UWB 定位技術(shù)在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

褚杰輝，張 丹，姚 遠(yuǎn)

（1.黃河水利委員會(huì)榆次水文水資源勘測(cè)局,山西 晉中 030600；2.杭州靈翔電子發(fā)展有限公司,浙江 杭州 310000）

1 引言

水文測(cè)驗(yàn)在現(xiàn)代化發(fā)展過(guò)程中對(duì)大量的設(shè)備進(jìn)行了自動(dòng)化升級(jí)改造,其中大量各種類(lèi)型的渡河設(shè)備在無(wú)人化的過(guò)程中,對(duì)遠(yuǎn)程測(cè)控提出了全新的定位需求,以保證測(cè)驗(yàn)中渡河設(shè)施的安全。同時(shí)在水文測(cè)驗(yàn)中,斷面定位的精度又會(huì)通過(guò)斷面面積的計(jì)算影響水文測(cè)驗(yàn)中流量,泥沙的的測(cè)驗(yàn)精度。

本文介紹一套基于UWB 定位技術(shù)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì),該設(shè)備目前在黃河干流及支流水文站進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn),取得了遠(yuǎn)超行業(yè)規(guī)范的精度。

2 傳統(tǒng)的定位技術(shù)

2.1 GPS-RTK 定位技術(shù)

基于GPS-RTK 的定位系統(tǒng)具有抗干擾性好,易與相關(guān)自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合,可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。GPS-RTK 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)程高達(dá)20 km[1],測(cè)量精度能達(dá)到厘米范圍。遠(yuǎn)超《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[2]中“垂線(xiàn)的定位誤差不得超過(guò)河寬的0.5%,絕對(duì)誤差不得超過(guò)1 m”的規(guī)定。但是受限于高昂的價(jià)格,目前僅在河流跨度較大的水文站推廣應(yīng)用。

2.2 光電增量編碼傳感器

基于利用光電增量編碼傳感器感應(yīng)循環(huán)輪和起重輪為水文測(cè)流纜道的定位技術(shù),適用于受工作索牽引運(yùn)行的過(guò)河設(shè)備的定位。目前該定位儀廣泛應(yīng)用于中小河流的水文站。根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[2],計(jì)數(shù)器類(lèi)定位系統(tǒng)需建立主要測(cè)驗(yàn)儀器、測(cè)距及有關(guān)測(cè)驗(yàn)設(shè)施裝備的定期檢查登記制度可有效控制起點(diǎn)距誤差。根據(jù)安裝該定位設(shè)備的吳堡站定期檢查記錄顯示,在每月進(jìn)行1～2 次校核的情況下可保持起點(diǎn)距定位誤差在1 m 以?xún)?nèi)。且該定位系統(tǒng)存在絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均隨起點(diǎn)距增大而增大的現(xiàn)象,設(shè)備故障時(shí)誤差可達(dá)3 m～4 m,故需經(jīng)常校驗(yàn)。

3 一種基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)

3.1 UWB 定位技術(shù)的原理

UWB 定位技術(shù)是采用超帶寬無(wú)線(xiàn)通信的定位技術(shù),具有系統(tǒng)復(fù)雜度低、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、對(duì)信道衰落不敏感、截獲能力低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。將UWB 定位技術(shù)應(yīng)用于室外定位的優(yōu)點(diǎn)在于將定位的過(guò)程脫離渡河設(shè)施的基礎(chǔ)工程,成為獨(dú)立的校驗(yàn)系統(tǒng),減少工作干擾,降低維護(hù)成本。

UWB 定位算法包括基于飛行時(shí)間（TOF）、基于達(dá)到時(shí)間差（TDOA）、基于達(dá)到角度的定位算法和基于被接受信號(hào)強(qiáng)度的定位算法[4]。其中基于TOF 及基于TDOA 的算法使用場(chǎng)景多,不易受干擾、定位精度強(qiáng)等原因被廣泛應(yīng)用于目前主流的UBW 定位系統(tǒng)中。

3.2 核心硬件電路設(shè)計(jì)

本文將介紹一種基于UWB 技術(shù)的水文斷面定位系統(tǒng)（后文簡(jiǎn)稱(chēng)為定位系統(tǒng)）,其核心電路采由decaWave 公司的全球第一款UWB 芯片組成,外部配合高穩(wěn)晶振3 以達(dá)到10 cm 的無(wú)遮擋測(cè)距精度。同時(shí)為了克服芯片本身發(fā)射功率比較低（實(shí)際只能達(dá)到50 m 測(cè)距的距離）,將在UWB 射頻電路部分額外增加功率放大和低噪聲放大電路,以達(dá)到至少600 m 的定位距離。系統(tǒng)中基站和標(biāo)簽采用相同的電路設(shè)計(jì),電路設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 一種基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)

3.2.1 電池管理及充電電路

電池管理電路采用TI 專(zhuān)用的電量管理芯片BQ27542,采集電池不同電流、不同電壓下的狀態(tài)數(shù)據(jù),同時(shí)使用電池電量管理算法擬合出電池的充放電曲線(xiàn),以提高電池電量計(jì)算精度。

電池充電控制電路采用TI 專(zhuān)用鋰電池充電控制芯片BQ24133,具有三段式充電控制,充電效率高、集成度高、靜態(tài)功耗低、延長(zhǎng)電池使用壽命。室外測(cè)距節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電時(shí),太陽(yáng)能電池板不但給電池充電還給后級(jí)供電,不僅能避免電池充電時(shí)還工作,還可有效延長(zhǎng)電池使用壽命。

圖2 電池管理電路原理圖

3.2.2 測(cè)距核心射頻電路

測(cè)距采用decaWave 公司的全球第一款UWB 芯片,該芯片集成射頻收發(fā)電路,外部配合高穩(wěn)晶振等電路即可達(dá)到10 cm的測(cè)距精度,遮擋時(shí)也可達(dá)到30 cm 測(cè)距精度。由于芯片本身發(fā)射功率比較低,實(shí)際只能達(dá)到5 m 測(cè)距距離；為適用于室外大距離范圍內(nèi)的測(cè)量需求,外部需要額外增加功率放大和低噪聲放大電路等,實(shí)際增加功放和低噪聲接收電路后傳輸距離增大至1 km。

圖3 增加功放和低噪放原理圖

3.3 定位系統(tǒng)實(shí)例介紹

定位系統(tǒng)包括至少兩個(gè)定位基站和一個(gè)標(biāo)簽,標(biāo)簽固定在渡河設(shè)施上,渡河設(shè)施在斷面內(nèi)沿垂直河流方向移動(dòng),兩個(gè)定位基站位于標(biāo)簽的兩側(cè)或者同側(cè),

定位系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備及室外設(shè)備組成。其中室內(nèi)設(shè)備包括中繼通訊基站和手持顯示設(shè)備,室外設(shè)備由定位基站、移動(dòng)標(biāo)簽組成。定位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳回室內(nèi)無(wú)線(xiàn)中繼基站及手持顯示設(shè)備中。中繼基站可選4 G 或WIFI 模式以滿(mǎn)足各類(lèi)水文站的實(shí)際應(yīng)用情況。中繼基站可將定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)異地超遠(yuǎn)距離測(cè)控。所有設(shè)備內(nèi)置采用鋰電池供電,室外設(shè)備內(nèi)置電池由太陽(yáng)能充電。

4 基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)的在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

4.1 定位系統(tǒng)在鉛魚(yú)測(cè)深中應(yīng)用

在鉛魚(yú)測(cè)深系統(tǒng)中,鉛魚(yú)開(kāi)始下降并觸底這部分距離將計(jì)算成為該次測(cè)驗(yàn)的水深值,目前大部分鉛魚(yú)采用計(jì)數(shù)器原理進(jìn)行測(cè)深計(jì)算。在使用定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)深時(shí),需要兩個(gè)標(biāo)簽,其中一個(gè)固定于鉛魚(yú)行車(chē)架,一處固定于鉛魚(yú)下降滑輪處。當(dāng)鉛魚(yú)開(kāi)始下降并入水時(shí),行車(chē)架處標(biāo)簽轉(zhuǎn)換工作模式成為基站,計(jì)算鉛魚(yú)下降高度。

4.2 定位系統(tǒng)在流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

目前在黃河流域流量計(jì)算中多采用流速-面積法,在該法中,起點(diǎn)距的定位誤差將會(huì)引起流量測(cè)驗(yàn)誤差[3],其中起點(diǎn)距的測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確與否與流量測(cè)驗(yàn)精度有非常強(qiáng)的關(guān)系。根據(jù)流量計(jì)算公式（1）所示：

根據(jù)流量面積計(jì)算公式可知,若起點(diǎn)距相對(duì)誤差不變而絕對(duì)誤差逐漸增大,則會(huì)導(dǎo)致過(guò)水?dāng)嗝娉掷m(xù)偏大,從而導(dǎo)致流量計(jì)算偏大,若起點(diǎn)距定位絕對(duì)誤差較小且在要求范圍內(nèi),則流量計(jì)算值才會(huì)較為穩(wěn)定。起點(diǎn)距定位的誤差將直接影響流量的計(jì)算,且呈正比例相關(guān)。

在黃河流域干流吳堡水文站、支流后大成、林家坪、大寧、吉縣4 站進(jìn)行UWB 定位系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),取得實(shí)驗(yàn)精度,見(jiàn)表1。

表1 斷面定位系統(tǒng)在吳堡等5 站起點(diǎn)距的實(shí)驗(yàn)精度 單位：m

根據(jù)在各種天氣情況和溫度下實(shí)驗(yàn),比測(cè)誤差標(biāo)準(zhǔn)差最大僅為0.131 m（吳堡）,誤差均值最大為-0.172 m（吳堡）,幾乎所有比測(cè)的誤差小于《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[2]。其中后大成、林家坪、大寧、吉縣站安裝后運(yùn)行7 個(gè)月,時(shí)間橫跨夏春秋三季,期間并未發(fā)現(xiàn)誤差精度變化,說(shuō)明該系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單,無(wú)需日常校測(cè)。

4.3 定位系統(tǒng)在纜道垂度測(cè)量中的應(yīng)用

在測(cè)驗(yàn)河段流速較大,河寬小于500 m,且下游有險(xiǎn)灘、橋梁、水工建筑物等的測(cè)站實(shí)施測(cè)量、泥沙測(cè)驗(yàn),基本均建設(shè)水文纜道。在相同設(shè)計(jì)條件下,主索垂度的減小會(huì)引起水文纜道支架、基礎(chǔ)、地錨穩(wěn)定性降低；主索垂度的增大則會(huì)導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力增大。可見(jiàn)垂度對(duì)于纜道的運(yùn)行及安全起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前受制于垂度測(cè)驗(yàn)的復(fù)雜性,一般只進(jìn)行較少次數(shù)的觀測(cè),如果將定位系統(tǒng)引入,則可對(duì)纜道進(jìn)行日常的觀測(cè),從而提高測(cè)驗(yàn)的安全性。

5 結(jié)論

在目前水文系統(tǒng)現(xiàn)代化升級(jí)的過(guò)程中,越來(lái)越的多的水文站開(kāi)始進(jìn)行巡測(cè)甚至無(wú)人化管理,為了保障無(wú)人渡河設(shè)施的工作安全,同時(shí)兼顧測(cè)驗(yàn)精度,急需穩(wěn)定可靠,精度高,日常維護(hù)簡(jiǎn)單的定位系統(tǒng)?；赨WB 技術(shù)的定位系統(tǒng)在提升遠(yuǎn)程測(cè)控的安全性的同時(shí),還可以提升水文測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,更加適合于當(dāng)前水文測(cè)驗(yàn)巡測(cè)甚至無(wú)人化的工作要求。