杂,因此,需要研究电磁波在地层媒质中传输特性,进而探索一套无线电磁波定位方案。而在目前,利用无线电磁波在复杂地层媒质信道进行传输定位的研究成果仍然不足。本文对煤矿井下无线透地定位技术进行了深入研究,开展的主要工作及获得的结论如下:(1)分析煤层信道结构及其特性,研究电磁波在有耗媒质中的传输特性,仿真了不同地层媒质中不同频率电磁波的衰减情况,为煤矿井下无线定位技术的电磁波频率选择打下了理论基础。对于单层地层媒质,建立了基于RSSI的测距损耗模型,对后续电磁波单层地层媒质定位的研究有重要价值。(2)根据建立的基于RSSI的单层地层媒质测距损耗模型,推导出符合煤矿应用场景的三维四边测量定位方法。为了减小定位误差,采用最小二乘法对该定位方法进行优化。讨论了定位方法的影响因素,计算了几何精度因子。仿真结果表明,该方法能够利用不同频率的电磁波实现对不同地层媒质的煤矿井下定位。(3)分析了电磁波在分层媒质中的传输特性。具体分析了 TE波和TM波在地层媒质分界面上的透射情况,并给出了反射与透射系数表达式。仿真结果表明,对于相同发射功率,TM模式电磁波比TE模式电磁波透入到大地媒质的能量大,所以,在无线透地定位系统中应该选择以TM模式为主的电磁波传输信号。此外,分析了电磁波入射角和透射角在三维空间的关系和不同频率电磁波在分层地层媒质中的传输损耗。为进一步研究双层地层媒质的无线透地定位提供了理论支撑。(4)电磁波在双层地层媒质中的传输情况较为复杂,方向参数是辐射源参数中一个比较可靠的信息量。本文针对电磁波传输的双层地层媒质煤矿环境,提出基于RSSI和AOA的定位方法及基于AOA的唯方位定位方法。基于RSSI和AOA的定位方法所需基站少,基于AOA的唯方位定位方法无需知道信号功率,减小了设备复杂度。实验仿真表明两种方法均能够实现对煤矿井下盲点的定位。
【学位单位】:北京交通大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TN929.5;TD76;TD774
【部分图文】:

经验模型,定位原理,测试点


信号强度值的均方差,取均方值最小的那个点?"^的位置坐标作为盲点的坐标。逡逑经验模型的定位过程主要分为两个部分,离线建立数据指纹库的训练阶段和逡逑实际应用中的在线实时定位阶段]。如图2-1所示。逡逑在离线训练阶段,首先要设置定位测试点,如果测试点的设置较为稀疏,就逡逑会影响相应的定位精度,如果测试点的设置过于密集,会造成后续定位阶段计算逡逑量的倍增。目前,关于测试点的设置还暂时没有比较系统的方法。设置测试点之逡逑后,记录每个测试点的接收信号强度值及测试点的MAC地址,建立离线数据指逡逑纹库。在在线定位阶段,首先用户端测量盲点的接收信号强度值及对应AP的MAC逡逑地址,上传至离线数据指纹库,利用相应的匹配算法进行匹配,计算得到盲点的逡逑位置坐标进行输出。逡逑9逡逑

媒质,传输特性,石灰岩,衰减速率


逦300逡逑传输距离z/m逡逑图2-2电场强度与距离的关系逡逑Fig.2-2邋Relationship邋between邋electric邋field邋intensity邋and邋distance逡逑甚低频电磁波具有传播衰减系数小、抗干扰能力强且稳定等特性,比较适合逡逑用于无线透地通信系统。此外,图2-2中,相同频率的电磁波在不同的媒质中,传逡逑输特性也不相同。由表2-2知,对于同一频率电磁波,板岩的衰减系数大于石灰岩逡逑的衰减系数,石灰岩的衰减系数大于砂岩的衰减系数,所以同一频率电磁波在板逡逑岩中的衰减速率大于石灰岩的衰减速率,石灰岩的衰减速率大于砂岩的衰减速率。逡逑所以,在无线透地通信系统中,针对不同的传输媒质要建立不同的传输损耗模型。逡逑‘逦^逦1KHZ逡逑——砂岩逡逑—石灰岩逡逑0邋8邋_逦、'逦一邋k邋h邋-逡逑r逡逑?邋°4邋■逡逑I逡逑0.2邋-邋\逡逑。逡逑?邋-0.2邋逦1

电场强度,石灰岩,衰减速率,衰减系数


Fig.2-2邋Relationship邋between邋electric邋field邋intensity邋and邋distance逡逑甚低频电磁波具有传播衰减系数小、抗干扰能力强且稳定等特性,比较适合逡逑用于无线透地通信系统。此外,图2-2中,相同频率的电磁波在不同的媒质中,传逡逑输特性也不相同。由表2-2知,对于同一频率电磁波,板岩的衰减系数大于石灰岩逡逑的衰减系数,石灰岩的衰减系数大于砂岩的衰减系数,所以同一频率电磁波在板逡逑岩中的衰减速率大于石灰岩的衰减速率,石灰岩的衰减速率大于砂岩的衰减速率。逡逑所以,在无线透地通信系统中,针对不同的传输媒质要建立不同的传输损耗模型。逡逑‘逦^逦1KHZ逡逑——砂岩逡逑—石灰岩逡逑0邋8邋_逦、'逦一邋k邋h邋-逡逑r逡逑?邋°4邋■逡逑I逡逑0.2邋-邋\逡逑。逡逑?邋-0.2邋逦1逦1逦1逦1逦1逦逡逑0逦50逦100逦150逦200逦250逦300逡逑传输距离z/m逡逑图2-3邋1kHz电磁波在不同媒质中的传输特性逡逑Fig.2-3邋Transmission邋characteristics邋of邋1kHz邋electromagnetic邋wave邋in邋different邋media逡逑1

【参考文献】

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本文编号:2820400

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