“通信-定位-导航-授时-计算”五维一体！中国煤科常州研究院：井下星网构建与关键技术研究综述

2026年06月18日 15:06 智能矿山杂志责编：铁甲小编作者：智能矿山杂志

摘要

煤矿井下环境多网分立、时钟各异的信息基础设施，已成为制约矿山智能化与无人化发展的核心瓶颈。笔者系统梳理井下星网作为新一代矿山数字基础设施的构建理论与关键技术，提出 “星-网-端”三维融合架构，阐明其作为全矿井集“通信、授时、定位、导航与边端计算”五维于一体的战略定位；从底层通信与授时基础设施构建的视角，深度剖析基于切片分组网（SPN）与时间敏感网络（TSN）融合的确定性承载网技术，以及“1588v2+SyncE”实现的全网微秒级同步机理；探讨基于频率选择性表面（FSS）的多频共口径融合无线接入技术。针对移动终端应用，突破传统范式，详细论述基于因子图优化（FGO）的多源融合定位算法，依托“边端算力下沉”实现的多模态自主寻迹导航与多目标协同模型；量化评估系统整体性能，旨在为“十五五”时期智能矿山的“数字新基建”提供系统的理论参考。

该成果在煤炭无人化开采数智技术研讨会暨成果发布会上进行了发布点击链接查看详情

文章来源：《智能矿山》2026年第5期“煤炭无人化开采数智技术重大成果专题”

第一作者：罗克，高级工程师，现任煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室矿井地下感知与通信技术研究室副主任，主要从事矿山定位、通信的相关研究工作。E-mail：fengqlk@qq.com

作者单位：煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室；中煤科工集团常州研究院有限公司；天地（常州）自动化股份有限公司

引用格式：罗克，柴晴峰，陈晓晶，等. 井下星网构建与关键技术研究综述 [J]. 智能矿山，2026,7 (5):38-43.

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煤矿井下环境为复杂的特殊作业空间，巷道狭长受限、隔绝卫星信号，存在爆炸性气体与高浓度粉尘。传统井下信息基础设施的多网并行、性能割裂的状态，已成为制约矿山高阶智能化发展的主要瓶颈。

传统模式下，工业环网、安全监测网、视频网等多套系统独立建设，导致严重的“信息孤岛”；定位系统多采用一维测距，精度仅约30 cm，无法为机器人或自动驾驶提供厘米级连续导航；无线通信多为独立单频段，切换存在“断续”风险，无法支撑远程精准控制等微秒级时延要求的核心业务。

多网并行、性能割裂的现状，导致“人、机、环”等关键生产要素的数据时序上不一致、空间无法对齐。特别是在少人化、无人化工作面，采煤机远程高精度控制要求端到端时延<10 ms；无人驾驶胶轮车定位精度达到5~10 cm，且迫切需要终端具备强大的本地计算与决策能力以应对网络波动。面向具身智能装备协同作业、无人化运输等场景，行业亟需根本性变革。

为打破上述瓶颈，中煤科工集团常州研究院有限公司于2021年首次提出“一体化通信及精准位置服务”概念，并于2023年进一步提出“井下星网”概念。井下星网经过2年的研发，被评选为“中国煤科2025年科技创新10大成果”，其核心理念是借鉴“星链”全域覆盖、一体承载的思想，在井下构建一套集成“通信、定位、导航、授时、计算”于一体的开放式数字新基建。近年来，学术界与产业界围绕井下星网开展了大量研究与实践，但在定位、导航与授时（PNT）核心功能体系及底层硬核技术架构上，尚缺乏系统深入的理论剖析，已有研究多聚焦于单一技术突破，缺乏面向“通信-定位-导航-授时-计算”“五位一体”融合的系统性架构设计。

为此，笔者立足于煤矿智能化转型前沿，系统梳理并提出“星-网-端”三维融合的井下星网体系架构。重点围绕通信、定位、导航、授时、计算5个核心维度，探讨底层基础设施与终端应用的核心技术研究进展，并结合超过380个矿井的大规模工程化应用数据，验证该体系的先进性，最后展望井下星网向空天地融合及通感一体化演进的未来趋势，以期为“十五五”智能矿山建设提供坚实的理论支撑与工程参考。

井下星网体系架构演变

1.1 架构演进历程

井下星网并非单一技术的堆砌，而是一场从底层物理媒介到上层业务逻辑的全面重构。回顾煤矿信息化的发展历程，井下网络架构经历了3个典型的演进阶段，煤矿井下通信技术发展路线如图1所示。

图1 煤矿井下通信技术发展路线

（1）多网分立的“信息孤岛”期

此阶段以满足单一业务需求为导向，工业环网、人员定位网络、调度通信网络各自独立铺设。由于缺乏统一的顶层设计，各系统在物理层和协议层均不互通，导致井下线缆交错、重复投资严重，更使得“人-机-环-管”数据难以在底层拉通，形成了严重的数据壁垒。

（2）基于4G/5G的初步融合期

随着宽带无线通信技术引入煤矿，井下实现了以视频、语音为主的业务融合。煤矿井下人员定位系统（如基于UWB技术的精确定位系统、基于RFID或ZigBee的区域定位系统等）与通信系统依然独立，网络缺乏统一的高精度时钟授时。在应对高阶自动驾驶、精准远控等对时空一致性、确定性低时延要求极高的场景时，该架构依然不能满足要求。

（3）“星-网-端”一体化的井下星网期

面向“十五五”高级别智能化需求，系统性地重构底层逻辑，将分散的通信、定位、导航、授时及计算资源进行物理级与逻辑级的深度整合，确立“星-网-端”三维融合总体架构。

1.2 “星-网-端”三维融合架构

（1）“星”层——通信-位置-授时融合基站

部署于井下巷道的本安型一体化融合基站，形成虚拟星座。通过多频共口径天线技术，实现5G/4G/WiFi/UWB等通信、位置、授时多源信号的单设备、共网全覆盖与无感漫游。

（2）“网”层——确定性综合承载枢纽

以控制中心结合物理层切片综合承载网为核心，建立独立通道的“星型”联结。采用切片分组网（SPN）与时间敏感网络（TSN）融合技术，解决大带宽传输，实现全网高精度时钟的统一分发与基站位置坐标体系的构建。

（3）“端”层——感算一体化智能终端

涵盖定位卡、智能矿灯、无人驾驶车辆，改变传统终端仅作“数据采集器”的功能，赋予终端利用多模异构信号进行自主坐标解算、路径规划及设备间低时延边缘安全协同的能力。井下星网系统架构如图2所示。

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图2 井下星网系统架构

井下“星-网”协同传输与高精度时空基准构建

井下星网作为新一代矿山数字基础设施，首要任务是突破传统煤矿井下“多网并立、时钟各异、信号割裂”的物理瓶颈。从底层基础设施构建的视角，探讨骨干承载网的确定性演进、全网高精度时间同步机制，以及复杂受限空间下的多频融合无线接入技术，构建完整的“星-网”协同传输网络，实现从“尽力而为”向“确定性协同”的演进。

2.1 基于SPN与TSN融合的确定性综合承载网

煤矿井下工业环网、安全监测网、视频监控网等多套独立网络并存，数据协议不互通、资源无法动态调配。海量高清视频监控要求大带宽传输，采煤机远程控制、无人驾驶等业务则对超低时延和可靠性要求严苛，传统的以太网统计复用机制，无法在网络拥塞时保障关键控制指令的确定性传输。

为解决此类基础性网络矛盾，井下星网引入切片分组网（SPN）与时间敏感网络（TSN）的深度融合架构。在网络物理层，SPN技术基于灵活以太网（FlexE）的信道化交叉机制，通过时隙交叉矩阵实现物理级别的硬切片。切片机制为不同业务类型划分了绝对隔离的带宽通道，从根本上避免突发视频大流量对高优控制信令的挤占。

在此基础上，网络进一步在MAC层融合TSN协议族（如IEEE 802.1Qbv）。TSN利用门控调度（TAS）机制，为高优先级的控制数据配置专用的时间窗口。在TAS机制下，交换机端口的最大排队时延受最大允许传输的帧长度、链路带宽、可能产生抢占的干扰帧集合、节点处理时延等影响。通过“SPN物理硬切片+TSN软调度”的融合，成功构建了10万兆级别的综合承载网，将核心网抖动控制在微秒级，实现全矿井异构业务的“一网承载”。确定性综合承载网架构示意如图3所示。

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图3 确定性综合承载网架构

2.2 纳秒级联合授时与全网时间同步机制

确定性通信网的稳定运行与多源数据的精准融合，高度依赖于全网统一的授时基准。井下典型智能化业务对授时精度的具体需求见表1。

表1 井下典型智能化业务对授时精度的具体需求

在传统的井下独立网络中，各子系统时钟异步，导致“人、机、环”等多维数据在汇聚时出现严重的“时序错乱”，无法进行有效的多传感器联合解算，更无法支撑多设备间的协同作业。因此，高精度的时空基准对齐是井下星网架构的“灵魂”。

依托于SPN+TSN综合承载网的链路通道，井下星网构建基于“1588v2+SyncE（同步以太网）”的联合授时机制。该机制采用分层协同策略：在物理层，利用SyncE提取并传递高稳定的频率信号，消除网络节点的频率漂移；在报文层，利用IEEE 1588v2精密时间协议（PTP）进行双向报文交互，以补偿光纤链路中的非对称延迟并实现高精度的相位对齐。主从节点之间通过交换报文记录关键时间戳，节点间的时间偏差（Offset）和单向延迟（Delay）均受到非对称延迟的影响。

系统引入单纤双向（BiDi）光模块与驻留时间硬件打戳技术进行非对称延迟补偿，实现骨干网纳秒级、边缘节点微秒级的严苛授时同步。

通过软硬件结合的硬件打戳技术，该联合授时机制克服井下复杂级联拓扑带来的累积误差，最终在全矿井范围内实现骨干网纳秒级、边缘节点微秒级的严苛时间同步。此类高精度时间基准的建立，为后续的UWB/IMU多源数据对齐与底层MAC调度提供基础。

2.3 复杂电磁环境下的多频共口径融合天线与接入

在完成骨干承载与全网授时后，将高质量的信号稳定延伸至移动终端是井下星网构建的最后一环。煤矿井下巷道狭长受限，且充斥着金属支架、大型机电设备以及高浓度煤尘，电磁环境复杂。传统的井下无线接入多采用单体天线独立部署的方式，5G、WiFi、UWB等不同频段的设备相互堆叠，占用空间大、易产生严重的邻频干扰，且在终端高速移动时容易出现信号频繁切换断链的“盲区”。

针对受限空间下的多模信号覆盖难题，井下星网创新性地采用基于频率选择性表面（FSS）的矿用多模异构天线共口径集成技术。FSS技术相当于一种空间电磁滤波器，通过在天线上蚀刻微结构使其呈现特定的等效电容和等效电感。

利用该特性，系统使得5G频段无损透射，UWB频段被反射，将多种频段高度集成于单一端口内。将5G通信、UWB定位等多种不同频段的天线阵子高度集成于单一物理端口内，实现多频段射频信号的共口径辐射。减小基站设备的物理体积，将雷达散射截面（RCS）降低了80%以上，有效抑制巷道内的多径反射干扰。结合统一的算力调度，该融合接入方案消除异构网络间的切换壁垒，保障人员与车辆在井下行进间通信的无缝漫游与连续不中断。

井下星网“端”侧多源融合定位与自主导航技术

构建高精度时空基准与确定性传输网络，赋能井下海量移动终端如巡检机器人、无人驾驶车辆、智能穿戴设备等，使其具备在复杂未知环境中的高阶位置感知与自主决策能力。本节将视角从“网络基础设施”转向“终端应用”，依次剖析多源融合定位的抗差算法、弱纹理盲区下的多模态自主导航，以及基于统一基准的多目标协同控制技术。

3.1 基于因子图优化（FGO）的抗NLOS融合定位

煤矿井下严重遮挡的物理环境导致UWB等无线测距信号频繁遭遇非视距NLOS）传播，造成井下定位误差陡增的最核心因素。传统的井下定位系统多采用扩展卡尔曼滤波（EKF）进行多传感器数据融合。然而，EKF是基于马尔可夫假设的递归算法，依赖上一时刻的状态进行当前位姿估计，当某一时刻的UWB测距值因NLOS产生较大跳变，易导致滤波器发散和误差的持续累积。

为突破NLOS误差瓶颈，井下星网引入基于因子图优化（FGO）的全局融合定位架构。基于微秒级全网时间同步，UWB的绝对位置观测数据与惯性测量单元（IMU）、地磁传感器的高频相对运动数据得以在时间轴上精准对齐。区别于EKF的局部递推，FGO将所有历史位姿节点与多源传感器的观测数据统一构建为全局概率图模型，系统旨在求解代价最小的最优状态组合。

在优化求解过程中，算法首先在物理层提取UWB信号的信道冲激响应（CIR）特征，以实时评估当前链路的NLOS概率；在模型中引入鲁棒核函数，实现在全局非线性最小二乘优化的代价函数中，对高NLOS概率的观测因子进行自适应降权。此将底层特征感知与顶层全局优化深度耦合的机制，从根本上削弱异常测距值的干扰，实现UWB与IMU/地磁的深耦合最优估计，将井下复杂环境中的定位精度提升至厘米级。

3.2 弱纹理盲区下的多模态自主寻迹与导航

高精度三维坐标的获取是实现智能化的第一步，而赋予终端自主寻迹和避障能力是实现真正无人化的关键。传统井下终端多处于“网络算、终端收”的被动模式，当脱离基站信号覆盖或遭遇严重干扰，便会丧失行动能力。特别是在煤尘大、光照弱且缺乏明显特征的“弱纹理”工作面或采空区盲区，单纯依赖无线定位已无法满足安全行驶的需求。

井下星网打破此类范式，推动“边端算力下沉”与“多模态感知融合”。在终端侧，除接收UWB融合解算的绝对坐标外，系统进一步引入了激光测速雷达（LiDAR）与视觉里程计。针对弱纹理导致的视觉特征点提取困难，算法创新性地融合激光测距提供的高精度局部深度信息，边缘计算单元构建紧耦合状态空间方程，深度融合UWB全局约束与高频局部里程。

基于井下数字孪生高精度三维地图，终端设备能够在本地实时规划行驶路径，结合前端感知信息进行自主避障与轨迹纠偏。此多模态自主寻迹技术，使得无轨胶轮车和巡检机器人在井下盲区保持稳健的自主导航能力，实现“通信-定位-导航”闭环。

3.3 基于统一时空基准的多目标协同控制与MAC调度

随着井下无人化装备密度的增加，单体智能已无法满足高效生产的需求，系统正从“单机自主”向“多机协同”演进。例如，在连采工作面，多台梭车、采煤机和锚杆钻车需要紧密配合，传统的基于位置上报再由云端下发指令的方式，时延大且易因网络波动导致车辆碰撞或拥堵。井下星网以全网统一的高精度时空基准为依托，提出一种分布与集中相结合的多目标协同控制架构。

（1）在网络底层接入控制方面，基于统一的时间基准，系统设计面向特定群组的MAC层时分多址（TDMA）时隙动态分配策略，多台协同作业的车辆可，在预分配、无冲突的微秒级时隙内，高频、确定性地交互状态向量信息。

（2）在应用控制层，基于终端获取的高精度多源融合位置，相邻设备能够自主构建局部动态拓扑，实时感知彼此的相对运动趋势。结合全局数字地图与群智协同算法，多台无人设备可以在无需云端频繁干预的情况下，自主完成路径让行、编队行驶和交叉口协同调度。标志着井下通信与控制从物理割裂走向深度的语义融合，为未来全矿井无人驾驶集群作业奠定坚实的理论与技术基础。

井下星网的深化与拓展

系统梳理煤矿井下星网的构建理论与关键技术体系。从底层看，通过SPN与TSN的融合实现骨干网的确定性承载，利用1588v2+SyncE确立全网的微秒级统一时钟，并通过FSS技术突破复杂受限空间的多频无线覆盖难题，改变井下网络“各自为政”的局面。从端侧看，基于高精度时钟基准的FGO因子图优化提升NLOS环境下的多源融合定位精度，边缘算力下沉与多模态感知则赋予井下移动装备在弱纹理盲区真正的自主导航与群智协同能力。展望未来，井下星网的发展仍需在以下4个维度进行深化与拓展。

（1）向更深维度的算网融合演进未来的井下星网不仅是数据的传输通道，更应成为分布式的算力资源池。探索算力感知网络（CFN）在井下的应用，实现“网调算、算融网”，将是支撑更高级别矿山AI大模型落地的关键。

（2）向更恶劣盲区的泛在感知突破针对采空区、掘进机截割头前端等极端恶劣且信号完全拒止的盲区，需进一步探索无源感知、基于声学或微震的非视距协同定位新机理，以填补现有电磁波感知的盲点。

（3）向跨模态语义通信的理论创新面对海量高清视频与控制信令的带宽需求，传统的香农极限面临挑战。未来可探索将语义通信理论引入井下星网，实现“传意义而非传比特”，从根本上提升有限频谱资源下的信息交互效率与鲁棒性。

（4）井下星网作为构建智能矿山的数字神经系统与时空基准平台，其理论的持续创新与技术的工程化落地，必将为我国煤炭工业的安全、高效、绿色转型提供强有力的支撑。

结语

井下星网作为面向智能矿山建设的新一代数字基础设施，突破传统井下多网分立、时钟异步、定位滞后、算力分散等核心瓶颈。系统构建“星-网-端”三维融合体系，依托SPN与TSN融合的确定性承载、“1588v2+SyncE”全网高精度授时、多频共口径无线接入等关键技术，打造集通信、定位、导航、授时、计算五维一体的统一平台。基于因子图优化的多源融合定位、弱纹理盲区自主导航及统一时空基准下的多目标协同控制，支撑井下无人装备与智能终端的高精度、高可靠作业，为我国煤炭工业安全高效、绿色智能转型注入持久动力。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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