高精度室內(nèi)外一體化定位技術(shù)及其在電纜通道巡檢中的應(yīng)用

肖巖 李冀 唐朝云 張繪軍 劉麗珍

摘? ?要：文章分析了RTK技術(shù)與UWB結(jié)合的室內(nèi)外一體化結(jié)合的高精度定位技術(shù)特點并分析了其在電纜通道精確定位的應(yīng)用前景，討論了室內(nèi)外一體化定位涉及的定位方法、智能一體化終端硬件設(shè)計、位置數(shù)據(jù)的傳輸、位置在地圖上的呈現(xiàn)等方法。

關(guān)鍵詞：電纜通道;實時動態(tài)載波相位差分技術(shù);超寬帶;室內(nèi)外一體化定位;高精度定位

智能巡檢系統(tǒng)的運行依賴于位置信息的可靠與高精度，目前比較流行的位置服務(wù)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），但GNSS也有其自身的局限性和脆弱性。由于無線電波無法穿越墻體和一些障礙物，在室內(nèi)無法接收到GNSS信號，因此，無法在室內(nèi)利用GNSS完成定位任務(wù)。而超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位可應(yīng)用在室內(nèi)定位，定位精度5～10 cm，滿足電纜通道巡檢的高精度定位要求。

1? ? 室內(nèi)外一體化定位巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

實時動態(tài)載波相位差分（Real-time Kinematic，RTK）技術(shù)具有較高的定位精度，可有效避免傳統(tǒng)技術(shù)中誤差較大的弊端，定位精度可達到cm級別。UWB技術(shù)具有傳輸速率高、抗多徑干擾能力強、功耗低、成本低、穿透能力強、低截獲概率、定位精度高、與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)共享頻譜等特點。融合當前先進的UWB定位技術(shù)和高精度RTK技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)外一體化定位，為電纜通道巡檢提供高效精準的室內(nèi)外位置信息，可大大推進智能巡檢系統(tǒng)在電纜通道中的應(yīng)用。基于室內(nèi)外一體化定位的智能巡檢系統(tǒng)，硬件主要由超寬帶定位基站和標簽、服務(wù)器、后臺終端PC機、手持終端組成，當巡檢前端需要進行實時定位和數(shù)據(jù)傳輸功能時，需要后臺服務(wù)器開通互聯(lián)網(wǎng)，手持終端設(shè)備打開移動網(wǎng)絡(luò)。

巡檢人員通過無線網(wǎng)絡(luò)把巡檢任務(wù)信息同步到手持終端上，在外出巡視時手持智能終端并佩戴定位標簽，智能終端地圖根據(jù)接收到的定位標簽信號和定位服務(wù)器發(fā)送的位置數(shù)據(jù)確定巡檢人員位置并導(dǎo)航，到達任務(wù)點附近時，智能終端語音提示，巡檢人員根據(jù)該任務(wù)點定義的設(shè)備巡視項進行逐項巡視，記錄數(shù)據(jù)內(nèi)容。巡視任務(wù)完成后，將巡視結(jié)果通過巡視管理主機，提交到服務(wù)器中。巡檢智能終端采用Android設(shè)備，實現(xiàn)巡檢的移動化、信息化、標準化和智能化。在Android終端平臺上設(shè)計室內(nèi)外定位一體化的APP來實現(xiàn)室內(nèi)外定位一體化，進行數(shù)據(jù)采集、地圖顯示、導(dǎo)航等。

2? ? 室內(nèi)外一體定位設(shè)備的硬件設(shè)計

UWB實現(xiàn)定位有兩種模式：主動定位和被動定位。（1）主動定位：由UWB定位標簽發(fā)送超寬帶信號，超寬帶基站接收這些信息并將這些信息發(fā)送到定位引擎進行解算，通過到達時間差（Time Difference of Arrival ，TDOA）算法或飛行時間測距（Time of Flight，TOF）算法解算出標簽位置信息，然后通過位置服務(wù)器將標簽信息廣播出去。（2）被動定位：是由UWB定位基站發(fā)送定位信號，定位標簽接收到該信息后，將這些數(shù)據(jù)傳送到智能終端，利用智能終端的強大運算能力進行定位解算。

根據(jù)UWB的定位模式，高精度室內(nèi)外一體化定位終端的工作模式也有兩種，分別是：（1）主動定位方式：UWB主動定位+RTK。（2）被動方式：UWB被動定位+RTK。

主動定位方式下一體化終端工作模式，智能終端接入互聯(lián)網(wǎng)以獲取連續(xù)運行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）站差分校正數(shù)據(jù)，并通過藍牙發(fā)送給定位模塊，定位模塊接收差分數(shù)據(jù)后與當前接收的衛(wèi)星信號聯(lián)合解算以得到固定解。定位模塊以一定頻率發(fā)送超寬帶信號，當基站接收到該信號后通過網(wǎng)線或WiFi傳輸數(shù)據(jù)到位置服務(wù)器進行解算，解算后的位置信息通過特高頻（Ultra High Frequency，UHF）回傳給定位模塊，并由定位模塊通過藍牙傳輸?shù)街悄芙K端。位置服務(wù)器也可通過WiFi傳輸給智能終端或上傳到云服務(wù)由智能終端通過互聯(lián)網(wǎng)獲取位置數(shù)據(jù)。

被動定位方式一體化定位終端集成RTK模塊和UWB模塊，RTK接收GNSS信號以接收提供室外定位信息，RTK并為UWB模塊提供時間校正，UWB接收UWB基站發(fā)送的定位信息幀。終端搭載高性能計算CPU，如Cortex A5x/7x系列，利用多個核心即可在終端完成復(fù)雜的位置計算。解算后的位置顯示在地圖上以供巡檢人員導(dǎo)航并記錄巡檢軌跡，位置數(shù)據(jù)并通過WiFi或藍牙在必要時傳到后臺管理服務(wù)器[1]。

主動定位方式需要從服務(wù)器獲取UWB定位的位置信息，所以中間總是有延遲，而且當無線網(wǎng)絡(luò)擁堵或信號弱時，巡檢人員將不能獲取定位信息從而影響導(dǎo)航功能實現(xiàn)，所以，必須確保連接到一個可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。而被動定位則需要智能終端具有強大的計算能力，并且大量的計算將消耗掉電池電量，這將對智能終端的續(xù)航構(gòu)成挑戰(zhàn)。

3? ? 坐標系轉(zhuǎn)換與定位結(jié)果的地圖顯示

室內(nèi)定位的結(jié)果為平面直角坐標系，而GNSS接收信號為WGS84地心固空間坐標系，這兩種數(shù)據(jù)的融合就涉及定位坐標系的轉(zhuǎn)換問題。為了方便，在智能終端上進行地圖顯示時，可以把數(shù)據(jù)統(tǒng)一在WGS84大地坐標系下。

在布設(shè)室內(nèi)UWB定位基站時，首先，選擇坐標原點，坐標原點的選擇必須能保證較好的測量條件，以便通過RTK可以測量其經(jīng)緯度值（lon0，lat0），并達到較高精度。其次，選擇坐標軸分別使X軸沿著東方向，Y軸沿著北方向，通過全站儀或激光測距測量各個基站相對原點的坐標。最后，在得到標簽定位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)算法可以得到標簽相對原點的坐標（x，y），然后通過公式（1）方便地轉(zhuǎn)換為WGS84大地坐標系坐標。

其中，R為地球半徑。

室內(nèi)定位結(jié)果轉(zhuǎn)換為WGS84的坐標后，為了兼容GNSS定位結(jié)果，可以NMEA 0183的格式將定位數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如$GUGGA幀和$GUGST幀，分別對應(yīng)GPS定位中的$GPGGA和$GPGST幀。智能終端接收到兩種定位信息時，進行判別，例如只有RTK位置信息，則呈現(xiàn)RTK定位數(shù)據(jù)，只有UWB定位數(shù)據(jù)時，則呈現(xiàn)UWB定位數(shù)據(jù)。當同時接收到兩種定位信息時，進行比較，根據(jù)定位數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性，選擇合適的數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)。

導(dǎo)航的實現(xiàn)需要展現(xiàn)在地圖之上，現(xiàn)有的開放地圖提供的場景主要關(guān)注于城市道路等公共區(qū)域，對室內(nèi)場景較少涉及，所以，室內(nèi)地圖顯示沒有現(xiàn)成的地圖資源可以利用。為了實現(xiàn)室內(nèi)定位，需要自己構(gòu)建室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)。室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)可由圖片組成，每個地圖圖片都包含對角的兩個經(jīng)緯度坐標值（x0，y0），（x1，y1），構(gòu)成邊界坐標，每個圖片賦予唯一的ID，記錄ID以及對應(yīng)的邊界坐標，在程序中存儲圖片ID和相應(yīng)的邊界坐標，實時比較當前定位結(jié)果和邊界坐標值，當定位結(jié)果在邊界坐標之內(nèi)時，載入室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)。智能終端上進行地圖顯示時首先調(diào)用開放性地圖平臺進行顯示，當進入室內(nèi)后，在開放性地圖平臺上疊加顯示測繪好的室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了便利的室內(nèi)外無縫導(dǎo)航[2]。

4? ? 結(jié)語

RTK定位結(jié)合UWB定位的室內(nèi)外一體化定位技術(shù)對電纜通道的定位具有較高的精確度，相較于傳統(tǒng)方法，電纜通道定位不僅精度更高，適用范圍也大為擴展。利用基于智能終端的電纜通道巡視系統(tǒng)，巡檢人員可以在智能終端查看巡檢任務(wù)及地理信息，由巡視現(xiàn)場RTK和UWB來定位電纜通道與巡檢人員到位情況，從根本上杜絕巡檢人員誤檢和漏檢情況，并有效解決移動終端室內(nèi)定位精度偏差較大等問題。室內(nèi)外精確定位實現(xiàn)電纜通道巡檢是一種行之有效的方法，可以預(yù)見，在未來一段時間，這種技術(shù)將會得到大規(guī)模應(yīng)用。

[參考文獻]

[1]蔣彪，王健，沈鵬，等.基于智能終端的電纜通道巡視系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].電氣技術(shù)，2017（9）：114-117.

[2]劉侃曰，黃一婷.RTK技術(shù)與無人機測繪在電纜通道運維的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2018（9）：143-147.