基于優(yōu)化電力巡檢無人機降落定位精度的研究

引言

隨著北斗導航系統(tǒng)的逐步發(fā)展與完善,在許多領域都得到了廣泛應用。無人機作為電力系統(tǒng)高壓輸電線巡檢的高效手段,對高壓輸電線路的維護起著非常重要的作用。在無人機巡檢航拍、高壓塔著陸充電等過程中,都要求自身搭載的北斗導航系統(tǒng)能實現(xiàn)高精度定位。尤其當無人機在高壓輸電線電塔平臺采用無線充電方式時,導航的定位精度還將對無人機的無線充電效率產(chǎn)生影響。

由于北斗導航系統(tǒng)在民用領域的精度限制,傳統(tǒng)的單點定位精度在米級或者十米級以上,偽距差分的定位精度為分米級,顯然無法達到無人機巡檢高壓輸電線的精度要求。為滿足無人機在巡檢過程中的高精度定位降落需求,必須使用能達到厘米級定位精度的RTK技術(shù)。在實際應用中,對無人機無線充電時考慮到充電接觸面積對充電效率的影響,需要對RTK技術(shù)進行改進,優(yōu)化定位精度。

1巡檢無人機無線充電平臺

在無人機進行電力系統(tǒng)輸電線巡檢過程中,由于無人機續(xù)航里程的限制,在無人機巡檢一定距離后,無人機需要進行充電。本文將采用一種置于高壓輸電塔上的充電平臺,給降落在平臺上的無人機進行無線充電。

l.l無人機無線充電裝置

無人機無線充電平臺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,給無人機進行充電。充電平臺裝置端主要包括北斗定位模塊、重力感應模塊、發(fā)射線圈、中央控制器和蓄電池等:無人機端主要包括接收線圈、電池組和北斗定位模塊等。北斗定位模塊對無人機降落平臺實現(xiàn)精準定位,平臺內(nèi)置的發(fā)射線圈與無人機上裝載的接收線圈進行能量傳遞。

l.2定位精度對充電效率的影響

由于無人機在無線充電過程中,無人機端搭載的接收線圈與平臺的發(fā)射線圈間的接觸面積越大,無線充電效率將越高,因此無人機降落時的定位精度將直接影響無線充電效率,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流層延遲誤差、電離層延遲誤差和多路徑效應誤差。電離層誤差作為主要的定位偏差因素,應采用差分技術(shù)消減電離層延遲誤差。

2.l差分工作原理

由于衛(wèi)星導航定位信號中各種誤差的存在,單點定位精

度顯然無法滿足無人機巡檢作業(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

基準站與移動站同時觀測衛(wèi)星定位信號,在一定基線距離條件下,兩站觀測同一顆衛(wèi)星,接收信號中包含的誤差基本相同。此時進行差分計算,能夠有效抵消基準站與移動站間的共同誤差部分,接收機的定位精度得以提高。

2.2載波相位差分(RTK）技術(shù)

顯然單點定位與偽距差分不能達到無人機巡檢高精度定位的要求。

RTK技術(shù)是將基準站接接收到的載波相位測量值發(fā)給移動站接收機,與移動站接收機自身的載波相位測量值進行差分運算,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。載波相位觀測方程式如下:

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

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與修復、整周模糊度浮點解求解、整周模糊度確定、整周模糊度正確度檢驗等4個過程。對于移動接收站來說,關(guān)鍵在于能準確并快速求解出整周模糊度以完成精準定位。為了消除對流層延遲和電離層延遲的影響,在短基線條件下,可以將移動站u和基準站z分別對衛(wèi)星i和j做單差處理,方程式如下:

先使用無幾何距離組合法對載波周跳進行檢測和修復,保證載波相位測量值是連續(xù)可用的。然后結(jié)合站間星間雙差觀測方程,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和模糊度浮點解N^。由得到的浮點解N^使用逐級模糊度確定法實現(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。在基準站已知位置的條件下,可以得到移動基站的精確位置。

3.2優(yōu)化實時定位精度的改進方法

逐級模糊度確定法基于寬巷測量值的整周模糊度相比窄巷更易求解,可以根據(jù)不同波長的組合測量值,逐級從最寬巷到最窄巷解得整周模糊度。因為該方法是幾何無關(guān)算法,所以很適用于RTK技術(shù)[4]。該算法與用戶接收機運動狀態(tài)無關(guān),也不易受到電離層延遲及對流層延遲的影響,算法復雜度相比幾何相關(guān)算法大大簡化,解算效率顯著提升,甚至能將RTK定位精度從厘米級提升到毫米級,優(yōu)化了無人機的定位降落性能。

4無人機實驗分析

4.1實驗平臺

為驗證北斗系統(tǒng)優(yōu)化后的RTK定位精度,搭建了無人機實驗平臺,進行無人機飛行試驗,在單點、偽距差分和RTK三種模式下分析定位精度。在飛行試驗時,應選擇寬闊無障礙的實驗場地。在基準站接收機天線被固定,已知精確坐標定點的情況下,在無人機上安裝移動站接收機天線。

搭載移動站接收機的無人機按計劃規(guī)定軌跡飛行,平均速度約50km/h,分別用單點定位、偽距差分定位、RTK定位三種模式給無人機進行定位,并記錄下無人機飛行1h的定位數(shù)據(jù)。4.2實驗結(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定位精度試驗數(shù)據(jù)對比

由表1可知,單點定位模式下,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于傳統(tǒng)的兩種定位方式,在定位精度上有很大提升,達到厘米級甚至毫米級。

5結(jié)語

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