0 引言
井下动目标精确定位是煤矿安全高效生产的重要保障。通过目标位置信息，呈现井下生产运行情况，从而合理调配井下资源，有效应对突发险情[1]。出于安全方面的考虑，井下动目标精确定位主要采用无线通信的定位方法[2]。超宽带(Ultra Wide Band，UWB )通信是一门新兴无线通信技术，具有抗多径能力强、系统复杂性低等特点，可实现厘米级高精度定位，在矿井无线定位领域有良好的应用前景[3]。
目前，基于UWB技术的矿井人员、车辆精确定位系统已在少数煤矿实现业务化运行，正在进入推广阶段。对UWB信号井下路径损耗特征等方面的研究可为UWB精确定位系统推广提供基础技术支持。UWB信号的路径损耗特征是由随距离变化的平均路径损耗和因障碍物遮蔽产生的阴影衰落2个部分组成[4]。平均路径损耗是指有效接收信号功率较发射信号功率的衰减值，是评估无线定位系统覆盖范围的重要参数[5]。阴影衰落是指在实际环境中，由于障碍物与复杂地形等因素的影响，2个不同位置的点即使与发送端的距离相同，接收到的信号强度也可能不同[6]。
通过查阅大量参考文献，发现目前UWB信号井下路径损耗特征的研究主要采用理论建模与仿真实验手段[7-9]，对井下UWB信号的实际测量研究较少。针对上述问题，本文对山西潞安集团高河煤矿矿井架空乘人装置(猴车)运行巷道和掘进工作面2种典型场景下的UWB信号进行路径损耗测量与分析，所得结果可用于指导矿井UWB精确定位系统部署方案设计。
1 工程背景
山西潞安集团高河煤矿地处山西省长治市长治县，于2012年6月正式投产，设计生产能力为600万t/a。矿井属高瓦斯矿井，全井田布置一个开采水平(+450 m)，现采3号煤层，井筒数量有7个，采用立井开拓方式、倾斜长壁全部垮落一次采全高的采煤方法，采用锚索、锚杆、钢带、金属网(或塑料网)联合支护。
高河煤矿是国内首个UWB精确定位系统业务化落地的矿井[10]，目前正在进行精确定位系统全矿覆盖建设。本文选取在矿井中巷道尺寸、巷道墙壁材质、管道设施等环境条件比较普遍的架空乘人装置(猴车)运行巷道及环境恶劣、煤尘浓度高、地面积水严重的掘进工作面2个典型场景对UWB信号进行路径损耗测量与分析，以便确定类似巷道的定位基站部署方案。
2 路径损耗测量与分析
煤矿井下所采用的UWB精确定位系统主要由定位基站和定位标识卡组成。定位基站通常安装在巷道顶部或巷帮上，通过光纤或其他网络线缆接入井下工业环网。在定位系统中预先设置好绝对坐标系下的定位基站物理坐标。定位基站外接天线，发射固定功率的UWB信号，与佩戴在人员身上或安装在车辆上的定位标识卡通信，通过信号到达时间估计、到达时间差估计、到达角度估计等定位方法来确定移动目标的位置信息。
通过矿用本质安全型定位基站和车辆定位标识卡及相应的固定支撑器材，在2条巷道内分别进行2组UWB信号路径损耗测量，一组定位基站安装在巷道顶部，另外一组定位基站安装在巷帮上。测量过程如下：
(1) 在地面利用UWB精确定位系统管理软件配置好测量用基站的IP地址和车辆标识卡卡号。
(2) 选定井下测试起点。将测量用基站与车辆标识卡接各自适配电源，并分别固定到相应支撑器材上，调整支撑器材水平。
(3) 利用RS485通信线缆连接测量用基站与定位基站，开启测量用基站。
(4) 将测量用基站天线固定到顶部或巷帮的测试位置上。
(5) 移动车辆标识卡，将高度调节到合适位置。
(6) 用激光测距仪测量车辆标识卡天线与测量用基站天线之间的距离。
(7) 距离固定后，车辆标识卡天线在此点和以此点为中心的同一水平面内5 cm边长的正方形4个顶点上进行5次采样[11-12]。车辆标识卡与测量用基站1 s通信1次，每个采样点车辆标识卡固定1 min，以获得稳定读数。
(8) 移动车辆标识卡远离测量用基站，重复步骤(6)和步骤(7)。
(9) 测量数据通过业务化运行的定位系统上传至地面服务器，测量完毕后从服务器下载数据到本地进行分析。
利用路径损耗模型[13-15]对测试数据进行拟合。
(1)
式中：L(d)为距离d处的路径损耗，dB；d为测试点位与测量用基站之间的距离,m；d0 为参考距离,m；γ为路径损耗指数；X为阴影衰落项。
采用对数正态阴影模型，X服从均值为0，标准差为σ的正态分布。发射信号强度T(dB·m)与接收信号强度R(dB·m)的关系为
R=T-L
(2)
假设T恒定，有
(3)
记录d和R的数据，代入式(3)，即可得到γ。
2.1 猴车运行巷道测试
猴车运行巷道如图1所示。测试点位起点在南翼猴车运行巷道第15架处，巷道宽为5.5 m，高为5 m。巷道顶部有管道及猴车支架，整个巷道为水泥墙面，测试期间猴车停运。巷道平坦，基本无煤尘。巷道前120 m为视线传输(Line of Sight，LOS)环境，120 m处开始，巷道有下坡，130 m处为非视线传输(Not Line of Sight，NLOS)环境。
图1 猴车运行巷道
Fig.1 Monkey car running roadway
定位基站安装在巷帮时，基站天线距地面高度为2 m，车辆标识卡测量距离为1～130 m。定位基站安装在巷道顶部时，基站天线距顶板高度为1.3 m，车辆标识卡测量距离为2～120 m。测量过程中车辆标识卡高度始终固定为1.5 m，且车辆标识卡测量点位与定位基站的距离选择并不完全相同。一方面可通过测量距离相同的点进行测量结果的相互验证，另一方面因猴车停运时间有限，可实现相同测量次数下对更多的距离进行采样。猴车运行巷道测量结果如图2所示。图中显示在相同距离处2种方式得到的接收信号强度相差不大，相互验证可知测量结果较为可信。
排除130 m 处NLOS环境测试点结果，根据上文路径损耗模型对其他测试结果进行拟合，参考距离为1 m 。猴车运行巷道路径损耗拟合模型如图3所示。图中将距离转换成
二者转换为线性关系。图中路径损耗指数γ=0.67，小于2，巷道的波导效应导致了UWB信号比自由空间有更好的传播特性[9]。巷道内UWB精确定位系统的定位基站部署间隔可比地面自由空间传播场景的定位基站部署间隔更大。通过Matlab计算得到的拟合优度(取值范围 [0, 1])为0.86，拟合结果较好。
图2 猴车运行巷道测量结果
Fig.2 Measurement results of monkey car running roadway
图3 猴车运行巷道路径损耗拟合模型
Fig.3 Path loss fitting model of monkey car running roadway
对于阴影衰落，正态分布拟合后标准差结果为1.75，猴车运行巷道阴影衰落如图4所示，经验分布与正态分布拟合度较好。
图4 猴车运行巷道阴影衰落
Fig.4 Shadow decline of monkey car running roadway
2.2 掘进工作面测试
掘进工作面如图5所示。测试点位起点在E2311掘进工作面运输胶带329架处，巷道宽为5.5 m，高为4 m。掘进机在329架前方约220 m处，测试期间掘进机处于停机状态。掘进巷道四周都是煤壁，用铁丝网保护，运输胶带在面向掘进工作面左侧、巷道顶部中间位置、巷帮上部均有各类管道且堆放着设备。巷道略有起伏，地面有积水，煤尘飞扬。巷道前200 m为LOS环境，但从180 m处开始，巷道略有下坡；210 m处时巷道内设备较多，可视为NLOS环境。
图5 掘进工作面
Fig.5 Heading face
定位基站安装在巷帮时，基站天线高度为2 m，车辆标识卡测量距离为1～190 m。定位基站安装在巷道顶部时，基站天线距顶板1 m，车辆标识卡测量距离为3～210 m。测量过程中车辆标识卡高度始终固定为1.5 m。
掘进工作面测量结果如图6所示。图中显示在相同距离处2种方式得到的接收信号强度相差不大，相互验证可知测量结果较为可信。从图6可看出，210 m NLOS环境测量点位的路径损失与LOS环境测量点位比相对较大，因此，NLOS环境的巷道内需要部署更密集的定位基站。
图6 掘进工作面测量结果
Fig.6 Measurement results of heading face
排除NLOS环境测试点结果，对所有测量结果根据上文路径损耗模型进行拟合，参考距离为1 m。掘进工作面路径损耗拟合模型如图7所示。图中将距离转换成二者转换为线性关系。图中路径损耗指数γ=1.10，小于2。通过Matlab计算得到的拟合优度为0.83，拟合结果较好。
对于阴影衰落，正态分布拟合后标准差结果为2.95。掘进工作面阴影衰落如图8所示。经验分布与正态分布拟合度较好。
图7 掘进工作面路径损耗拟合模型
Fig.7 Path loss fitting model of heading face
图8 掘进工作面阴影衰落
Fig.8 Shadow decline of heading face
3 结论
(1) 2种巷道环境内的UWB信号路径损耗指数均小于2，巷道的波导效应导致了UWB信号比自由空间有更好的传播特性。巷道内UWB定位系统的定位基站部署间隔可比地面自由空间传播场景的定位基站部署间隔更大。
(2) 同一矿井内，巷道环境不同，路径损耗特征也不一样。掘进工作面UWB信号路径损耗指数、阴影衰落方差均与猴车运行巷道的路径损耗指数、阴影衰落方差有较大差异。其他巷道内UWB定位系统的定位基站部署间隔可根据环境条件参考这2种典型巷道环境确定。
(3) 从掘进工作面巷道内单个测试点位对比看，NLOS环境比LOS环境的路径损耗大。NLOS环境的巷道内需要部署更密集的定位基站。
(4) 测量结果可用于指导矿井UWB精确定位系统部署方案设计，为UWB精确定位系统推广提供基础技术支持。
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