基于 UWB 的煤矿人员精确定位算法优化设计

引言

煤矿行业是我国重要基础产业，人员安全保障是煤矿生产核心问题。精确掌握煤矿人员位置信息，可在事故发生时及时救援，减少人员伤亡与财产损失。UWB 技术以其高带宽、高精度等特性，在煤矿人员定位中得到广泛应用。然而当前基于 UWB 的定位算法受煤矿复杂环境影响，定位精度受限。因此，对基于 UWB 的煤矿人员精确定位算法进行优化设计具有重要现实意义和应用价值。

1.UWB 煤矿人员定位现状与问题

1.1UWB 技术在煤矿定位中的应用情况

超宽带（UWB）技术凭借其独特的脉冲信号体制和宽频带特性，已在煤矿领域展现出显著优势。该技术通过纳秒级脉冲信号实现高精度测距，天然具备抗多径干扰能力，尤其适合复杂有限的井下空间环境。实际部署中通常采用锚节点网络架构，将多个固定参考点分布于巷道顶板及关键位置，携带移动标签的工作人员或设备可实时被系统捕获坐标信息。相较于传统 RFID 或蓝牙方案，UWB 系统能提供更精细的空间分辨率，有效满足煤矿安全生产中对人员动态监控的需求。

1.2 现有定位算法存在的精度问题

当前主流的到达时间差（TDOA）和非视线距离交会等算法在理想条件下虽能取得较好效果，但在实际应用中面临多重挑战。首当其冲的是井下金属支架引起的反射路径增生现象，导致接收端检测到多个伪峰值信号，传统阈值检测方法易误判主径分量。其次是动态遮挡造成的信号中断与恢复过程中的频率偏移累积效应，使得相位连续性假设不再成立。此外，现有算法多基于静态信道模型构建数学表达式，未能充分考虑采煤机等大型设备移动引发的快速时变特性。

1.3 复杂煤矿环境对定位的影响因素

煤矿作业环境的特殊性给无线定位带来严峻考验。狭窄曲折的巷道形成波导效应，加剧信号传播损耗；潮湿岩壁引起的介电常数变化造成相位畸变；悬浮粉尘颗粒散射电磁波产生附加时延扩展。更为复杂的是混合介质空间内不同材料的边界效应，当射频信号穿越混凝土支护体与空腔结构的交界面时，会发生全反射或折射角度突变。地质构造运动导致的微小形变也会改变预设天线阵列的方向图特性。加之多台机电设备同步运行时产生的同频段谐波干扰，使得原始信号的信噪比急剧下降。

2.精确定位算法优化设计

2.1 信号处理优化策略

针对多径效应引发的虚假峰值问题，提出基于小波包分解的能量熵特征提取方法。通过对接收信号进行多尺度分解，获取不同频段的能量分布图谱，结合香农熵理论量化各路径分量的信息量权重。设计自适应门限判决机制动态筛选有效径分量，剔除能量低于阈值且持续时间短促的杂散波。引入分数阶傅里叶变换抑制频率选择性衰落带来的波形失真，利用旋转因子调整最优变换阶次以匹配信道的记忆特性。采用滑动窗口平滑滤波消除突发噪声毛刺，同时保留有用的边缘突变信息。

2.2 定位模型改进方法

突破传统几何圆周相交的代数求解框架，建立基于概率图模型的联合估计体系。融合惯性导航系统的加速度计与陀螺仪数据，构建运动学约束方程修正纯测距解算的发散趋势。引入卡尔曼滤波框架下的交互式多模型算法，根据载体运动状态自动切换匀速、加速等典型模式匹配器。采用粒子滤波思想处理非线性非高斯噪声环境下的状态预测问题，利用重要性采样原理实现粒子集的自适应重分配。结合有限状态机描述工作人员的行为模式转移规律，建立隐马尔可夫链观测模型，通过维特比译码算法寻找最优路径轨迹。这种多源异构信息融合机制有效提升了复杂环境下的定位可信度。

2.3 算法流程的优化调整

重构传统串行处理架构为并行化流水线结构，将原本顺序执行的信号捕获、时延估计、位置解算等模块拆解为独立线程单元。设计双缓冲机制实现数据采集与处理的无缝衔接，避免因计算延迟造成的数据丢失。引入优先级队列管理不同质量等级的数据包，优先处理信噪比较高的优质样本。采用动态规划思想优化节点间的通信拓扑结构，减少冗余信息的重复传输。增设异常检测分支监控算法运行状态，当检测到发散迹象时自动触发容错机制切换备用模型。通过模块化设计提高系统的可扩展性和维护性，支持在线更新算法参数而无需停机重启系统。

3.优化算法测试与效果

3.1 测试环境搭建与参数设置

构建半实物仿真平台模拟真实矿井场景，利用电磁仿真软件生成典型巷道结构的射线追踪数据集。部署可调衰减器的矢量信号发生器模拟不同距离下的路径损耗特性，通过功率合成器复现多径叠加效应。设置可变频率的窄带干扰源检验算法抗干扰性能，使用任意波形发生器注入可控相位噪声验证稳定性边界。搭建多自由度运动平台承载被测标签终端，按照预定轨迹运行以评估动态跟踪效果。配置高速示波器采集基带信号样本供离线分析，确保测试过程可追溯复现。所有仪器设备通过同步触发总线实现亚微秒级时间对齐，保证测量数据的时效一致性。

3.2 定位精度与稳定性测试结果

改进后的算法在静态测试中表现出优异的收敛特性，定位点云集中在以真实位置为中心的极小区域内波动。动态跟踪模式下能够准确捕捉高速移动目标的连续轨迹，转弯处的位置偏差得到有效控制。长时间运行统计显示均值误差稳定在较低水平，标准差较优化前显著减小。在不同地质条件模拟实验中保持相似的性能表现，证明算法对环境变化的适应性强。对抗干扰测试表明即使在强电磁干扰环境下仍能维持基本的定位功能，未出现频繁失效现象。多设备并发测试验证了系统的容量扩展能力，新增标签未引起明显的性能劣化。

3.3 优化算法的实际应用优势

现场应用表明该算法显著提升了人员管理的精细化程度，调度中心可实时掌握井下作业人员的精确分布情况。搜救场景中快速锁定受困者位置大幅缩短响应时间，为黄金救援赢得宝贵时机。日常巡检自动化程度提高，减少人工清点的工作量和出错概率。与其他安全监控系统的数据融合增强了事故预警能力，通过分析人员活动模式识别潜在危险行为。维护成本因算法稳定性的提升而降低，减少频繁校准的需求。整体而言，优化后的 UWB 定位系统为矿山智能化转型提供了可靠的感知层支撑，推动了数字孪生矿山建设的进程。

结束语

基于 UWB 的煤矿人员精确定位算法优化设计是解决煤矿人员定位精度问题的有效途径。通过对信号处理、定位模型等方面的优化，改进后的算法在测试中展现出良好性能，能有效提高定位精度和稳定性。未来，需进一步结合煤矿实际生产需求，持续优化算法，加强与其他安全系统融合，以更好保障煤矿人员安全，推动煤矿行业安全生产水平提升。

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