基于優(yōu)化電力巡檢無(wú)人機(jī)降落定位精度的研究

引言

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步發(fā)展與完善,在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)作為電力系統(tǒng)高壓輸電線巡檢的高效手段,對(duì)高壓輸電線路的維護(hù)起著非常重要的作用。在無(wú)人機(jī)巡檢航拍、高壓塔著陸充電等過程中,都要求自身搭載的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高精度定位。尤其當(dāng)無(wú)人機(jī)在高壓輸電線電塔平臺(tái)采用無(wú)線充電方式時(shí),導(dǎo)航的定位精度還將對(duì)無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電效率產(chǎn)生影響。

由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的精度限制,傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位精度在米級(jí)或者十米級(jí)以上,偽距差分的定位精度為分米級(jí),顯然無(wú)法達(dá)到無(wú)人機(jī)巡檢高壓輸電線的精度要求。為滿足無(wú)人機(jī)在巡檢過程中的高精度定位降落需求,必須使用能達(dá)到厘米級(jí)定位精度的RTK技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電時(shí)考慮到充電接觸面積對(duì)充電效率的影響,需要對(duì)RTK技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化定位精度。

1巡檢無(wú)人機(jī)無(wú)線充電平臺(tái)

在無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)輸電線巡檢過程中,由于無(wú)人機(jī)續(xù)航里程的限制,在無(wú)人機(jī)巡檢一定距離后,無(wú)人機(jī)需要進(jìn)行充電。本文將采用一種置于高壓輸電塔上的充電平臺(tái),給降落在平臺(tái)上的無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電。

l.l無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置

無(wú)人機(jī)無(wú)線充電平臺(tái)被置于高壓輸電塔上,通過輸電線連接高壓電塔與充電平臺(tái),給無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電。充電平臺(tái)裝置端主要包括北斗定位模塊、重力感應(yīng)模塊、發(fā)射線圈、中央控制器和蓄電池等:無(wú)人機(jī)端主要包括接收線圈、電池組和北斗定位模塊等。北斗定位模塊對(duì)無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,平臺(tái)內(nèi)置的發(fā)射線圈與無(wú)人機(jī)上裝載的接收線圈進(jìn)行能量傳遞。

l.2定位精度對(duì)充電效率的影響

由于無(wú)人機(jī)在無(wú)線充電過程中,無(wú)人機(jī)端搭載的接收線圈與平臺(tái)的發(fā)射線圈間的接觸面積越大,無(wú)線充電效率將越高,因此無(wú)人機(jī)降落時(shí)的定位精度將直接影響無(wú)線充電效率,關(guān)鍵在于提高北斗定位系統(tǒng)的精度。

2RTK技術(shù)原理

傳播路徑誤差主要有對(duì)流層延遲誤差、電離層延遲誤差和多路徑效應(yīng)誤差。電離層誤差作為主要的定位偏差因素,應(yīng)采用差分技術(shù)消減電離層延遲誤差。

2.l差分工作原理

由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)中各種誤差的存在,單點(diǎn)定位精

度顯然無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)的高精度定位需求。因此,通常需采用差分技術(shù)以提高定位精度,其技術(shù)原理如圖1所示。

圖l差分技術(shù)原理圖

基準(zhǔn)站與移動(dòng)站同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星定位信號(hào),在一定基線距離條件下,兩站觀測(cè)同一顆衛(wèi)星,接收信號(hào)中包含的誤差基本相同。此時(shí)進(jìn)行差分計(jì)算,能夠有效抵消基準(zhǔn)站與移動(dòng)站間的共同誤差部分,接收機(jī)的定位精度得以提高。

2.2載波相位差分(RTK）技術(shù)

顯然單點(diǎn)定位與偽距差分不能達(dá)到無(wú)人機(jī)巡檢高精度定位的要求。

RTK技術(shù)是將基準(zhǔn)站接接收到的載波相位測(cè)量值發(fā)給移動(dòng)站接收機(jī),與移動(dòng)站接收機(jī)自身的載波相位測(cè)量值進(jìn)行差分運(yùn)算,最后求解得到基線向量與初始整周模糊度,完成高精度定位。載波相位觀測(cè)方程式如下:

式中,A為載波相位測(cè)量值:λ為載波波長(zhǎng):r為接收機(jī)與衛(wèi)星的幾何距離:c為真空光速:stu為接收機(jī)鐘差:8ts為衛(wèi)星鐘差:I為電離層延遲:r為對(duì)流層延遲:N為整周模糊度:s。為載波相位測(cè)量噪聲,主要包括接收機(jī)噪聲和多路徑效應(yīng)誤差。

3載波相位差分流程

3.1載波相位差分模型

RTK處理過程包括載波周跳檢測(cè)與修復(fù)、整周模糊度浮點(diǎn)解求解、整周模糊度確定、整周模糊度正確度檢驗(yàn)等4個(gè)過程。對(duì)于移動(dòng)接收站來說,關(guān)鍵在于能準(zhǔn)確并快速求解出整周模糊度以完成精準(zhǔn)定位。為了消除對(duì)流層延遲和電離層延遲的影響,在短基線條件下,可以將移動(dòng)站u和基準(zhǔn)站z分別對(duì)衛(wèi)星i和j做單差處理,方程式如下:

先使用無(wú)幾何距離組合法對(duì)載波周跳進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù),保證載波相位測(cè)量值是連續(xù)可用的。然后結(jié)合站間星間雙差觀測(cè)方程,忽略整周模糊度的整數(shù)約束,用最小二乘法求得基

線向量Rn和模糊度浮點(diǎn)解N^。由得到的浮點(diǎn)解N^使用逐級(jí)模糊度確定法實(shí)現(xiàn)整周模糊度的固定[3]。由整周模糊度的最優(yōu)解,可得到基線向量的最優(yōu)解。在基準(zhǔn)站已知位置的條件下,可以得到移動(dòng)基站的精確位置。

3.2優(yōu)化實(shí)時(shí)定位精度的改進(jìn)方法

逐級(jí)模糊度確定法基于寬巷測(cè)量值的整周模糊度相比窄巷更易求解,可以根據(jù)不同波長(zhǎng)的組合測(cè)量值,逐級(jí)從最寬巷到最窄巷解得整周模糊度。因?yàn)樵摲椒ㄊ菐缀螣o(wú)關(guān)算法,所以很適用于RTK技術(shù)[4]。該算法與用戶接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān),也不易受到電離層延遲及對(duì)流層延遲的影響,算法復(fù)雜度相比幾何相關(guān)算法大大簡(jiǎn)化,解算效率顯著提升,甚至能將RTK定位精度從厘米級(jí)提升到毫米級(jí),優(yōu)化了無(wú)人機(jī)的定位降落性能。

4無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)分析

4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證北斗系統(tǒng)優(yōu)化后的RTK定位精度,搭建了無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn),在單點(diǎn)、偽距差分和RTK三種模式下分析定位精度。在飛行試驗(yàn)時(shí),應(yīng)選擇寬闊無(wú)障礙的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。在基準(zhǔn)站接收機(jī)天線被固定,已知精確坐標(biāo)定點(diǎn)的情況下,在無(wú)人機(jī)上安裝移動(dòng)站接收機(jī)天線。

搭載移動(dòng)站接收機(jī)的無(wú)人機(jī)按計(jì)劃規(guī)定軌跡飛行,平均速度約50km/h,分別用單點(diǎn)定位、偽距差分定位、RTK定位三種模式給無(wú)人機(jī)進(jìn)行定位,并記錄下無(wú)人機(jī)飛行1h的定位數(shù)據(jù)。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在三種模式下的水平及垂直定位精度（2a)誤差如表1所示。

表1定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知,單點(diǎn)定位模式下,水平方向定位誤差約4.5m,垂直方向定位誤差約5.3m:偽距差分定位模式下,水平方向定位誤差約0.6m,垂直方向定位誤差約1.8m:而RTK模式下,水平方向定位誤差為0.0087m,垂直方向定位誤差為0.0189m。載波相位差分模式相對(duì)于傳統(tǒng)的兩種定位方式,在定位精度上有很大提升,達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)在電力系統(tǒng)高壓輸電線巡檢、高壓塔著陸無(wú)線充電等過程中的高精度定位需求,通過無(wú)人機(jī)飛行定位試驗(yàn),對(duì)傳統(tǒng)定位模式與高精度定位的RTK模式進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化后的RTK技術(shù)能夠明顯提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度,滿足無(wú)人機(jī)巡檢工程需求。