CN114845240B - 面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统,包括：太空卫星搭载节点、空中飞行器搭载节点、地面中枢、地下矿井中继节点、地下矿工个人节点；太空卫星搭载节点与空中飞行器搭载节点通过高频电磁波单向通信连接；太空卫星搭载节点与地面中枢通过高频电磁波双向通信连接；地面中枢与空中飞行器搭载节点通过甚低频电磁波双向通信连接；地面中枢与地下矿工个人节点通过极低频电磁波双向通信连接；空中飞行器搭载节点与地下矿工个人节点通过极低频电磁波单向通信连接；所述地面中枢与所述地下矿井中继节点通过甚低频电磁波双向通信连接；所述地下矿井中继节点与所述地下矿工个人节点通过甚低频电磁波双向通信连接。

Description

面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统

技术领域

本发明属于低频通信技术领域，尤其涉及一种面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统。

背景技术

矿井应急通信系统是矿井发生瓦斯、水灾、火灾、冲击地压等事故后，仍能为遇险人员提供通信的系统。一方面，通过通信系统了解被困人员的状况和位置，可以让地上救援队伍合理的设计救援方案，尽快组织快速而有效的救援；另一方面，地上与地下信息的传输和沟通可以给予被困人员更大的生存信心和更强的求生欲。因此，矿井应急救援通信系统必须具有灾变情况下的顽存能力、灾变后的按需重构能力，以及通信与感知并重的特性。

现有的应用于地面和矿井下的通信主要采用有线通信系统网络进行传输，如矿井广播、调度电话等。其抗突发事故破坏力弱，当灾害事故发生时，线路容易遭到破坏，致使井上与井下通信的中断，通信系统瘫痪。此外，在有线通信系统铺设过程中，需要在预定节点处设立固定通信单元，一般铺设在人员相对集中、工作地点较为固定的位置，所以在矿井下并不能做到在任何工作地点通信，不适合作为应急条件下的紧急通信手段。

而对于无线应急通信网络。由于井下环境的特殊性，以及地下通信设备的特殊要求，限制了一般地面无线通信设备，如无线电话机、对讲机等在矿井下的应用。由于井下无线通信的电磁波传输介质不是空气，而是复杂的分层地质结构。一般地壳表层土壤含水量较高，且存在各种天然矿物，因为电导率较高，电磁波衰减严重。此外，电磁波的频率对其在地下的传播存在很大影响，频率越高，在地下传播的衰减越严重。因此，直接使用地面上空气中的无线通信系统难以实现矿井下的穿透通信。

发明内容

本发明的目的在于提出一种面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，充分利用不同频率电磁波的传播特性，实现了信息传输链路的信道拓宽。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，包括：太空卫星搭载节点、空中飞行器搭载节点、地面中枢、地下矿井中继节点、地下矿工个人节点；

所述太空卫星搭载节点与所述空中飞行器搭载节点通过高频电磁波单向通信连接；

所述太空卫星搭载节点与所述地面中枢通过高频电磁波双向通信连接；

所述地面中枢与所述空中飞行器搭载节点通过甚低频电磁波双向通信连接；

所述地面中枢与所述地下矿工个人节点通过极低频电磁波双向通信连接；

所述空中飞行器搭载节点与所述地下矿工个人节点通过极低频电磁波单向通信连接；

所述地面中枢与所述地下矿井中继节点通过甚低频电磁波双向通信连接；

所述地下矿井中继节点与所述地下矿工个人节点通过甚低频电磁波双向通信连接。

可选的，所述极低频电磁波用于传输矿工的生命体征和被困位置；基于所述空中飞行器搭载节点与所述地下矿工个人节点通信，对矿工位置进行搜寻获取矿工被困位置；基于所述地面中枢与所述地下矿工个人节点通信，获得矿工的生命体征。

可选的，所述甚低频电磁波对语音类别信息进行调制，用于地下矿井中继节点的自组网以及对所述地下矿工个人节点的穿透性联络。

可选的，所述穿透性联络包括：所述地面中枢、所述地下矿井中继节点和所述地下矿工个人节点进行透地通信，并且对地下被困矿工进行自救指导，获取事故的详细信息。

可选的，所述高频电磁波通过卫星组建不同矿区的协同救援网络，获取跨区域的应急救援组网，进行救援力量的调动与日常安全作业预警。

可选的，所述地下矿工个人节点用于矿下作业，并通过所述地下矿井中继节点实时与所述地面中枢建立通信。

可选的，所述建立通信采用下行通道和上行通道，所述下行通道用于所述地面中枢对矿工作业任务进行指示，所述上行通道用于回传矿工生命体征与矿工作业情况。

可选的，所述地下矿井中继节点包括环形天线、旋转平台、控制台、底座、电源、应急手动装置；所述环形天线由磁性材料制作，所述旋转平台用于控制磁性材料制作的所述环形天线旋转，所述控制台用于通信设置；所述底座用于承载所述地下矿井中继节点，所述电源用于供电，所述应急手动装置用于控制所述旋转平台旋转。

可选的，所述地下矿井中继节点的工作过程包括：发送信息和接收信息；发送信息时，所述旋转平台控制所述环形天线旋转，向外辐射低频电磁波，应急情况下采用应急手动装置控制旋转平台旋转，发送极低频信号；接收信息时，所述环形天线组成线圈测量指向上的磁场接收信号。

可选的，所述地下矿井中继节点采用半双工模式通过所述环形天线接收和发送低频电磁波。

本发明技术效果：

1.本发明矿用应急通信系统基于低频电磁波进行直接透地通信，具有强顽存性，同时建立多余度的应急通信信道，使得事故发生时能够保证应急通信系统的作用，保障应急救援过程中的信息通畅。

2.本发明使用不同频率的低频电磁波进行节点之间的互联，充分利用不同频率电磁波的传播特性，实现了信息传输链路的信道拓宽。

3.本发明矿用应急通信系统通过空天地井多领域的协同组网，增加了应急救援的多样化手段，提高了紧急救援任务中遇难矿工的生存概率。

4.本发明提出的一种中继节点实现方式，利用机械驱动辐射低频电磁波，降低了低频发信节点的体积，提高了能量利用效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统的流程示意图；

图2为本发明实施例面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统应用场景图；

图3为本发明实施例地下矿井中继节点的结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，本实施例中提供一种面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，包括：太空卫星搭载节点、空中飞行器搭载节点、地面中枢、地下矿井中继节点、地下矿工个人节点；

所述太空卫星搭载节点与所述空中飞行器搭载节点通过高频电磁波单向通信连接；

所述太空卫星搭载节点与所述地面中枢通过高频电磁波双向通信连接；

所述地面中枢与所述空中飞行器搭载节点通过甚低频电磁波双向通信连接；

所述地面中枢与所述地下矿工个人节点通过极低频电磁波双向通信连接；

所述空中飞行器搭载节点与所述地下矿工个人节点通过极低频电磁波单向通信连接；

所述地面中枢与所述地下矿井中继节点通过甚低频电磁波双向通信连接；

所述地下矿井中继节点与所述地下矿工个人节点通过甚低频电磁波双向通信连接。

对于不同频率的电磁波，当其频率越高，则可以携带信息量越多，但在地面下方能够穿透传播的距离越短；反之，频率越低的电磁波，虽然其携带的信息量较少，但是穿透能力强。因此，使用不同频率的电磁波进行应急通信系统间节点的通信，综合协调传输距离与携带信息量的矛盾，基于应用场景建立合理高效的传输链路。

在应急通信系统中，存在三种不同频率的信息传输通道。极低频电磁波频率为30Hz,穿透距离最长，但是携带的信息极少，用于空中飞行器直接向地下矿工发信，实现应急救援中被困矿工的搜寻，增强矿工的获救信心；此外还用于地面中枢与地下矿工的双向通信，对被困矿工的生命状况进行基本了解。该信道传输数据较少，仅传输矿工的生命体征与被困位置。在地下矿井中继节点损毁时，该频段的少量数据传输将成为应急救援的核心信息。

甚低频电磁波频率为3kHz，对地下土壤具有一定的穿透能力，同时该频率可以对语音类别信息进行调制，用于地下矿井中继节点的自组网，以及地下矿工个人的穿透性直接联络。在应急救援系统的正常运作中，地下矿工个人、矿井中继节点和地面中枢间使用甚低频电磁波进行透地通信，在日常生产时可以进行直接联系，在紧急条件下，该通信链路作为实施救援的主要信息获取方式，可以对地下被困矿工进行自救指导，通过对矿工的直接通话获取事故的详细信息。此外，由于矿井环境下使用的器械较多，铺设的电缆较密，因此存在较大的电磁干扰，因此地面中枢向空中飞行器之间的通讯使用甚低频段，可以获得较好的抗射频干扰能力。

高频段用于地面中枢、空中飞行器与卫星之间的通信。受限于电离层对低频信号的穿透限制，且不存在地下的高频电磁波严重衰减，使用高频段通过卫星组建不同矿区的协同救援网络，实现跨区域的应急救援组网，方便救援力量的调动与日常安全作业预警。

如图2所示，由太空卫星搭载节点1、空中飞行器搭载节点2、地面中枢3、地下矿井中继节点4、地下矿工个人节点5组成。在矿区的日常作业中，矿工携带地下矿工个人节点5进行矿下作业，并通过地下矿井中继节点4实时与地面中枢3建立通信，下行通道用于地面中枢3对矿工作业任务进行指示，上行通道用于回传矿工生命体征与矿工作业情况。在发生紧急状况时，地面中枢3派出空中飞行器搭载节点2进行应急搜救，建立应急通信的多重保障，同时通过太空卫星搭载节点1联系组网中的救援力量，并对组网中的其他矿井进行安全警告。

如图3所示，由1环形天线、2旋转平台、3、控制台、4底座、5电源、6应急手动装置组成。环形天线1由磁性材料制作。由于运动的磁偶极子可以向空间中辐射电磁波，在发送信息时，旋转平台2控制磁性材料制作的环形天线1的旋转，向外辐射低频电磁波，解决了低频发信天线的体积庞大的问题；在接收过程中，环形天线1组成线圈测量指向上的磁场。因此该中继节点工作于半双工状态，通过环形天线1进行信号的收发。在日常工作中，通过控制台3进行通信设置，在应急情况下，使用应急手动装置6控制旋转平台2的旋转，实现应急条件下极低频信号的发送。所述底座用于承载所述地下矿井中继节点，所述电源用于供电，所述应急手动装置用于控制所述旋转平台旋转。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，包括：太空卫星搭载节点、空中飞行器搭载节点、地面中枢、地下矿井中继节点、地下矿工个人节点；

所述太空卫星搭载节点与所述空中飞行器搭载节点通过高频电磁波单向通信连接；

所述太空卫星搭载节点与所述地面中枢通过高频电磁波双向通信连接；

所述地面中枢与所述空中飞行器搭载节点通过甚低频电磁波双向通信连接；

所述地面中枢与所述地下矿工个人节点通过极低频电磁波双向通信连接；

所述空中飞行器搭载节点与所述地下矿工个人节点通过极低频电磁波单向通信连接；

所述地面中枢与所述地下矿井中继节点通过甚低频电磁波双向通信连接；

所述地下矿井中继节点与所述地下矿工个人节点通过甚低频电磁波双向通信连接。

2.如权利要求1所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述极低频电磁波用于传输矿工的生命体征和被困位置；基于所述空中飞行器搭载节点与所述地下矿工个人节点通信，对矿工位置进行搜寻获取矿工被困位置；基于所述地面中枢与所述地下矿工个人节点通信，获得矿工的生命体征。

3.如权利要求1所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述甚低频电磁波对语音类别信息进行调制，用于地下矿井中继节点的自组网以及对所述地下矿工个人节点的穿透性联络。

4.如权利要求3所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述穿透性联络包括：所述地面中枢、所述地下矿井中继节点和所述地下矿工个人节点进行透地通信，并且对地下被困矿工进行自救指导，获取事故的详细信息。

5.如权利要求1所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述高频电磁波通过卫星组建不同矿区的协同救援网络，获取跨区域的应急救援组网，进行救援力量的调动与日常安全作业预警。

6.如权利要求5所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述地下矿工个人节点用于矿下作业，并通过所述地下矿井中继节点实时与所述地面中枢建立通信。

7.如权利要求6所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述建立通信采用下行通道和上行通道，所述下行通道用于所述地面中枢对矿工作业任务进行指示，所述上行通道用于回传矿工生命体征与矿工作业情况。

8.如权利要求1所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述地下矿井中继节点包括环形天线、旋转平台、控制台、底座、电源、应急手动装置；所述环形天线由磁性材料制作，所述旋转平台用于控制磁性材料制作的所述环形天线旋转，所述控制台用于通信设置；所述底座用于承载所述地下矿井中继节点，所述电源用于供电，所述应急手动装置用于控制所述旋转平台旋转。

9.如权利要求8所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述地下矿井中继节点的工作过程包括：发送信息和接收信息；发送信息时，所述旋转平台控制所述环形天线旋转，向外辐射低频电磁波，应急情况下采用应急手动装置控制旋转平台旋转，发送极低频信号；接收信息时，所述环形天线组成线圈测量指向上的磁场接收信号。

10.如权利要求9所述的面向应急救援的矿用小型化强穿透性空天地井通信系统，其特征在于，所述地下矿井中继节点采用半双工模式通过所述环形天线接收和发送低频电磁波。

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