基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统 技术领域 本实用新型涉及一种矿用人员定位系统， 具体地说， 是涉及一种基于非视距抑制 的矿井超宽带人员定位系统。
背景技术 煤炭是我国的重要能源， 约占一次能源的 70％， 在我国 95％以上的煤矿是井工开 采。由于科学技术水平相对较低、 管理不善等原因， 煤矿一直是高危行业， 频发的矿难严重 制约了我国煤炭事业的健康发展， 其所造成的生命财产损失及由此社会影响也是难以估量 的。 矿井人员定位系统是矿井安全生产的重要保障和应急救援必要手段， 对提高生产效率、 保障井下人员的安全、 灾后及时施救与自救都具有十分重要的意义。目前煤炭行业的热点 话题煤炭物联网的发展也依赖于煤矿井下目标定位技术的进步， 需要很好的目标定位作基 础。
我国煤矿井下是一个特殊的受限环境， 它是由各种纵横交错、 形状不同、 长短不一 的巷道组成， 其长度可达几十到上百公里， 且在工作面处巷道的长度是变化的。 而且矿井巷 道空间狭小， 无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、 散射、 衍射以及透射等现象， 设备 功率需满足井下防爆的要求。同时由于巷道相对密闭， 不能借助 GPS 等地面已有的卫星定 位来辅助井下定位。由此可见， 地面成熟的定位方法无法直接应用于井下。因此要建立一 套适合煤矿井下无线传输环境的目标定位体系。
地下空间定位原理与室内定位相似， 它利用位置固定的无线电发射基站替代卫 星， 在地下封闭空间中进行局部测量， 建立局域坐标体系 ； 地下定位目标通过与基站的无线 电信号进行交互以实现定位。煤矿井下定位技术除射频识别外， 还包括 WiFi、 ZigBee， 以及 红外、 超声波、 蓝牙等。目前， 煤矿井下定位系统只能达到 2 ～ 10m 的非连续定位精度， 主要 由无线发射基站数量与分布密度决定。
从定位系统的媒介来划分， 针对受限空间内目标的无线定位， 国外学者以红 外、 超声波、 射频信号、 图像为媒介进行了一些研究。1992 年剑桥 Ar< 实验室开发的 ActiveBadge 系统， 是利用红外线技术实现的单元接近度系统 ； 1999 年剑桥 Ar&T 实验室 开发的 ActiveBat 系统， 以及 2000 年剑桥 Ar&T 实验室开发的 Cricket 系统， 是采用超 声波传输的时间延迟技术实现定位 ； 2000 年 Microsoft 研究院开发的 RADAR 系统， 是基 于 IEEE802.11 无线局域网技术的室内跟踪定 位系统 ； 2001 年， Microsoft 研究院开发的 EasyLiving 系统， 是基于计算机视觉技术的定位系统。该系统用实时三维照相机实现了家 庭环境中的立体视觉定位功能 ； 2002 年， 意大利 Trento 大学和意大利网络计算研究委员会 开发的 BIPSE 系统， 是一个基于蓝牙的室内定位系统 ； 由 Auto-ID 中心开发无线射频识别 (RFID) 技术， 它基于信号强度分析法， 采用聚合的算法对三维空间进行定位， 如 SpotON 系 统和 PinPoint 3D-iD 系统。
这些方法存在了一些局限性 ： 红外线穿透性差， 只适合短距离传输， 且容易被荧光 灯或直射光干扰 ； 超声波在多径环境下效果差 ； 无线局域网技术要求被定位的物体必须支
持无线局域网， 且定位精度低 ； 立体视觉定位技术易受环境复杂度的影响， 且当场景复杂度 增加， 并发生更多的运动冲突时， 视觉定位系统很难持久保持较高精度 ； 蓝牙技术成本高， 复杂环境中稳定性较差 ； 无线射频识别技术作用距离近， 不具备通信能力， 不便和其他系统 整合， 定位精度受环境影响及参考点数量较大。
超宽带相对红外、 超声波、 蓝牙等方法， 不需要产生正弦载波， 结构简单、 实现成本 低； 超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低， 多径信号在时间上 是可分离的， 抗干扰能力强 ； 超宽带系统使用脉冲的持续时间一般在 0.20ns ～ 2ns 之间， 有很低的占空比， 在高速通信时系统的耗电量仅为几百 uW 至几十 mW， 功耗低。而且井下封 闭环境不受频率使用的限制。因此， 基于超宽带的定位技术也应该非常适合在煤矿井下使 用。
传统的无线电定位方法， 按照所检测的特征测量值的不同， 分为以下几种 ： 到达角 度定位 (AOA)， 信号强度分析法 (RSS)， 到达时间定位 (TOA)， 到达时间差定位 (TDOA)。
RSS(Receive Signal Strength) 基于接收信号强度的定位方法是先利用几个已 知位置的参考点接收来自目标点发出的无线电信号， 然后根据已知的信道衰落模型及发射 信号的场强值来估算参考点与目标点之间的距离， 进而实现定位。TOA(Time of Arrival) 基于信号到达时间的定位方法就是测量出两个 ( 或多个 ) 已知参考点与目标点之间的信号 传播时间， 分别得出目标点与参考点之间的估计距离， 然后以各参考点位置为圆心， 以测得 的估计距离为半径画圆， 可以得到两个 ( 或多个 ) 圆， 这些圆的交点从理论上讲就应该是目 标节点在二维平面的位置。 TDOA(Time Difference of Arrival) 基于信号到达时间差的定 位方法采用了测量目标点发射信号到达两不同已知参考点接收机的时间差来实现定位。 通 过测量出两个参考点和目标点之间的到达时间的差值， 从而得出目标点与参考点之间的估 计距离。AOA(Angel of Arrival) 基于信号到达角度的定位方法是利用参考点接收机上的 阵列天线来测量目标点发射 机到达信号的角度来实现定位的， 在理想情况下， 两个参考点 的距离已知， 则目标位置是两个参考点接收机各自以测量角度发出的射线的交点。
地面超宽带定位系统无一例外都是针对某一特定的室内环境而开发， 矿井巷道与 室内有很大不同， 在室内定位常采用的 AOA 定位法在巷道中难以保证其正常工作， 因为 AOA 定位法的前提是需要阵列天线， 到达接收天线阵列单元的电波必须有直射分量 (LOS) 存 在， 天线位置安装非常精密， 系统设备比较昂贵、 复杂。 RSS 定位方式对信道模型的依赖度较 高， 地面环境比较稳定， 而煤矿井下粉尘及水汽较大， 环境的变化会对信号传输及衰减造成 较大干扰， 定位精度也会受到严重影响。地面室内超宽带定位系统大多采用基于时间定位 方法， 基于时间的定位方法要求定位终端与参考点的时钟必须严格同步， 否则会产生较大 误差， 而在井下这是难以实现的， 同时参考点也不能随意布置， 其定位参考节点只能沿巷道 方向部署。现有地面室内超宽带定位系统一旦参考点布置完毕后， 系统的定位参考坐标就 确定了， 参考点很小的位置偏差都会使系统崩溃， 这样的要求在煤矿井下工作环境中太苛 刻。 由于矿井巷道空间狭小、 设备众多， 电磁信号在传输过程中会遇到严重的折射、 反射、 衍 射等情况， 这导致了严重的多径效应和非视距 (NLOS) 效应， 地面定位系统在井下则不能正 常定位。
由此可见， 现有的地面超宽带定位系统不能直接应用于井下。实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是提出一种适合井下使用的本质安全型人员定位系 统， 以满足目前井下对人员定位与应急救援的需求。解决目前井下人员定位系统抗干扰能 力差、 定位精度低、 信号穿透力差、 对多径效应敏感、 功耗高、 体积大等问题。本实用新型提 出的基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统可以实时精确的实现人员定位， 满足了矿 井生产调度和灾后及时救援的迫切需求。
为了实现上述目的， 本实用新型采用以下技术方案 ：
一种基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统， 系统包括井上部分及井下部 分， 井上部分包括 ： 地面监控终端、 定位服务器、 中心交换机、 动态主机配置协议服务器、 上 层终端 ； 井下部分包括 ： 本质安全型网关、 本质安全型直流供电电源、 本质安全型无线中继 站、 本质安全型参考点终端、 本质安全型定位终端 ； 定位服务器、 地面监控终端通过中心交 换机与本质安全型网关构成有线网络， 并通过动态主机配置协议服务器、 因特网将实时定 位数据传送给上层终端 ； 本质安全型网关通过总线与交换机连接 ； 本质安全型定位终端由 井下工作人员 或机电设备携带 ； 井上部分与井下部分共同构成跳时位置脉冲超宽带无线 定位网络。 定位服务器， 接收并存储目标位置数据 ；
地面监控终端， 记录本质安全型参考点终端的位置信息 ； 接收本质安全型定位终 端发送的实时距离信息， 对本质安全型定位终端鉴别出的非视距信号进行数据重构， 利用 Taylor 序列展开法计算定位终端位置， 并发送给定位服务器 ；
动态主机配置协议服务器， 为网络分配动态 IP 地址 ；
本质安全型直流供电电源， 为本质安全型无线中继站提供电源 ；
中心交换机和本质安全型无线中继站转发本质安全型定位终端和本质安全型参 考点的位置和距离信息 ；
本质安全型网关接收本质安全型参考点终端发送的超宽带无线数据， 并将数据转 发给中心交换机 ； 接收中心交换机发送的有线数据， 将其转换成超宽带无线信号转发给本 质安全型无线中继站 ；
本质安全型参考点终端分配唯一的标识码， 接收本质安全型定位终端发送的定位 信息， 并延迟时间 Δ， 将所述信息以及其标识码发送回本质安全型定位终端 ；
所述本质安全型定位终端分配唯一的标识码， 每隔一段时间向周围本质安全型参 考点终端广播定位身份信息， 并接收来自本质安全型参考点终端的定位信息 ； 利用 RAKE 接 收机对多径信号进行加权输出， 并对接收到的信号进行 NLOS 鉴别， 将收到的包含位置信息 的 NLOS 信号和 LOS 信号发送给地面监控终端。
所述地面监控终端包括 ： 处理器单元、 电源接口、 标识码存储单元、 参考点位置存 储单元、 时钟电路和有线接口。
所述本质安全型网关包括 ： 有线接口单元、 接口转换单元、 复位电路、 时钟电路、 电 源接口、 无线接口单元、 超宽带天线和开关电路。
所述本质安全型参考点终端包括 ： 处理器、 时钟电路、 标识码存储单元、 电源管理 单元、 延迟电路、 超宽带信号产生单元、 超宽带接收单元、 超宽带天线和开关电路。
所述本质安全型定位终端包括 ： 处理器、 用户接口单元、 标识码存储单元、 电源管
理单元、 时钟电路、 RAKE 接收机单元、 超宽带信号产生单元、 超宽带接收单元、 超宽带天线和 开关电路。
所述井下设备采用本质安全型防爆设备。
所述超宽带定位系统采用基于到达时间差 (TDOA) 的无线定位方式。
与现有技术相比， 本实用新型的优点和积极效果在于 ：
1. 通过采用占空比较低， 持续时间极短的超宽带信号， 增强了信号的时间、 空间分 辨率，提高了系统的多径分辨率， 增强了系统的抗衰落能力， 同时提高了定位精度。
2. 通过采用超宽带信号， 利用超宽带信号具有较强穿透力的特点， 即使本质安全 型定位终端被掩埋， 仍然可以实现人员的定位。
3. 由于采用超宽带技术， 避免了调制、 解调复杂的载波信号， 不需要混频器、 过滤 器、 本地振荡器等复杂的元件， 因而降低了终端设备的能量消耗， 同时便于采用集成芯片， 使得设备结构简单、 体积小， 便于人员携带， 适合井下特殊环境使用。
4. 通过采用 RAKE 接收机技术， 收集更多的多径能量以提高信噪比， 同时对相关器 输出进行加权， 以有效降低某一路多径信号受到严重衰落时对整个系统性能的影响。如果 某一路多径分量受到严重的衰落， 只要在进行合并时对此路信号的输出乘上一个较小的加 权系数， 就可以有效的降低此多径分量对接收端信噪比的影响， 从而提高整个系统的性能。 5. 通过采用构造鉴别参量的方式， 对 NLOS 信号进行鉴别， 并对鉴别出的 NLOS 信号 进行数据重构， 然后采用 Taylor 序列展开法计算定位终端位置。降低了 NLOS 信号对定位 带来的不利影响， 提高了定位精度。
6. 通过采用 TDOA 定位方式， 本质安全型定位终端与本质安全型参考点的时钟不 必严格同步， 本质安全型参考点共享一个参考时钟即可， 降低系统对硬件的要求， 减小了维 护成本。
7. 通过在巷道壁及巷道顶端布设本质安全型参考点， 可以实现 3 维定位和 2 维定 位， 提供了更为精确的定位方式。
附图说明
图 1 是本实用新型系统原理图
图 2 是 RAKE 接收机原理图
图 3 是握手交换原理图
图 4 是本质安全型参考点终端布设图
图 5 是地面监控终端电路框图
图 6 是本质安全型网关电路框图
图 7 是本质安全型参考点终端电路框图
图 8 是本质安全型定位终端电路框图
图中 ： 1、 定位服务器 ； 2、 地面监控终端 ； 3、 动态主机配置协议服务器 ； 4、 上层终 端； 5、 中心交换机 ； 6、 本质安全型网关 ； 7、 本质安全型无线中继站 ； 8、 本质安全型参考点终 端； 9、 本质安全型定位终端 ； 10、 本质安全型直流供电电源 具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细的说明， 实施例不应被视为限 制本实用新型的使用范围。
图 1 是基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统组成原理图。如图 1 所示， 本 实用新型基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统包括井上部分和井下部分。 井上部分 包括 ： 地面监控终端 2、 定位服务器 1、 中心交换机 5、 动态主机配置协议服务器 3、 上层终端 4； 井下部分包括 ： 本质安全型网关 6、 本质安全型直流供电电源 10、 本质安全型无线中继站 7、 本质安全型参考点终端 8、 本质安全型定位终端 9。
下面结合图 1 详细描述基于非视距抑制的矿井超宽带人员定位系统工作流程 ：
A. 根据巷道工作环境布设本质安全型参考点终端， 同时确定本质安全型参考点终 端的位置 ；
B. 本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端进行通信， 获得本质安全型参考 点终端的身份信息和位置信息 ；
C. 本质安全型定位终端对接收到的本质安全型参考点终端的信号进行 NLOS 鉴 别；
D. 地面监控终端对 NLOS 信号进行数据重构， 利用重构的数据进行定位计算。 E. 定位服务器通过网络将本质安全型定位终端的位置信息传输到上层终端。
所述步骤 A 中， 本质安全型参考点终端沿巷道壁及巷道顶端布设， 相邻的本质安 全型参考点终端布设在不同水平面， 巷道转弯处布置一个本质安全型参考点终端。
所述步骤 B 包括下列步骤 ：
B1. 本质安全型定位终端与通信范围内的本质安全型参考点终端交换握手协议信 号；
B2. 本质安全型定位终端利用 RAKE 接收机接收来自本质安全型参考点终端的参 考信号， 参考信号包含本质安全型参考点终端的位置信息和身份信息 ；
参考信号经过多径信道后， 到达 RAKE 接收机的形式为 ：其中， L 是收集到的多径数量， an 是复信道增益， τn 是第 n 条多径信号的时延， u(t-τn) 是经过 τn 时延后收集到的参考信号， r(t) 为被 RAKE 接收机收集的参考信号 ；
B3. 不 同 的 多 径 分 量 首 先 进 行 加 权， 然 后 合 并 到 一 起， 每一路多径分量的加 权 系 数 与 这 一 路 多 径 分 量 的 信 噪 比 成 正 比， 经 过 RAKE 接 收 机 处 理 后 的 参 考 信 号 为其中， L 是收集到的多径数量， βi(n) 是加权系数， yi(n) 是相关器输出值， ZTOT 为 经过 RAKE 接收机处理后的输出信号。
所述步骤 C 包括下列步骤 ：
C1. 将 RAKE 接收机的输出信号通过平方器后进行积分采样， 以获得信号的能量采 样序列 ；
C2. 对能量采样序列进行特征提取， 截取一段包含非视距信息的信号段， 信号段中 包含直达路径和能量最强径 ；
C3. 利用直达路径与能量最强径的相对能量乘积构造出一个新的非视距鉴别参量
φ：
其中 {sn} 为截取信号的采样序列， sl 为第一个截取信号采样序列 ； C4. 利用构造的鉴别参量 φ 对接收信号进行判断， 超出设定范围的即为非视距信号； C5. 本质安全型定位终端将鉴别出的非视距信号和视距信号通过本质安全型无线 中继站， 本质安全型网关和中心交换机发送到地面监控终端。
所述步骤 D 包括下列步骤 ：
D1. 在非视距信号中， 本质安全型定位终端与本质安全型参考点终端的测量距离 为：
si(tj) ＝ li(tj)+ni(tj)+NLOSi(tj)
其中 li(tj) 为视距情况下参考点终端与本质安全型定位终端的距离， ni(tj) 为系 NLOSi(tj) 服从指数分布 ： 统误差， NLOSi(tj) 为非视距传播带来的误差 ；
其中， τrms 为均方根时延扩展， 是一个服从对数正态分布的随机变量 ： τrms ＝ T1d y， T1 是在 d 处延时扩展的中值， ε 取值在 0.5 到 1 之间， y 是一个对数正态分布随机 变量， tnlos 为非视距时间 ；
D2. 根 据 到 达 时 间 测 量 值 si(tj)， 由 式 τrms ＝ T1dεy 计 算 非 视 距 延 时 扩 展 τ′ rms(tj) ；
D3. 利用 s′ i(tj) ＝ si(tj)-τ′ rms(tj)×c， 重构视距情况下的到达时间测量值， 其中， c 为真空 中电磁波传播速度， si(tj) 为到达时间测量值， τ′ rms(tj) 为非视距延时扩 展， s′ i(tj) 为重构的到达时间测量值 ；
D4. 利用多项式平滑对 s′ i(tj) 进行平滑处理 ；
D5. 构造到达时间差测量值 s′ i， 其中， s′ i， 1(tj) ＝ s′ i(tj)-s′ l(tj)， 1(tj) 为 构造的到达时间差测量值， si(tj) 为到达时间测量值， s′ 1(tj) 为第一个达时间测量值 ；
D6. 本质安全型定位终端与同一个本质安全型参考点终端进行 N 次测距通信， 可 以得到 N 组距离测量值， 在 N 组测量值中有 M 组 (M ≤ N) 非视距信号， 将 M 组非视距信号进 行数据重构， 并将构造的 M 组到达时间差测量值 s′ i， 1(tj) 按照大小顺序排列 ；
ε
D7. 根据构造的 M 组到达时间差测量值， 求取这 M 个值的平均值
其中， 为构造的 M 组到达时间差测量值的平均值， s′ i， 1(tj) 为构造的到达时间 D8. 构造判断系数 λj， λj 为 M 组构造值中， 每个构造测量值与平均值 的比值，差测量值 ；
其中， 为构造的 M 组到达时间差测量值的平均值， s′ i， 1(tj) 为构造的到达时间差测量值 ； D9. 利用 λj 对每个构造值 s′ i， 当 λj 大于设定值时， 说明构造的 1(tj) 进行判断， 测量值仍然具有较大的偏差， 在计算中舍去该构造值 ；
D10. 利用 Taylor 序列展开法计算本质安全型定位终端的位置， 并将计算结果发 送给定位服务器。
所述步骤 E 中， 定位服务器通过网络将本质安全型定位终端的位置信息传输到上 层终端， 工作人员通过上层终端可以监控井下人员的工作位置及身份信息。
图 2 是 RAKE 接收机原理图。如图 2 所示， RAKE 接收机通过使用一组相关器， 利用 每个相关器接收一个信号的多径分量以提高信噪比。信号经过多径信道后， 到达接收端的 形式为 ：
其中， L 是收集到的多径数量， an 是复信道增益， τn 是第 n 条多径信号的时延， u(t-τn) 是经过 τn 时延后收集到的信号， r(t) 为被 RAKE 接收机收集的参考信号。
RAKE 接收机中含有 m 个相关器， 所有的相关器都采用相同的模板， 采用这一模板 的不同时延与接收到的多径信号进行相关运算， 各相关器中模板的时延根据对信道中多径 时延的估计进行选取， 这 m 个相关器的输出分别为 y1(n)， y2(n)， y3(n)… ym(n)。不同的多 径分量首先进行加权， 然后合并到一起。每一路多径分量的加权系数 βm(n) 与这一路多径
分量的信噪比成正比。经过 RAKE 接收机处理后的信号为其中， L是yi(n) 是相关器输出值， ZTOT 为经过 RAKE 接收机处 收集到的多径数量， βi(n) 是加权系数， 理后的输出信号。
图 3 是握手交换原理图。如图 3 所示， 本质安全型定位终端向本质安全型参考 点终端发送定位身份信息， 时间记录为 t0， 在时间 t0+τ 本质安全型参考点接收到此信息， 延迟时间 Δ， 本质安全型参考点终端返回定位信息， 本质安全型定位终端接收到返回信息 的时间为 t1 ＝ t0+τ+Δ+τ， 则本质安全型定位终端与此本质安全型参考点终端的距离为 其中， c ＝ 3×108m/s。 图 4 是本质安全型参考点终端布设图。如图 4 所示， 本质安全型参考点终端沿巷 道壁及巷道顶端布设， 相邻的本质安全型参考点终端布设在不同水平面， 巷道转弯处最少 布置一个本质安全型参考点终端。
图 5 是地面监控终端电路框图。如图 5 所示， 地面监控终端 2 包括 ： 处理器单元 20、 标识码存储单元 21、 时钟电路 22、 有线接口 23、 电源接口 24、 参考点位置存储单元 25。
电源接口 24、 标识码存储单元 21、 参考点位置存储单元 25 和有线接口 23 均与处理器单元 20 相连。标识码存储单元 21 和参考点位置存储单元 25 由 EEPROM 芯片构成。时钟电路 22 为处理器提供精确时钟。地面监控终端有线接口与定位服务器以及中心交换机相连， 并通 过动态主机配置协议服务器、 本地网络与上层终端相连， 构成有线网络。 地面监控终端将每 个本质安全型参考点终端的位置数据存入参考点位置存储单元， 并将各参考点对应标识码 存入标识码存储单元。定位时， 从有线接口获取井下各本质安全型定位终端发送的实时距 离信息， 处理器单元提取信息中参考点标识码， 查询参考点位置存储单元， 对 NLOS 信号进 行数据重构， 通过 Taylor 序列展开法计算定位终端位置， 并将其发送给定位服务器， 并通 过动态主机配置协议服务器、 本地网络网络将目标位置数据发送给上层终端。
图 6 是本质安全型网关电路框图。如图 6 所示， 本质安全型网关 6 包括 ： 接口转 换单元 60、 有线接口单元 61、 无线接口单元 62、 超宽带开关电路 63A 和超宽带天线 63B、 电 源接口 64、 复位电路 65、 时钟电路 66。其中有线接口单元 61 包括 CAN 总线接口 61A、 FF 总 线接口 61B、 UART 串口接口 61C、 PROFIBUS 总线接口 61D、 LONWORKS 总线接口 61E， 其分别 与接口转换单元 60 相连 ； 无线接口单元 62 包括超宽带信号产生单元 62A、 超宽带接收单元 62B， 其分别与接口转换单元 60 相连。本质安全型网关通过总线与中心交换机相连。本质 安全型网关完成有线网络和无线网络之间的数据转换， 它接收本质安全型无线中继站发送 的超宽带无线数据， 并将数据发送给中心交换机 ； 接收中心交换机发送的有线数据， 将其转 换成超宽带无线信号发送给本质安全型无线中继站。 超宽带信号产生单元 62A 包括 TH-PPM 编码电路、 时基电路、 脉冲发生电路， 用于将需要发射的数据转换为跳时位置脉冲超宽带信 号。超宽带接收单元 62B 包括相关器、 时基电路、 TH-PPM 解码电路， 用于将接收到的跳时位 置脉冲超宽带信号转换成可以识别的数据。超宽带开关电路 63A 和超宽带天线 63B 与无线 接口单元 62 相连， 完成数据的无线发射和接收 ； 超宽带开关电路 63A 即为天线模式开关， 用 于超宽带信号发射、 接收之间的转换。 接口转换单元完成协议转换和信令处理， 实现有线网 络和无线网络之间的数据交换。井下本质安全型网关 6 通过超宽带接口与井下本质安全型 定位终端以及本质安全性参考点终端进行无线通信。时钟电路 66 为处理器提供精确的工 作时钟信号。复位电路 65 用于在异常情况下的设备复位。
图 7 是本质安全型参考点终端电路框图。如图 7 所示， 本质安全型参考点终端 8 包括 ： 处理器 80、 标识码存储单元 81、 超宽带信号产生单元 82、 时钟电路 83、 电源管理单元 84、 延迟电路 85、 超宽带接收单元 86、 超宽带开关电路 87A 和超宽带天线 87B。标识码存储 单元 81、 电源管理单元 84、 延迟电路 85、 超宽带信号产生单元 82、 超宽带接收单元 86 均与 处理器单元 80 相连。本质安全型参考点终端标识码存储单元 81 由 EEPROM 芯片构成。超 宽带信号产生单元 82 包括 TH-PPM 编码电路、 时基电路、 脉冲发生电路， 用于将需要发射的 数据转换为跳时位置脉冲超宽带信号 ； 超宽带接收单元 86 包括相关器、 时基电路、 TH-PPM 解码电路， 用于将接收到的跳时位置脉冲超宽带信号转换成可以识别的数据。超宽带开关 电路 87A 即为天线模式开关， 用于超宽带信号发射、 接收之间的转换。超宽带天线 87B 和开 关电路 87A 与处理器 80 相连， 完成数据的无线发射和接收。时钟电路 83 为处理器提供精 确的工作时钟信号。电源管理单元 84 为设备提供稳定的电源， 稳压电路对电池电压进行稳 压处理， 报警电路用于电池电量不足报警。延迟电路 85 用于产生本质安全型参考点终端的 发射时延。 本质安全型参考点终端通过标识码 存储单元获得唯一的标识码， 并通过超宽带信号产生单元、 开关电路和超宽带天线向地面监控终端发送其标识码。本质安全型参考点 终端通过超宽带天线和开关电路与本质安全型定位终端建立超宽带无线连接， 通过超宽带 天线以及超宽带接收单元接收其发送的定位信息， 并通过延迟电路延迟一定时间， 将所述 信息以及其标识码通过超宽带信号产生单元和超宽带天线转发给本质安全型定位终端。 同 时， 本质安全型参考点终端还配备有防爆外壳。
图 8 是本质安全型定位终端电路框图。如图 8 所示， 本质安全型定位终端 9 包括 ： 处理器 90、 标识码存储单元 91、 超宽带信号产生单元 92、 用户接口单元 93、 电源管理单元 94、 时钟电路 95、 RAKE 接收机单元 96、 超宽带接收单元 97、 超宽带开关电路 98A 和超宽带 天线 98B。标识码存储单元 91、 电源管理单元 94、 用户接口单元 93、 超宽带信号产生单元 92、 RAKE 接收机单元 96、 均与处理器 80 相连。本质安全型定位终端标识码存储单元 91 由 EEPROM 芯片构成。超宽带信号产生单元 92 包括 TH-PPM 编码电路、 时基电路、 脉冲发生电 路， 用于将需要发射的数据转换为跳时位置脉冲超宽带信号 ； 超宽带接收单元 86 包括相关 器、 时基电路、 TH-PPM 解码电路， 用于将接收到的跳时位置脉冲超宽带信号转换成可以识别 的数据。超宽带开关电路 98A 即为天线模式开关， 用于超宽带信号发射、 接收之间的转换。 超宽带天线 98B 和开关电路 98A 完成数据的无线发射和接收。时钟电路 95 为处理器提供 精确的工作时钟信号。电源管理单元 94 为设备提供稳定的电源， 稳压电路对电池电压进 行稳压处理， 报警电路用于电池电量不足报警。RAKE 接收机单元 96 利用每个相关器接收 一个信号的多径分量， 所有的相关器都采用相同的模板， 采用这一模板的不同时延与接收 到的多径信号进行相关运算， 各相关器中模板的时延根据对信道中多径时延的估计进行选 取。 然后根据各相关器输出的强度对各相关输出进行加权， 并合并为一个输出信号， 处理器 构造 NLOS 鉴别参量， 并对信号进行 NLOS 鉴别。本质安全型定位终端用户接口单元 93 包括 移动台 LCD 显示屏和键盘。本质安全型定位终端通过标识码存储器获得唯一的标识码 ； 通 过超宽带信号产生单元、 开关电路和超宽带天线每隔一段时间向周围广播定位信息 ； 通过 超宽带天线、 开关电路和超宽带接收单元接收本质安全型参考点终端发送的定位数据 ； 本 质安全型定位终端与本质安全型参考点终端按照握手交换协议进行通信， 并将包含位置信 息的信号发送给地面监控终端。同时， 本质安全型定位终端还配备有防爆外壳。