Д.В. Федосов1, А.В. Николаев2, А.В. Колесников3, Е.И. Старовойтов4, А.А. Логунов5

1,3 НПООО «КВ-СВЯЗЬ» (г. Омск, Россия)
2 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (Москва, Россия)
4 АО «НИИМА «ПРОГРЕСС» (Москва, Россия)
5 ПАО «РРК «ЭНЕРГИЯ» им. С.П. Королева» (г. Королев, Московская область, Россия)
1 xferra@mail.ru, 2 alarmoren@yandex.com, 3 kolesnikov.radio@yandex.ru, 4 info@i-progress.tech, 5 post@rsce.ru

Постановка проблемы. Для повышения промышленной безопасности и производительности подземных предприятий в настоящее время требуется внедрять системы локального позиционирования. Поскольку подземные сооружения, к которым относятся шахты, рудники, туннели метро, коллекторы и т.п., не досягаемы для спутниковых систем навигации, в них используются методы радионавигации ультравысоких и сверхвысоких частот.

Цель. Анализ научных разработок и коммерческих решений в области радионавигации с помощью диапазона ультравысоких и сверхвысоких частот, используемых в подземных сооружениях.

Результаты. Рассмотрены методы радионавигации с помощью ультравысоких и сверхвысоких частот, приведены данные о точности определения расстояния современными системами позиционирования.

Практическая значимость. Проведено обобщение и систематизация методов позиционирования ультравысоких и сверхвысоких частот и систем для подземных сооружений, представленных на рынке.

Федосов Д.В., Николаев А.В., Колесников А.В., Старовойтов Е.И., Логунов А.А. Современное состояние систем радионавигации диапазона ультравысоких и сверхвысоких частот в подземных сооружениях // Успехи современной радиоэлектроники. 2025. T. 79. № 4. С. 48–63. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202504-05

1. Захаров В.Н., Кубрин С.С. Цифровая трансформация и интеллектуализация горнотехнических систем // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2022. № 5-2. С. 31–47. https://doi.org/10.25018/0236_1493_ 2022_52_0_31
2. Ferreira A.F.G., Fernandes D.M.A., Catarino A.P., Monteiro J.L. Localization and positioning systems for emergency responders: a survey // IEEE Communications surveys and tutorials. 2017. V. 19. № 4. Р. 2836–2870. http://dx.doi.org/10.1109/COMST.2017.2703620
3. Seguel F. Underground mine positioning: a review // IEEE Sensors Journal. 2022. V. 22. № 6. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021. 3112547
4. Fernando L.P. Positioning systems for underground tunnel environments / CERN-THESIS-2016-101. P. 187. URL: https://cds.cern.ch/ record/2215397
5. Hancke G.P., Silva B. Wireless positioning in underground mines // IEEE Industrial electronics magazine. 2021. V. 15. № 3. P. 39–48. https://doi.org/10.1109/MIE.2020.3036622
6. Bensky A. Wireless positioning technologies and applications / A. Bensky-Artech House. 2008. P. 297.
7. Forooshani A.E., Bashir S., Michelson D.G., Noghanian S. A survey of wireless communications and propagation modeling in underground mines // IEEE Communications surveys & tutorials. 2013. V. 15. P. 1524–1545. https://doi.org/10.1109/SURV.2013. 031413.00130
8. Федосов Д.В., Николаев А.В., Колесников А.В., Лапин С.Э., Бабенко А.Г. Обзор способов организации подземной связи и перспективы использования диапазона средних волн в шахтах // Труды НИИР. 2022. № 1. С. 19–36. https://doi.org/10.34832 /NIIR.2022.8.1.003
9. Patri A., Nayak A., Jayanthu Dr.S. Wireless communication systems for underground mines – A critical appraisal // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT). 2013. V. 4(7). С. 3149–3153. URL: http://www.ijettjournal.org/archive/ ijett-v4i7p174
10. Yarkan S., Guzelgoz S., Arslan H., Murphy R. Underground mine communications: a survey // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2009. V. 11. P. 125–142. https://doi.org/10.1109/SURV.2009.090309
11. Bandyopadhyay L.K., Mishra P.K., Chaulya S.K. Wireless Communication in Underground Mines. New York, NY: Springer US, 1 ed. 2010. https://doi.org/10.1007/978-0-387-98165-9
12. Bedford M.D., Rodríguez López A.J.A., Foster P.J. Low-cost leaky feeder communication for mines rescue // Mining technology. 2020. V. 129(4). P. 217–227. https://doi.org/10.1080/25726668.2020.1838110
13. Moschevikin A., Serezhina M., Sikora A. On the possibility to use leaky feeders for positioning in chirp spread spectrum technologies // Proc. 2nd Int. Symp. Wireless Systems within the Conferences on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems, Offenburg. 2014. P. 56–65. https://doi.org/10.1109/IDAACS-SWS.2014.6954624
14. Pereira F., Theis C., Moreira A., Ricardo M. Multi-technology RF fingerprinting with leaky-feeder in underground tunnels / Proc. Int. Conf. Indoor Positioning and Indoor Navig. (IPIN), Sydney. NSW. 2012. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/IPIN.2012.6418871
15. Серов С.А., Куликов Р.С., Петухов Н.И. Использование многолучевого распространения сверхширокополосного радиосигнала для навигации внутри помещения // Радиотехника. 2022. № 11. Т. 86. С. 109–114. https://doi.org/10.18127/j00338486-202211-17
16. Литвинов С.Н., Ладаном С.А., Шеремет Е.И. Особенности применения систем позиционирования на производстве // Динамика сложных систем – XXI век. 2023. № 2. Т. 17. С. 17–26. https://doi.org/10.18127/j19997493-202302-02
17. Hrovat A., Kandus G., Javornik T. A Survey of radio propagation modeling for tunnels // IEEE Communications surveys & tutorials. 2013. V. 16 (2). P. 658–669. https://doi.org/10.1109/SURV.2013.091213.00175
18. Emslie A., Legace R., Strong P. Theory of the propagation of UHF radio waves in coal mine tunnels // IEEE Transactions on antennas and propagation. 1975. V. 23(2). P. 192–205. https://doi.org/10.1109/TAP.1975.1141041
19. Ranjan A., Sahu H.B., Misra P. Modeling and measurements for wireless communication networks in underground mine environments // Measurement. 2019. 106980. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.106980
20. Zhang Y.P., Zheng G.X., Sheng J.H. Radio propagation at 900 MHz in underground coal mines // IEEE Transactions on antennas and propagation. 2001. V. 49 (5). P. 757–762. https://doi.org/10.1109/8.929630
21. Ranjan A., Misra P., Dwivedi B., Sahu H.B. Studies on propagation characteristics of radio waves for wireless networks in underground coal mines // Wireless personal communications. 2017. V. 97(2). P. 2819–2832. https://doi.org/10.1007/s11277-017-4636-y
22. Bedford M.D., Kennedy G.A., Foster P.J. Radio transmission characteristics in tunnel environments // Mining technology. 2017.
    V. 126(2). P. 77-87. https://doi.org/10.1080/14749009.2016.1259196
23. Jacksha R, Zhou C. Measurement of RF propagation around corners in underground mines and tunnels // Transactions of the society for mining, metallurgy, and exploration. 2016. V. 340(1). P. 30–37. https://doi.org/10.19150/trans.7324
24. Zhang Y.P. Novel model for propagation loss prediction in tunnels // IEEE Transactions on vehicular technology. 2003. V. 52. № 5. P. 1308–1314. https://doi.org/10.1109/TVT.2003.816647
25. Hakem N., Delisle G., Coulibaly Y. Radio-wave propagation into an underground mine environment at 2.4 GHz, 5.8 GHz and 60 GHz / The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014). https://doi.org/10.1109/EuCAP.2014.6902607
26. Taleb H.A., Ghanem K., Zaaimia M. Z., Mabrouk I. B., Nedil M. On 60 GHz MIMO diversity in an undeground mine propagation channel // IEEE Antennas and wireless propagation letters. 2020. V. 19. № 10. P. 1769–1773. https://doi.org/10.1109/LAWP.2020.3017350
27. Tariq S.A.M. et al. Angular dispersion of a scattered underground wireless channel at 60 GHz // IEEE Access. 2020. V. 8. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2986716
28. Saleem A., Zhang X., Xu Y., Albalawi U.A., Younes S. A critical review on channel modeling: implementations, challenges and applications // Electronics. 2023. V. 12. № 9. P. 1–42. https://doi.org/10.3390/electronics12092014
29. Chehri A., Fortier P., Tardif P.M. Characterization of the ultra-wideband channel in confined environments with diffracting rough surfaces // Wireless personal communications. 2012. V. 62. P. 859–877. http://dx.doi.org/10.1007/s11277-010-0097-2
30. Chen Yu, et al. A survey on LPWAN-5G Integration: main challenges and potential solutions // IEEE Access. 2022. V. 10. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3160193
31. Cheng B., Cheng X., Chen J. Lightweight monitoring and control system for coal mine safety using REST style // ISA Transactions. 2015. V. 54. P. 229–239. https://doi.org/10.1016/j.isatra.2014.07.004
32. Qin Y., Zhou C., Yang S. H., Wang F. A distributed newton iteration-based localization scheme in underground tunnels // Proceedings of the 2012 UKACC International Conference on Control, CONTROL 2012, 2012, pp. 851–856. http://dx.doi.org/ 10.1109/CONTROL.2012.6334743
33. Tahir N., Karim M. M., Sharif K., Li F., Ahmed N. Quadrant-based weighted centroid algorithm for localization in underground mines // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics).2018. V. 10874 LNCS. P. 462–472. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-94268-1_38
34. Moridi M., Kawamura Y., Sharifzadeh M., Chanda E.K., Wagner M., Jang H., Okawa H. Development of underground mine monitoring and communication system integrated ZigBee and GIS // International journal of mining science and technology. 2015. V. 25. № 5. P. 811–818. http://doi.org/10.1016/j.ijmst.2015.07.017
35. Song M., Qian J. Improved sequence-based localization applied in coal mine // International Journal of Distributed Sensor Networks. 2016. V. 12. № 11. http://dx.doi.org/10.1177/1550147716669615
36. Nerguizian C., Despins C., Affes S. Geolocation in mines with an impulse response fingerprinting technique and neural networks // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2006. V. 5. P. 603–611. https://doi.org/10.1109/TWC.2006.1611090
37. Nerguizian C., Despins C., Affes S., Djadel M. Radio-channel characterization of an underground mine at 2.4 GHz // IEEE Transactions on wireless communications. 2005. V. 4. № 5. P. 2441–2453. https://doi.org/10.1109/TWC.2005.853899
38. Ralston J.C., Hargrave C.O., Hainsworth D.W. Localization of mobile underground mining equipment using wireless Ethernet // Conference Record – IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society). 2005. V. 1. P. 225–230. https://doi.org/ 10.1109/IAS.2005.1518314
39. Lin P., Li Q., Fan Q., Gao X., Hu S. A real-time locationbased services system using Wi-Fi fingerprinting algorithm for safety risk assessment of workers in tunnels // Mathematical problems in engineering. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/371456
40. Cypriani M., Delisle G., Hakem N. Wi-Fi-based positioning in underground mine tunnels / 2013 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, IPIN 2013. https://doi.org/10.1109/IPIN.2013.6817894
41. Guo Y., Liu H., Shu L., Li J. The precise underground localization method based on WIFI network / APCC 2012 – 18th Asia-Pacific Conference on Communications: Green and Smart Communications for IT Innovation. 2012. P. 664–667. https://doi.org/ 10.1109/APCC.2012.6388277
42. Srikanth B., Kumar H., Rao K. A robust approach for WSN localization for underground coal mine monitoring using improved RSSI technique // Mathematical modelling of engineering problems. 2018. V. 5. P. 225–231 http://dx.doi.org/10.18280/ mmep.050314
43. Li M., Liu Y. Underground coal mine monitoring with wireless sensor networks // ACM Transactions on sensor networks. 2009. V. 5. P. 1–29. https://doi.org/10.1145/1498915.1498916
44. Fan Q., Li W., Hui J., Wu L., Yu Z., Yan W., Zhou L. Integrated positioning for coal mining machinery in enclosed underground mine based on SINS/WSN // The scientific world journal. 2014. http://dx.doi.org/10.1155/2014/460415
45. Minhas U.I., Naqvi I. H., Qaisar S., Ali K., Shahid S., Aslam M.A. A WSN for monitoring and event reporting in underground mine environments // IEEE Systems journal. 2018. V. 12. P. 485–496. https://doi.org/10.1109/JSYST.2016.2644109
46. Liu Z., Li C., Wu D., Dai W., Geng S., Ding Q. A wireless sensor network based personnel positioning scheme in coal mines with blind areas // Sensors. 2010. V. 10. № 11. P. 9891–9918. http://dx.doi.org/10.3390/s101109891
47. Chehri A., Fortier P., Tardif P.M. UWB-based sensor networks for localization in mining environments // Ad Hoc Networks. 2009. V. 7. P. 987–1000. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2008.08.007
48. Cheng G. Accurate TOA-Based UWB Localization System in Coal Mine Based on WSN // Physics Procedia. 2012. V. 24. P. 534–540. http://dx.doi.org/10.1016/j.adhoc.2008.08.007
49. Qin Y., Wang F., Zhou C. A distributed UWB-based localization system in under-ground mines // Journal of networks. 2015. V. 10. http://dx.doi.org/10.4304/jnw.10.3.134-140
50. Chen W. Personnel precise positioning system of coal mine underground based on UWB // Journal of physics: conference series. 2021. № 1920(012115). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1920/1/012115
51. Rusu S.R., Hayes M.J.D. Localization in large-scale underground environments with RFID / 24th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2011. P. 1140–1143. http://dx.doi.org/10.1109/CCECE.2011.6030640
52. Pereira F., Theis C., Moreira A., Ricardo M. Performance and limits of KNN-based positioning methods for GSM networks over leaky feeder in underground tunnels // Journal of location based services. 2012. V. 6. P. 117–133. https://doi.org/10.1080/17489725. 2012.692619
53. Dayekh S., Affes S., Kandil N., Nerguizian C. Cost-effective localization in underground mines using new SIMO/MIMO-like fingerprints and artificial neural networks / 2014 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC). 2014. P. 730–735. http://dx.doi.org/10.1109/ICCW.2014.6881286
54. Baek J., Choi Y., Lee C., Suh J., Lee S. BBUNS: bluetooth beacon-based underground navigation system to support mine haulage operations // Minerals. 2017. V. 7. P. 228. http://dx.doi.org/10.3390/min7110228
55. Jiang S., Wang W., Peng P. A single-site vehicle positioning method in the rectangular tunnel environment // Remote sensing. 2023. V. 15. № 2. P. 5–27. https://doi.org/10.3390/rs15020527
56. ТАЛНАХ многофункциональный шахтный информационный комплекс. URL: https://it-ind.ru/product/oborudovanie-svyazi-i-peredachi-dannykh-dlya-shakht-rudnikov-i-tonneley/talnakh-mnogofunktsionalnyy-shakhtnyy-informatsionnyy-kompleks/
57. ГОРИЗОНТ многофункциональный шахтный информационный комплекс. URL: https://it-ind.ru/product/oborudovanie-svyazi-i-peredachi-dannykh-dlya-shakht-rudnikov-i-tonneley/gorizont-mnogofunktsionalnyy-shakhtnyy-informatsionnyy-kompleks/
58. Васильев В.А. Связь, позиционирование и аварийное оповещение в золотодобывающих подземных рудниках // Золото и технологии. 2022. № 1(55). С. 106–110.
59. Новиков А.В., Паневников К.В., Писарев И.В. Многофункциональная система безопасности угольных шахт – практика применения систем определения местоположения и оповещения персонала // Горная Промышленность. 2018, № 2(138). C. 93–98.
60. Новиков А.В., Паневников К.В., Писарев И.В. Рудник и многофункциональная система безопасности // Горная промышленность. 2019. № 5. C. 04–09. http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-5-04-09
61. Новиков А.В., Паневников К.В., Писарев И.В. МФСБ – связь, оповещение и определение местоположения персонала в угольных шахтах // Горная промышленность. 2019. № 1. С. 37–40. http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-1-143-37-40
62. ГРАНЧ. URL: https://www.granch.ru/ru/sistemy-bezopasnosti
63. ARMAPHONE. URL: https://armaphon.ru/
64. RADIUS. Типовые технические решения. URL: https://radius-nvic.ru/page7058240.html
65. RealTrac. URL: https://real-trac.com/ru/
66. Система позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41. URL: https://uraltexis.ru/production/spgt-41
67. Mine Radio Systems. URL: https://mineradio.ru/about/?ysclid=l9fav127j1216798476
68. Becker Mining Systems. Smart underground communications. VHF Leaky feeder system. URL: https://www.becker-mining.com/sites/default/files/smartcom_vhf_leaky_feeder_system_rev_d_0.pdf
69. Горячев Д.В., Ухов В.И. Архитектура системы позиционирования и связи для шахт «Кондор» // Уголь России и майнинг. 2020. № 7. С. 21–22.
70. Архитектура системы позиционирования и связи для шахт «Кондор» / Компания ДЭП. Системы и средства промышленной автоматизации. URL: http://dep.ru/presscentr/articles/gornaya-promyshlennost/arkhitektura-sistemy-pozitsionirovaniya-i-svyazi-dlya-shakht-kondor/
71. Strata Worldwide.  https://www.strataworldwide.com/mining
72. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 08.12.2020 №507 «Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах».
73. ГОСТ Р 55154-2019. Оборудование горно-шахтное. Многофункциональные системы безопасности угольных шахт. Общие технические требования.