Способ определения местоположения одного или некольких объектов в шахтах

(51) 01 5/14 (2006.01) 01 7/24 (2006.01) 01 19/01 (2010.01) 01 19/25 (2010.01) 01 19/39 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН характеристики сигнала , дополнительно измеряют регистратором характеристики радиосигналов с частотами (-), (1) от соседних регистраторов,передают эти измеренные характеристики сигналов на базовую станцию, а определение местоположения внешних границ неподвижного объекта (завала) включает следующие этапы определяют значение производных каждого из трех измеренных радиосигналов,фиксируют направление на формирующийся неподвижный объект по отношению к положению регистратора , с учетом значения и знаков производных радиосигналов,запоминают характеристики радиосигналов регистраторов в момент предшествующий окончанию формирования неподвижного объекта (завала), в случае формирования завала измеряют вручную расстояние между доступной внешней границей завала и регистраторомс помощью стандартных измерителей расстояния, передают значение измеренного расстояния на базовую станцию и определяют положение недоступной границы завала относительно (к 1) регистратора, совмещают границы неподвижного объекта (завала) и координаты мобильных объектов в момент, предшествующий окончанию формирования завала, и определяют положение мобильных объектов в завале. Технический результат обеспечивается за счет уточненной оценки значения эффективной поверхности завала, а также за счет точной оценки расстояния до доступной границы завала. Таким образом, предлагаемый способ определения местоположения одного или нескольких объектов в шахтах позволяет повысить точность определения положения мобильных объектов под завалом, а также по известным границам расположения завала реализовать возможные спасательные операции,например, пробивку дополнительного прохода из соседних штреков для спасения шахтеров при получении информации о размерах и местоположении завала.(72) Рутгайзер Олег Зиновьевич Габриелян Эдуард Артюшович Рутгайзер Илья Олегович(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ОБЪЕКТОВ В ШАХТАХ(57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения местоположения мобильных и неподвижных объектов и, в частности,определения местоположения горнорабочих и местоположение формирующегося протяженного неподвижного объекта при обрушении пластов породы,вследствие аварии (завала породы) в шахтах. Способ определения местоположения одного или нескольких объектов в шахтах, включает регистрацию положения меток, принадлежащих объектам, с помощью сети электронных регистраторов с известными координатами, в качестве меток мобильных объектов используют радиомаяки, включает также считывание идентификационных кодов радиомаяков и характеристик сигналов регистраторами, в штатном режиме характеристики сигналов радиомаяков и кодов регистраторов передают по многозвенной цепочкеячеек с помощью каналов связи на базовую станцию,определение местоположения объектов выполняют в зависимости от характеристик радиосигналов и положения регистраторов в ячейках. Для штреков шахт излучают с помощью антенны передатчика каждогорегистратора в многозвенной цепочке ячеек радиосигналы частотой , передатчик регистратора имеет ненаправленную антенну, в качестве меток неподвижного формирующегося протяженного объекта используют радиосигналыс частотой , которые отражаются от поверхности формирующегося неподвижного объекта с двумя границами Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения местоположения мобильных и неподвижных объектов и,в частности,определения местоположения горнорабочих и местоположение формирующегося протяженного неподвижного объекта при обрушении пластов породы, вследствие аварии (завала породы) в шахтах. Известен способ определения местоположения объектов и система для его осуществления. Способ обеспечивает определение унифицированных координат произвольных объектов, расположенных в прямой видимости от измерителя, за счет использованияприемника. (Евразийская заявка 201000546 А 1, дата публ. 31.10.2011 г.). Недостаток известного способа заключается в невозможности определения координат мобильных и неподвижных объектов при нахождении их в закрытых помещениях в туннеле, в штреке шахты. Это связано с тем фактом, что сигналы спутниковой навигации, передаваемые спутниками системы ,не принимаются антенной объекта из-за толщи земли. Известен способ определения местоположения перемещающегося сенсорного узла сети, согласно которому сенсорный узел, установленный на мобильном объекте, связан беспроводной связью с тремя неподвижными координационными узлами,территория поиска разделена на сетку ячеек с известными координатами, координаты объекта определяют с использованием параметров сигналов результатов радиозапросов, по результатам первого запроса выполняют преобразование координат и уточняют местоположение объекта (заявка РСТ/ЕР 2010/059156 от 29.12.2010 г.). Недостатком способа является невозможность оценить положение мобильных объектов по отношению к координатам завала и определить положение объектов в зоне завала. Известен способ определения местоположения объектов погребенных под завалами людей,заключающийся в предварительном размещении на людях ретрансляторов, облучении поверхности участка, под которым может быть засыпан человек,направленным электромагнитным сигналом,формируемым сканирующим блоком, который излучает немодулированный двухчастотный сигнал,местоположение объекта определяют, используя оценку изменения сдвига фаз между излученным и отраженным сигналом для двух положений сканирующего блока относительно положения завала (Патент РФ 2379703 опубл. 20.01.2010 г.). Недостатком способа является его применимость лишь для сплошной монолитной породы с известными свойствами поглощения и отражения,но в большинстве случаев завал состоит из кусков породы,камней,фрагментов строительных конструкций и поэтому точность определения местоположения незначительна. Кроме того,требование обеспечения двух положений сканирующего блока относительно местоположения завала в штреке можно реализовать только с доступной стороны, что вносит неопределенность в 2 вычисление местоположения объектов,погребенных под завалами людей. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения местоположения одного или нескольких мобильных объектов и система для его осуществления, включающий регистрацию положения меток, принадлежащих объектам,с помощью сети электронных регистраторов с известными координатами, в качестве электронных регистраторов используют радиопеленгационные устройства, при этом в качестве меток мобильных объектов используют радиомаяки, включающий также считывание идентификационных кодов радиомаяков и характеристик сигналов регистраторами и передачу характеристик сигналов радиомаяков и кодов регистраторов по многозвенной цепочкеячеек с помощью сети регистраторов на базовую станцию,определение местоположения объектов выполняют в зависимости от характеристик радиосигналов и положения регистраторов в ячейках или по измеренным данным о направлении на радиомаяки(заявка 2007123154 А, дата публикации 27.12.2008 г.). Недостатком этого способа является его низкая точность определения местоположения объектов в условиях формирования завала в штреке шахты изза того, что определение границ завала и местоположения людей, которые оказались под завалом, выполняется без учета изменения поверхности и структуры границ завала,недостатком также является невозможнорть использования радиопеленгационных устройств для определения направления излучения в шахтах из-за того, что условия прямой видимости не всегда выполняются. Задачей изобретения является создание способа определения местоположения мобильных объектов в штреке шахты в нормальных технологических условиях, который повышает точность определения местоположения границ завала и местоположении людей под завалом в аварийных ситуациях. Технический результат при использовании предлагаемого способа повышается точность получения информации о местоположении объектов в штреках шахт при возникновении обрушения породы и в фиксации информации о размерах и местоположении завала. Поставленная задача решается тем, что способ определения местоположения одного или нескольких объектов в шахтах,включает регистрацию положения меток, принадлежащих объектам,с помощью сети электронных регистраторов с известными координатами, в качестве меток мобильных объектов используют радиомаяки,включает также считывание идентификационных кодов радиомаяков и характеристик сигналов регистраторами, в штатном режиме характеристики сигналов радиомаяков и кодов регистраторов передают по многозвенной цепочкеячеек с помощью каналов связи на базовую станцию, определение местоположения объектов выполняют в зависимости от характеристик радиосигналов и положения регистраторов в ячейках, согласно изобретению, для штреков шахт излучают с помощью антенны передатчика каждогорегистратора в многозвенной цепочке ячеек радиосигналы частотой ,передатчик регистратора имеет ненаправленную антенну,в качестве меток неподвижного формирующегося протяженного объекта используют радиосигналыс частотой ,которые отражаются от поверхности формирующегося неподвижного объекта с двумя границами местоположения,измеряют регистраторомхарактеристики сигнала ,дополнительно измеряют регистратором характеристики радиосигналов с частотами (-) ,(1) от соседних регистраторов, передают эти измеренные характеристики сигналов на базовую станцию, а определение местоположения внешних границ неподвижного объекта (завала) включает следующие этапы определяют значение производных каждого из трех измеренных радиосигналов,фиксируют направление на формирующийся неподвижный объект по отношению к положению регистратора , с учетом значения и знаков производных радиосигналов,запоминают характеристики радиосигналов регистраторов в момент предшествующий окончанию формирования неподвижного объекта(завала), в случае формирования завала измеряют вручную расстояние между доступной внешней границей завала и регистратором к с помощью стандартных измерителей расстояния, передают значение измеренного расстояния на базовую станцию и определяют положение недоступной границы завала относительно (к 1) регистратора,совмещают границы неподвижного объекта (завала) и координаты мобильных объектов в момент,предшествующий окончанию формирования завала,и определяют положение мобильных объектов в завале. Технический результат обеспечивается за счет уточненной оценки значения эффективной поверхности завала, а также за счет точной оценки расстояния до доступной границы завала. Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически показана часть сети определения местоположения объектов в штреке шахты при отсутствии завала. На фиг.2 схематически показана часть сети определения местоположения объектов в штреке шахты в момент формирования завала. На схемах обозначены- З - завал породы. Сеть определения местоположения объектов включает множество регистраторов(координационных узлов, изображенных в виде окружностей), размещенных последовательно от начала штрека до его конца. Расположение координационных узлов сети предварительно определяется с помощью известных методов и фиксируется на базовой станции. Координационные узлы образуют фиксированную одномерную многозвенную сеть. Система определения местоположения объектов содержит перемещающиеся объекты (изображенные в виде треугольников), на которые установлены радиомаяки и сенсоры состояния среды штрека. Маяки взаимодействуют с одним или двумя координационными узлами при условии, что маяки и координационные узлы находятся на расстоянии,не превышающем возможного приема/передачи сигналов друг друга. Таким образом, зона действия координационных узлов сети такова, что в каждой точке сети объекты будут находиться в зоне покрытия,по крайней мере,одного координационного узла. Система определения местоположения объектов включает в себя базовую станцию (Б), которая связана с первым узлом (Р 1) в сети. Базовая станция обрабатывает информацию от всех координационных узлов, которые передают информацию последовательно через соседние координационные узлы в сторону первого узла Р 1. Пусть завал (фиг.2) формируется между координационными узлами Р 2 и Р 3. На фиг. 2 завал не полностью заполнил пространство штрека и информация к узлу Р 2 от всех последующих узлов(включая 3, 3), передается через узел Р 3 и щель между завалом и поверхностью штрека. Для момента формирования завала, когда он полностью заполняет пространство сечения штрека, передача информации от узла Р 3 прекращается. Расстояние между узлом Р 2 и доступной границей измеряется(после окончания формирования завала) вручную стандартными измерительными инструментами. В зоне завала, в соответствии с фиг.2, находится мобильный объект М 2. Предлагаемый способ определения местоположения объектов реализуется следующим образом. В штатном режиме,при нормальных технологических условиях, происходит передача характеристик сигналов радиомаяков и кодов регистраторов по многозвенной цепочкеячеек с помощью каналов связи на базовую станцию,определение местоположения объектов на базовой станции выполняют в зависимости от характеристик радиосигналов двух соседних регистраторов и положения регистраторов в ячейках. Во время формирования завала сигнал связи между двумя координационными узлами(регистраторами) Р 2 и Р 3 уменьшается за счет уменьшения величины сигнала 3, при этом величина сигнала 2 отраженного от доступной границы завала увеличивается, величина сигнала 3, отраженного от недоступной границы, также увеличивается, а со стороны регистратора Р 1 величина сигнала 1 остается неизменной. Радиосигналы 3, 3 от регистратора Р 3 передают через регистраторы Р 2,Р 1 на базовую станцию. Радиосигнал 2 от Р 2 передают к Р 1, а от Р 1 поступает на базовую станцию. Базовая станция фиксирует изменения величин сигналов и вычисляет 3 значения и знаки производных радиосигналов,пришедших от всех регистраторов по многозвенной цепочке. На первом этапе определения местоположения завала по знакам и значениям производных каждого из трех измеренных радиосигналов, фиксируют направление на формирующийся неподвижный объект по отношению к положению регистратора Р 2. Например, если регистратор Р 2 фиксирует отсутствие изменения производной 1/ и существенное отрицательное значение производной 3/, то базовая станция фиксирует процесс формирования завала между регистраторами Р 2 и Р 3. На втором этапе определения местоположения завала запоминают характеристики радиосигналов регистраторов в момент (-1), предшествующий окончанию формирования неподвижного объекта(завала). Окончание формирования завала в момент временисоответствует моменту прекращения передачи информации от соседнего регистратора,т.е. 30. На третьем этапе определения местоположения завала, который начинается после окончания процесса формирования завала, технические работники вручную измеряют расстояние 1 между доступной границей неподвижного объекта (завала) и регистратором Р 2 с помощью стандартных измерителей расстояния, передают значение измеренного расстояния на базовую станцию и определяют с помощью известных зависимостей расстояние 2 между недоступной границей завала и регистратором Р 3. Недоступную границу завала определяют,используя следующие зависимости. Мощность сигнала 2, отраженного от завала, принимаемого регистратором Р 2, использующего, например,совмещенную ненаправленную антенну передатчика и приемника,определяется выражением(Теоретические основы радиолокации Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Я.Д Ширмана. - М. Советское радио, 1970.с. 236) С 2 Ри ч(/,)/ (41)4, (1) где 2 - мощность сигнала, отраженного от завала, поступающего на вход приемника регистратора Р 2 ч(,) - эффективная поверхность границы завала для участка штрека, которая зависит от времени формирования завала - , его площади и структурыРи - мощность излучения передатчика регистратора Р 2 1 - расстояние между завалом и положением регистратора Р 2. Из формулы (1) видно, что мощность сигнала 2, отраженного от завала, и принимаемого узлом регистратора Р 2, зависит от ряда параметров мощности излучаемого сигнала Ри передатчика Р 2,расстояния 14 распространения сигнала от передатчика до завала, эффективной поверхности границы завала ч(,) со стороны Р 2,еч(,) в свою очередь зависит от геометрических размеров поверхности отражения и структуры породы завала,4 времени. Часть этих параметров в (1) остается неизменной, а часть параметров существенно изменяется в процессе формирования завала. С учетом изложенного, мощность отраженного сигнала (1) можно представить в виде 2 1 ч(,)/14, (2) где 1 - постоянная величина, зависящая от параметров передатчика и приемника Р 2. В соответствии с предлагаемым способом устраняют зависимостьот времени и принимают значение ч(,) равным величине эффективной поверхности границы завала в конкретный момент времени (момент окончания формирования завала),т.е. ч(,)ч 0 Из формулы (2), определяем ч 0 ч 02 14/ 1 (3) В данном выражении неизвестными являются 1 1. Для вычисления ч 0 неизвестное расстояние ,между регистратором Р 2 и доступной границей завала измеряют вручную после того, как закончится формирование завала с использованием стандартных измерительных средств, а величину 1 определяют предварительно по известным характеристикам передатчика и приемника и заносят в базу данных базовой станции, величина сигнала 2 известна она запоминается на базовой станции в момент, предшествующий окончанию формирования завала. Принимая структуру и площадь границ поверхности завала ч 0 одинаковой с обеих сторон завала, определит расстояние 2 между регистратором Р 3 и недоступной границей завала в соответствии с формулой (2) 24 2 ч 0/3, (4) где 3 - мощность сигнала, отраженного от недоступной границы завала, поступающего на вход регистратора Р 3 2 - постоянная величина, которая зависит от параметров передатчика и приемника Р 3. В выражении (4) значения ч 0, 2 и 3 определены,следовательно,значение местоположения недоступной границы завала 2 может быть определено на базовой станции. На четвертом этапе определения местоположения завала, на базовой станции совмещают границы завала, с использованием координат регистраторов Р 2, Р 3, относительных границ завала 1 2 и координат мобильных объектов М 2 и определяют наличие и положение мобильных объектов в завале, в случае, если объект М 2 оказался в границах завала. Реализовать способ определения местоположения одного или нескольких объектов в шахтах можно при помощи устройств беспроводной передачи данныхстандарта 802.15.4. Устройства работают в режиме приема/передачи, в диапазоне 2,4 ГГц, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц. При использовании такого диапазона частот сигнал, попадающий на поверхность завала, слабо проникает под его поверхность. Передатчик устройстваимеет ненаправленную антенну. Один частотный канал может работать на прием сигнала от соседнего регистратора, другой канал может работать на передачу сигнала к соседнему регистратору,оставшиеся каналы могут использоваться для фиксации (приема) и передачи информации от мобильных объектов. Повышение точности получения информации о местоположении границ завала и местоположении людей под завалом в аварийных ситуациях в шахтах достигается за счет того, что способ позволяет оценить и учесть реальные физические параметры поверхности завала и местоположение одной доступной границы завала. Таким образом,предлагаемый способ определения местоположения одного или нескольких объектов в шахтах позволяет повысить точность определения положения мобильных объектов под завалом, а также по известным границам расположения завала реализовать возможные спасательные операции, например,пробивку дополнительного прохода из соседних штреков для спасения шахтеров при получении информации о размерах и местоположении завала. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения местоположения одного или нескольких объектов в шахтах, включающий регистрацию положения меток, принадлежащих объектам,с помощью сети электронных регистраторов с известными координатами, при этом в качестве меток мобильных объектов используют радиомаяки, включающий также считывание идентификационных кодов радиомаяков и характеристик сигналов регистраторами и передачу характеристик сигналов радиомаяков и кодов регистраторов по многозвенной цепочкеячеек с помощью сети регистраторов на базовую станцию, определение местоположения объектов выполняют в зависимости от характеристик радиосигналов и положения регистраторов в ячейках, отличающийся тем, что для штреков шахт излучают с помощью антенны передатчика каждогорегистратора в многозвенной цепочке ячеек радиосигналы частотой , передатчик регистратора имеет ненаправленную антенну, в качестве меток неподвижного формирующегося протяженного объекта используют радиосигналыс частотой , которые отражаются от поверхности формирующегося неподвижного объекта с двумя границами местоположения,измеряют регистраторомхарактеристики сигнала, дополнительно измеряют регистратором характеристики радиосигналов с частотами (-),(1) от соседних регистраторов, передают эти измеренные характеристики сигналов на базовую станцию, определение местоположения объекта,выполняют в зависимости от границ завала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют значение производных / каждого из трех измеренных радиосигналов, фиксируют направление на формирующийся неподвижный объект по отношению к положению регистратора ,с учетом знаков и значения производных радиосигналов. 3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что запоминают характеристики радиосигналов регистраторов в момент предшествующий окончанию формирования неподвижного объекта(завала). 4. Способ по п.1-3, отличающийся тем, что измеряют вручную расстояние между доступной границей завала ирегистратором с помощью стандартных измерителей расстояния, передают значение измеренного расстояния на базовую станцию и определяют положение неконтролируемой границы завала относительно регистратора (1). 5. Способ по п. 1-4, отличающийся тем, что совмещают границы завала и координаты мобильных объектов на базовой станции и определяют наличие и положение мобильных объектов в завале.