基于5G 与UWB 融合的煤矿井下人员高精度定位与应急通信系统研究

一、引言

煤矿安全生产关乎重大，井下人员实时定位与应急通信是安全保障关键。传统定位系统精度低，应急通信存在信号差、延迟大等问题。5G 的高速率、低时延和UWB 的高精度测距能力，为煤矿井下安全管理带来新方向。二者融合构建的系统，将有力提升煤矿井下安全保障水平。

二、系统架构设计

2.1 总体架构

基于5G 与UWB 融合的煤矿井下系统由井上控制中心、井下 5G 网络、UWB定位基站、人员定位标签及应急通信终端构成。井上控制中心是数据处理中枢，经核心网与井下 5G 网络相连，完成数据汇总分析与指令下达；井下 5G 网络作为传输骨干，保障UWB 定位数据、应急通信信息的高速上传与指令下发。UWB定位基站部署于巷道关键位置，实现人员高精度定位；人员定位标签集成UWB通信、定位与应急按钮，便于人员随身使用；应急通信终端分布井下各处，支持紧急情况下的语音、视频通信。

2.25G 网络部署

井下5G 网络采用分布式基站架构，以光纤连接基带单元（BBU）与各巷道射频拉远单元（RRU）。RRU 负责信号收发，实现井下全覆盖，其防爆、防尘、防潮设计及强抗干扰能力，适配井下复杂环境。网络配置依业务需求分配带宽，定位数据采用低时延、高可靠模式传输，应急视频流保障充足带宽，确保通信质量。

2.3UWB 定位基站部署

UWB 定位基站按三角形或四边形分布于巷道顶壁，保证各定位区域至少 3基站覆盖，间距 30-50 米。基站通过有线或无线接入 5G 网络，上传定位数据。采用多天线技术增强信号接收与抗干扰能力，同时精确同步基站时钟，降低时钟偏差导致的测距误差，提升定位精度。

三、定位算法研究

3.1UWB 测距原理

UWB 定位基于TOA（到达时间）或TDOA（到达时间差）原理进行测距。以 TOA 为例，人员定位标签向周围的 UWB 定位基站发送 UWB 脉冲信号，基站接收到信号后记录信号到达时间。由于信号在空气中的传播速度已知，通过计算信号从标签到基站的传播时间，即可得到标签与基站之间的距离。假设信号传播速度为 c，信号从标签到基站的传播时间为t，则标签与基站之间的距离 d=c^*t

3.2 定位解算算法

在定位解算环节，本系统综合运用三边定位算法与加权最小二乘法。先借助多个UWB 定位基站与人员定位标签的测距数据，构建三边定位模型。通过该模型，理论上能依据基站坐标与标签到基站的距离，计算出标签的坐标位置。

然而，实际测量中存在噪声干扰与测量误差，会影响定位精度。为此引入加权最小二乘法，根据测距精度、信号强度等因素，为每个测距值赋予权重，精度高、信号强的测距值权重更大。通过最小化加权后的误差平方和，优化定位计算，从而得到更精准的人员定位结果，确保井下人员位置信息的可靠性。

3.3 抗干扰与误差修正

井下环境复杂，存在多种干扰因素影响UWB 定位精度，如非视距（NLOS）传播、多径效应等。为减小 NLOS 误差，采用基于信号特征的NLOS 识别算法，通过分析UWB 信号的到达时间、信号强度、信号波形等特征，判断信号是否受到 NLOS 干扰。对于受到 NLOS 干扰的测距值，采用统计模型或机器学习方法进行修正。针对多径效应，采用 RAKE 接收机技术，对多个路径的信号进行分离和合并，提高信号的信噪比，从而提升测距精度。同时，通过卡尔曼滤波算法对定位结果进行实时滤波，进一步减小噪声和误差对定位精度的影响。

四、应急通信机制

4.1 通信协议

应急通信采用定制的通信协议，基于 5G 网络的切片技术，为应急通信业务分配独立的网络切片，保障通信的可靠性和低时延。在协议设计上，采用短消息和语音、视频相结合的方式。在紧急情况下，人员通过定位标签上的应急按钮触发短消息报警，同时自动连接至最近的应急通信终端，进行语音或视频通话。通信协议支持自适应编码和调制技术，根据网络信号质量和信道状况，自动调整编码和调制方式，保证通信的稳定性和流畅性。

4.2 语音与视频通信

应急通信终端具备高清语音和视频通信功能。语音通信采用先进的语音编解码算法，如 AMR-WB（自适应多速率宽带），提高语音质量和抗丢包能力。视频通信采用H.264 或H.265编码标准，根据网络带宽动态调整视频分辨率和帧率，在保证视频清晰度的同时，确保视频流的实时传输。在网络延迟较大时，采用视频缓存和预取技术，减少视频卡顿现象。同时，应急通信终端支持双向通信，井上控制中心和井下人员可以实时进行信息交互。

4.3 通信可靠性保障

为提高应急通信的可靠性，采用冗余链路设计。除了 5G 网络作为主通信链路外，还配备了备用通信链路，如基于 LoRa（远距离无线电）的低功耗通信链路。当5G 网络出现故障或信号中断时，自动切换至备用通信链路，保证通信的连续性。在信号增强方面，应急通信终端和人员定位标签采用高增益天线，提高信号的发射和接收能力。同时，在井下关键区域设置信号中继器，增强信号覆盖范围和强度。此外，通过网络监测和故障诊断系统，实时监测通信网络的运行状态，及时发现和解决通信故障。

五、系统实现与测试

5.1 系统实现

在某煤矿井下进行系统试点部署。5G 网络部署了 10 个 RRU，实现了主要巷道的5G 信号全覆盖。UWB 定位基站共部署了50 个，按照设计的布局方案分布在巷道中。人员定位标签为每个井下作业人员配备，共发放200 个。应急通信终端安装在井下各个作业区域和避难硐室，共计 30 个。井上控制中心搭建了数据服务器和应用服务器，运行定位数据处理软件和应急通信管理软件。

5.2 定位精度测试

在井下不同区域设置多个测试点，每个测试点安排测试人员携带定位标签。通过与实际测量的坐标进行对比，测试系统的定位精度。测试结果表明，在视距环境下，系统定位精度可达 10-15 厘米；在非视距环境下，通过抗干扰和误差修正措施，定位精度可稳定在 20-30 厘米，满足煤矿井下高精度定位的需求。

六、结论

本文提出的基于 5G 与UWB 融合的煤矿井下人员高精度定位与应急通信系统，通过合理的系统架构设计、先进的定位算法和可靠的通信机制，实现了井下人员的高精度定位和高效应急通信。实验测试结果表明，该系统定位精度高、通信响应快，能够有效提升煤矿井下的安全管理水平。

未来，随着 5G 和UWB 技术的不断发展和完善，可以进一步优化系统性能。例如，在定位算法方面，结合人工智能技术，提高对复杂井下环境的适应性和定位精度；在通信方面，探索更高频段的通信应用，提升通信速率和容量。同时，加强系统与其他煤矿安全监测系统的融合，实现数据的共享和协同，为煤矿安全生产提供更全面、更可靠的技术支持。

参考文献

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作者简介：李晨旭，1990 年 7 月 3 日，男，山东省新泰市，汉族，本科，工程师，煤矿安全方向