基于坐標標定的北斗RTK 和UWB 變電站聯(lián)合定位方法

王寶樂，林朋

（國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)重要的組成部分，含有多種類型的電氣設備。在變電站內(nèi)各項工作中，常常需要定位人員的位置，以避免進入危險區(qū)域，保障人員安全。當前的定位方法中，有基于GPS和北斗衛(wèi)星的室外定位[1-2]，也有基于WiFi、ZigBee、藍牙和超寬帶（Ultra WideBand，UWB）等無線信號的室內(nèi)定位[3-7]。室外定位給出的是絕對位置，室內(nèi)定位給出的是相對位置。

變電站既有室外區(qū)域也有室內(nèi)區(qū)域，因此需要有一種能兼顧全域的定位方法。由于衛(wèi)星信號無法穿越到建筑物內(nèi)部，而室外往往沒有相關無線信號覆蓋，因此通常的做法是融合兩種定位系統(tǒng)來進行室內(nèi)外的聯(lián)合定位。文獻[8]將UWB基站作為偽衛(wèi)星實現(xiàn)一種GPS和UWB融合的定位方法，但是由于待測點到UWB 基站的距離與到GPS 的距離相差太遠，導致融合效果不好；文獻[9]將GPS信號的UWB信號放在一起，通過k 鄰近算法實現(xiàn)定位，但是室內(nèi)外環(huán)境下經(jīng)常無法同時收到兩種信號，因此這種方法的實用性不高。文獻[10]提出研究了過渡區(qū)域不同信號的特性，提出一種直線外引法的聯(lián)合切換方法，來提升北斗三號的定位精度。這些融合方法的定位精度常常不能達到滿意效果。

實際上，當前建成的北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)在信號結構和調(diào)制方式上相比北斗二號已做了全面升級，使得信號捕獲靈敏度更高、定位精度也更高。在采用載波相位差分技術時，定位精度可達亞厘米級。采用北斗定位技術，也符合我國當前快速推進北斗系統(tǒng)應用升級、推動電網(wǎng)企業(yè)軍民融合深度發(fā)展的戰(zhàn)略需求。因此，結合UWB 室內(nèi)定位的優(yōu)勢，本文提出一種聯(lián)合北斗RTK 和UWB 的變電站室內(nèi)外定位方法，發(fā)揮兩種系統(tǒng)各自的優(yōu)勢分別定位室內(nèi)外區(qū)域，并通過坐標統(tǒng)一和越區(qū)切換實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無縫切換。

1 北斗RTK 高精度定位

北斗三號設計了多種恒包絡復用技術，在3 個頻點播發(fā)5 個公開載波信號，包括2 個北斗二號現(xiàn)有信號B1I/B3I 和3 個新增信號B1C/B2a/B2b。B1C位于L1 頻段中央，中心頻率為1.575 GHz，允許更大的信號帶寬。采用QMBOC 調(diào)制，使得接收機可以獲得更高的測距精度和抗多徑性能[11]。B2a 信號采用QPSK(10)調(diào)制方式，相較B2I 帶寬擴展5倍，性能顯著提升。B2b 為混合業(yè)務信號，在3 顆IGSO 和24 顆MEO 衛(wèi)星播發(fā)，其信息速率較高，不僅可作為導航信號獨立定位，也可作為全球短報文通信和國際搜救服務。

北斗衛(wèi)星定位過程需要至少4 顆可見衛(wèi)星。傳統(tǒng)的定位方法是地面接收機捕獲到衛(wèi)星廣播的電文后，解析載波上調(diào)制的C/A 碼和NH 碼獲得衛(wèi)星星歷以及信號發(fā)送時刻等信息，再結合信號接收時刻得到信號傳播時間，乘以光速得到接收機到衛(wèi)星的距離。有了接收機到3 顆不同衛(wèi)星之間的距離，通過三球交會原理解算出接收機的空間三維坐標。4 星定位方法消除了衛(wèi)星高精密原子鐘和地面接收機時鐘之間精度不一致造成的鐘差，但并未消除電離層、對流層延遲誤差和星歷誤差，并且因為C/A 碼頻率較低，一個碼長對應實際300 m，因此即使做到1%的誤差精度也會導致定位精度只能維持在米級[12]。

北斗RTK 技術改進了測距方法，不再使用頻率較低的測距碼，而是直接使用載波相位進行測距，如式(1)所示：

其中，λ是載波波長，φS是載波發(fā)送相位，φR是載波接收相位，這里的相位包含了整周期部分和小數(shù)部分。由于載波的頻率超過1.5 GHz，一個波長對應只有約不到20 cm，因此，若誤差精度控制在1%時，測距精度將達到2 mm，因此可以大大提升定位精度。

載波相位測距過程中的需要消除接收機和衛(wèi)星的鐘差、電離層誤差、對流層誤差以及載波相位的整數(shù)模糊度[13]。下面給出了差分、雙差、三差公式：

在式（2）中，第一行公式表示一個接收機同時對衛(wèi)星1 和衛(wèi)星2 進行載波相位測量的差分，可以消除接收機鐘差；第二行公式表示對兩個不同的接收機從第一行公式得到的差分再次進行差分，可以消除衛(wèi)星鐘差；第三行公式表示對不同時刻從第二行公式得到的差分結果再進行一次差分，可以消除載波相位的整數(shù)模糊度，電離層、對流層誤差和星歷誤差。

因此，在變電站內(nèi)配置一個固定的RTK 基準站，提前標定好精確的實際坐標。RTK 基準站在定位過程中，將會得到觀測位置與實際坐標的偏差，將這個偏差廣播給變電站內(nèi)其他正在定位的北斗RTK 接收機。通過與北斗RTK 基準站實時聯(lián)合解算，接收機可以獲得自身的精確定位，系統(tǒng)結構如圖1 所示。經(jīng)過偏差校正之后，接收機定位精度可達到厘米級甚至毫米級。RTK 定位接收機的輸出結果是符合CGCS2000 中國大地標準坐標系的三維坐標（X,Y,H）。

2 UWB 基站標準坐標標定

2.1 UWB 超寬帶定位

UWB 是一種非正弦窄脈沖信號，脈沖寬度極小，持續(xù)時間為亞納秒級，頻率覆蓋范圍為3～10 GHz，功率譜密度極低，信道帶寬超過500 MHz，這些特性使得UWB具有非常精確的定位精度。在變電站室內(nèi)定位的應用中，UWB 的定位精度可以達到10 cm 級別。

UWB 定位需要在室內(nèi)布置3 個以上的基站，待定位的節(jié)點稱為標簽。標簽收到基站之間的脈沖信號后，根據(jù)信號飛行時間和雙邊測距法測出自己與各個基站之間的距離，然后再同樣利用三球交會原理計算出自身位置。由于在定位過程中是沒有絕對坐標參考的，因此定位方法是相對定位，需要用戶自定義位置坐標系。

2.2 基于參考點轉(zhuǎn)換的坐標標定

為了實現(xiàn)北斗RTK 定位和UWB 定位實現(xiàn)聯(lián)合定位，提出一種UWB 坐標轉(zhuǎn)換到北斗坐標的方法，將兩者的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一起來。設UWB 基站共有n個，標記為{Ui:(xi,yi,zi)|i=1…n }，xi、yi、zi為基站在自定義坐標系中的坐標值。由于基站一般位于室內(nèi)，無法通過北斗RTK 定位直接獲得絕對坐標值，因此可通過參考點標定的方法來求得基站坐標，如圖2 所示。

首先，在變電站室外區(qū)域選取m 個固定位置{Sj|j=1… m,m ≥2 }作為第一參考點，通過北斗RTK 高精度定位得到每個Sj的定位坐標Sj(Xj,Yj,Z j)。

其次，在Sj和UWB 基站Ui之間選定一組第二參考點{Bk|k≥2 }。Bk位于室外區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域的交界處，點位的選取要求該點能與兩個以上的Sj精確測距，同時也能與室內(nèi)UWB 基站Ui之間精確測距。在沒有遮擋的條件下，使用UWB 測距或者激光測距即可完成。由于所處的位置可能受到遮擋，因此不能通過北斗RTK 來精確定位，但可以利用Sj來求解Bk的絕對坐標。

其中，(ak,bk,ck) 是Bk的坐標。在實際中，Bk與Sj的相對高差是容易獲得的，因此，通過任一個Sj的Hj可得到ck的值，然后求解方程（1），得到ak和bk。類似地，求得所有其他第二參考點的絕對坐標。

最后求所有UWB 基站的絕對坐標。同樣的，每個UWB 基站與兩個第二參考點之間可精確測距，因此，再次應用上面的方法即可求出所有UWB 基站的絕對坐標，求出的坐標符合中國大地坐標系CGCS2000 標準。

3 室內(nèi)外高精度聯(lián)合定位

為了實現(xiàn)變電站室內(nèi)外高精度聯(lián)合定位，在UWB基站坐標標定點基礎上，提出室外北斗RTK+室內(nèi)UWB的聯(lián)合定位系統(tǒng)。由于兩者各自的定位精度都已經(jīng)很高，并且兩者的信號很少有相互重疊的區(qū)域，因此不需要采用兩者的融合定位方法，只需要分別負責各自的定位區(qū)域即可。要在同一個定位系統(tǒng)中兼容兩種定位，還需要解決如下兩個問題：

（1）統(tǒng)一坐標系。由上一節(jié)，已經(jīng)獲得了所有UWB基站的絕對坐標。通常在室內(nèi)定位階段，標簽P 定位后得到相對坐標(px,py,pz) 。在提出的系統(tǒng)中，UWB 定位過程中直接輸入UWB 基站的絕對坐標，代替自定義坐標，可以直接輸出標簽P 的符合中國大地坐標系CGCS2000 標準的坐標，省去了坐標系轉(zhuǎn)換的過程，降低了聯(lián)合定位的復雜度。

（2）越區(qū)切換。在室內(nèi)外交界處，存在定位系統(tǒng)的越區(qū)切換。為了實現(xiàn)平滑的越區(qū)切換，采用基于門限閾值的相對信號強度準則[14]來完成。從室外過渡到室內(nèi)時，當信號強度大于定位門限值的可用北斗衛(wèi)星數(shù)量少于4 顆、同時信號強度大于定位門限值的UWB 基站達到4臺時，進行系統(tǒng)切換，否則不切換；當從室內(nèi)過渡到室外時，當信號強度大于定位門限值的UWB 基站少于4 臺、同時信號強度大于定位門限值的可用北斗衛(wèi)星數(shù)量達到4 顆時，進行系統(tǒng)切換，否則不切換。采用這種越區(qū)切換準則，避免了不必要的頻繁切換帶來的定位漂移甚至定位失鎖問題。

室內(nèi)外高精度聯(lián)合定位的系統(tǒng)框圖如圖3 所示。基于高精度定位，系統(tǒng)容易設計出路徑規(guī)劃、越界報警、電子圍欄等多種功能模塊，并結合電子地圖給出人員的實時位置。

4 實驗結果

在某變電站進行了定位實驗，室外定位選用中海達V30 北斗工程型GNSS 接收機RTK 測量系統(tǒng)，室內(nèi)定位是基于UWB RTLS1000 無線測距室內(nèi)定位開發(fā)模組和STM32F101R6 單片機自行研制的定位系統(tǒng)。在室外區(qū)域用RTK 系統(tǒng)標定了6 個第一參考點，在室內(nèi)外過渡區(qū)域選擇了3 個第二參考點，室內(nèi)UWB 基站數(shù)量為4 個。測試過程選取了30 個待測點，其中位于開放的室外區(qū)域、過渡區(qū)域、封閉的室內(nèi)區(qū)域各10 個點，并在不同時段進行了多次定位測試，每個點位統(tǒng)計出平均測量偏差，實驗結果如圖4 所示?？梢钥闯?，室外定位精度優(yōu)于室內(nèi)，平均水平精度為2 cm，高程精度為5 cm，室內(nèi)的定位精度水平和高程均在18 cm，而在過渡區(qū)域，有的點位可以使用北斗RTK 定位，有些點位只能使用UWB 定位，因此，定位數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定的跳躍性。總體來看，定位效果是十分優(yōu)良的。

5 結論

本文提出了一種變電站室內(nèi)外聯(lián)合定位方法，考慮到室內(nèi)外定位信號的不同，分別采用北斗RTK高精度定位和UWB 定位兩種系統(tǒng)，為了實現(xiàn)聯(lián)合定位，提出坐標標定方法將UWB 定位坐標統(tǒng)一到絕對坐標系下，在室內(nèi)外過渡區(qū)域通過越區(qū)切換方法實現(xiàn)平滑過渡和無縫鏈接。所提出的方法在變電站實地進行了多次測試，實驗效果良好，滿足變電站日常工作的定位要求，并且由于所提方法將UWB 局部定位坐標統(tǒng)一到與北斗RTK 定位相一致的中國大地坐標系，因此可在更大區(qū)域內(nèi)不同變電站之間方便地建立統(tǒng)一的聯(lián)合定位系統(tǒng)。