朱翔宇，于 佳

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電公司，江蘇 南京 210000；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著第三代北斗衛(wèi)星的順利發(fā)射組網(wǎng)和北斗定位導(dǎo)航軟硬件的持續(xù)發(fā)展，北斗系統(tǒng)的民用化發(fā)展正在快速推進(jìn)［1-3］。目前整個北斗系統(tǒng)應(yīng)用的市場競爭環(huán)境和產(chǎn)品商業(yè)化程度亟待完善，圍繞北斗系統(tǒng)的軍用和民用產(chǎn)品體系也有待成熟，尤其是以北斗定位導(dǎo)航芯片為代表的核心產(chǎn)品的成熟發(fā)展任重道遠(yuǎn)［4-6］。電力北斗系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用與產(chǎn)業(yè)格式，將極大地推動北斗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。電網(wǎng)作為重要能源基礎(chǔ)設(shè)施，與國家安全和國防建設(shè)的關(guān)系極為密切。當(dāng)前，推動電網(wǎng)企業(yè)軍民融合深度發(fā)展，必須按照“立足軍民綜合、開展雙向服務(wù)、推動合作發(fā)展”的思路，承擔(dān)平戰(zhàn)結(jié)合的服務(wù)保障能力建設(shè)任務(wù)，平時服務(wù)社會、緊急時服務(wù)軍隊，持續(xù)做好國防戰(zhàn)略備份［7-9］。

目前，由于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)因受建筑物、障礙物等的阻擋導(dǎo)致室內(nèi)無法獲取定位信息，變電站作為電網(wǎng)的重要組成部分，其穩(wěn)定運行直接影響到電網(wǎng)安全，在變電站室內(nèi)外運檢作業(yè)過程中，存在人員作業(yè)路徑不清、安全區(qū)域不清、安全防范不到位的情況，導(dǎo)致危險事故發(fā)生的隱患。

通過充分利用北斗室內(nèi)外無縫定位技術(shù)，可以解決室內(nèi)定位信號弱的難題，做到用戶室內(nèi)外移動無感知［10-13］。同時可以對人員巡檢路線進(jìn)行有效檢查，確保每個設(shè)備都巡視到位。

1 北斗RTK高精度定位研究

高精度定位目前應(yīng)用最廣的是實時動態(tài)測量（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)［14］，RTK以相對定位為基礎(chǔ)，需要基準(zhǔn)站、流動站之間協(xié)同工作。具體工作流程為：基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，計算差分改正數(shù)，將計算得到的改正數(shù)或基準(zhǔn)站的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后傳送給流動站；流動站實時的獲得基準(zhǔn)站的差分改正數(shù)或原始觀測數(shù)據(jù)（偽距觀測值，載波相位觀測值）及位置數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行解碼，根據(jù)相對定位的原理實時地計算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)。

RTK 技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示。開始時，流動站需要確定其概略坐標(biāo)，并使用高速數(shù)據(jù)傳輸錯誤糾正技術(shù)確定整周模糊度，當(dāng)確定整周模糊度后，在基星不變且衛(wèi)星信號不失鎖的情況下，可以將上一個歷元的整周模糊度作為已知值代入雙差觀測方程直接求解流動站的坐標(biāo)未知數(shù)。

圖1 RTK數(shù)據(jù)處理流程

相比于單北斗定位，多模定位具有更多可用衛(wèi)星，可形成大量的冗余觀測數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)之間的相關(guān)特性可降低整周模糊度的搜索區(qū)間，加快模糊度的搜索速度；同時多頻組合觀測值具有長波長、弱電離層延遲、低噪聲等特點，在周跳探測與修復(fù)、整周模糊度固定方面有明顯的優(yōu)勢。

多模多頻RTK技術(shù)可實現(xiàn)“快速、準(zhǔn)確、可靠”的高精度實時動態(tài)定位，數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示，主要包括誤差模型的精確修正、多頻觀測值組合、多頻周跳探測與修復(fù)、差分方程構(gòu)建與濾波估計、組合模糊度的快速固定等內(nèi)容。

圖2 多模多頻RTK數(shù)據(jù)處理流程

2 室內(nèi)超寬帶高精度定位研究

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）是一種持續(xù)時間短的脈沖射頻技術(shù)［15-16］，在盡可能最低的中心頻達(dá)到盡可能高的帶寬率。超寬帶系統(tǒng)通過發(fā)送一個脈沖波形來實現(xiàn)這個帶寬。提出的UWB 定位應(yīng)用方法適合需求高精度定位的場合使用，是目前世界上最高精度實現(xiàn)移動物坐標(biāo)、移動軌跡的實時監(jiān)測方法。

超寬帶系統(tǒng)可以使發(fā)射器和接收器同步，并隨著時間推移，能夠非常詳細(xì)地測量接收波形。這使得準(zhǔn)確地測量發(fā)射器和接收器之間的距離成為可能。一般情況下，2 個UWB 定位傳感器之間最短的距離是傳送脈沖的直接路徑。領(lǐng)先的脈沖第一個到達(dá)的能量前緣，即為所測量的發(fā)射器和接收器之間的距離?；诘竭_(dá)時間差、到達(dá)角度和雙向飛行時間，可以構(gòu)造實時定位系統(tǒng)。

超寬帶定位原理為：在每個單元中，根據(jù)現(xiàn)場的實際地理環(huán)境，按照滿足定位需求的原則，在場地四角安裝UWB 定位接收器，這些UWB 接收器通過以太網(wǎng)建立通信；系統(tǒng)配置好后，即可進(jìn)入工作狀態(tài)。

工作過程為：

1）標(biāo)簽向接收器發(fā)送信號，周邊的接收器同時接收信號；

2）接收器接收信號，測量每個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時間；

3）利用參考標(biāo)簽發(fā)送過來的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽到達(dá)不同接收器之間的時間差，并利用三角定位技術(shù)及優(yōu)化算法，結(jié)合配置好的接收器坐標(biāo)計算出標(biāo)簽位置。

3 室內(nèi)外高精度定位無縫銜接技術(shù)研究

為解決無縫切換問題，提出了北斗+UWB 的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，研究利用室內(nèi)外環(huán)境下的無縫定位自適應(yīng)的切換算法實現(xiàn)這一目標(biāo)，同時可通過增加閾值機制有效避免室內(nèi)外定位系統(tǒng)反復(fù)切換造成的功耗和運算量的資源浪費，從而實現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和室內(nèi)UWB 定位技術(shù)的無縫連接。在室外環(huán)境中利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)進(jìn)行定位，在室內(nèi)外交界處切換為北斗/UWB 融合定位模式，進(jìn)入室內(nèi)后切換為UWB 定位模式。無縫定位切換模型如圖3所示，其中，AB1 為輔助基站，RB1 為室內(nèi)和室外的交疊位置的基站，MB1 和MB2 為兩個不同室內(nèi)區(qū)域的主基站。

圖3 無縫定位切換模型

實現(xiàn)無縫切換的步驟為：

1）定位感知層實時檢測標(biāo)簽至基站的發(fā)送與接收時間變化（以到達(dá)時間差定位算法為例，利用發(fā)送與接收時間差可計算標(biāo)簽的坐標(biāo)位置信息），并定時上報至后端切換模塊，與此同時北斗終端模塊實時檢測接收衛(wèi)星信號的數(shù)量；

2）后端處理模塊通過標(biāo)簽至基站反饋的時間變化，根據(jù)定位算法實時計算檢測位置坐標(biāo)信息，并反饋至后端切換模塊；

3）由于衛(wèi)星信號和基站發(fā)射信號在室內(nèi)外交疊處會存在一定延誤［17］，致使瞬間數(shù)據(jù)信息的判斷不準(zhǔn)確。此時后端切換模塊將會同時針對衛(wèi)星信號的檢測數(shù)量和室內(nèi)定位算法進(jìn)行判斷，當(dāng)后端切換模塊在窗口時間內(nèi)檢測到的衛(wèi)星信號數(shù)量不小于4 時即可切換至室外定位模式，并開啟北斗定位模式，關(guān)閉UWB 室內(nèi)定位模式，并計算出經(jīng)緯度坐標(biāo)位置信息，從而實現(xiàn)定位；當(dāng)后端切換模塊檢測到的衛(wèi)星信號數(shù)量小于4 時，此時室外位置信息無法實現(xiàn)定位，即可切換關(guān)閉北斗定位模式，切換至室內(nèi)UWB定位模式，并重新根據(jù)室內(nèi)定位算法并完成定位。閾值以衛(wèi)星信號數(shù)量為基礎(chǔ)，即衛(wèi)星信號數(shù)量不小于4，即閾值達(dá)到4 或以上標(biāo)準(zhǔn)時，自動切換到北斗定位模式，反之亦然。

無縫定位技術(shù)的統(tǒng)一是以北斗衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)研究基礎(chǔ)上的可擴展模型，即UWB室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)是北斗衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)上的擴展，位置信息的準(zhǔn)確獲取是解決無縫定位系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，終端從室內(nèi)環(huán)境中獲取準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)信息，直至進(jìn)入到室外接收到北斗衛(wèi)星信號，并利用北斗衛(wèi)星定位完成室外位置信息的獲取。解決無縫定位技術(shù)的關(guān)鍵問題，首先在于如何處理好室內(nèi)坐標(biāo)系與室外北斗坐標(biāo)系之間的關(guān)系；結(jié)合相對位置與絕對位置的特點，為了統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)系關(guān)系，將室外北斗絕對坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成以距離表示的相對坐標(biāo)關(guān)系，統(tǒng)一到室內(nèi)的起點相對基站坐標(biāo)。為基站的絕對位置信息與相對位置信息標(biāo)定與轉(zhuǎn)換，AB1 為輔助基站，RB1 為室內(nèi)和室外的交疊位置的基站，MB1 和MB2 為兩個不同室內(nèi)區(qū)域的主基站。AB1 可接收良好的北斗定位信息，其獲取的坐標(biāo)信息為絕對位置信息；RB1 約定與AB1 間保持同一水平面上，并定期進(jìn)行測距，根據(jù)距離和絕對位置坐標(biāo)信息即可求得RB1 的絕對位置信息，且RB1 可實現(xiàn)位置信息的監(jiān)測和校對；MB1 與MB2 和RB1 間建立起位置同步信息確認(rèn)機制。

4 北斗和超寬帶室內(nèi)外無縫定位處理軟件

4.1 北斗和超寬帶室內(nèi)外無縫定位處理軟件研究

針對北斗+UWB 室內(nèi)外無縫定位后處理軟件，其技術(shù)關(guān)鍵在于北斗定位結(jié)果與范圍內(nèi)的UWB 定位結(jié)果的無縫切換以及轉(zhuǎn)換，即在兩種定位模式下，移動端的定位坐標(biāo)應(yīng)該為相同的，才能保證定位結(jié)果的一致性。如此，就需要在統(tǒng)一兩種定位模式的坐標(biāo)系統(tǒng)以及時間系統(tǒng)，使整個監(jiān)測范圍區(qū)域處于一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下，保證監(jiān)測結(jié)果不隨定位模式的轉(zhuǎn)換而發(fā)生錯誤。

4.1.1 時間的統(tǒng)一

為實現(xiàn)北斗+UWB 聯(lián)合定位，首先需要保證北斗時間系統(tǒng)、UWB 基站時間系統(tǒng)的一致性［18］。北斗時間系統(tǒng)由北斗主控站的原子鐘所控制，各地面監(jiān)控站和北斗衛(wèi)星上的原子鐘均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，并測出衛(wèi)星鐘的鐘差，然后將鐘差信息編入導(dǎo)航電文注入衛(wèi)星，并隨星歷向用戶發(fā)布。UWB 各基站的時間系統(tǒng)可以通過授時進(jìn)行時間同步，二者之間不可避免地存在著微小差異，這種時間上的微小差異將會給定位結(jié)果帶來較大的誤差，因此必須通過精確比對加以測定。

4.1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，GPS 星歷是以WGS-84 坐標(biāo)系為坐標(biāo)框架給出的［19］，而北斗衛(wèi)星的星歷是以我國的CGS2000 坐標(biāo)系為坐標(biāo)框架的。兩個坐標(biāo)系的原點、尺度和坐標(biāo)軸指向都不盡相同，二者之間的關(guān)系可以用常用的布爾莎（Bursa）模型或者莫洛金斯基模型加以描述。以布爾莎（Bursa）模型為例，CGS2000 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以通過式（1）轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系［20］，即

式中：X0、Y0、Z0為平移參數(shù)；u為尺度參數(shù)；εX、εY、εZ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。上述7 個參數(shù)可以通過在兩個坐標(biāo)系中都具有精確已知坐標(biāo)的公共點加以確定，并可以根據(jù)實際情況進(jìn)行分析檢驗，剔除不顯著的參數(shù)，得到三參數(shù)、四參數(shù)、五參數(shù)或六參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

在聯(lián)合解算時，需要根據(jù)UWB 基站的坐標(biāo)系統(tǒng)情況進(jìn)行與北斗坐標(biāo)系統(tǒng)一。如UWB 基站坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，應(yīng)首先將北斗衛(wèi)星在CGS2000坐標(biāo)系中的坐標(biāo)利用式（1）轉(zhuǎn)換成WGS-84 坐標(biāo)，然后在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行統(tǒng)一解算，所得到的定位結(jié)果屬于WGS-84 坐標(biāo)系。類似地，也可以利用相同的方法，將GPS衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成CGS2000坐標(biāo)，然后在CGS2000坐標(biāo)系下進(jìn)行統(tǒng)一解算，所得到的定位結(jié)果屬于CGS2000坐標(biāo)系。

4.2 北斗和超寬帶室內(nèi)外定位試驗平臺管理軟件

在該平臺軟件系統(tǒng)下，可以實現(xiàn)變電站內(nèi)對巡檢運維人員從室內(nèi)到室外的全范圍實時跟蹤定位，同時，在基于對系統(tǒng)監(jiān)控范圍內(nèi)的部分危險系數(shù)較高的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行坐標(biāo)采集后，監(jiān)控巡檢運管人員距的以上設(shè)備設(shè)施距離，劃定安全操作空間，設(shè)置安全運管巡檢路徑區(qū)域，保證巡檢運維人員的工作安全。

針對北斗+UWB 室內(nèi)外無縫定位后處理軟件，在統(tǒng)一兩種定位模式的坐標(biāo)系統(tǒng)以及時間系統(tǒng)，使整個監(jiān)測范圍區(qū)域處于一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下后，完成了北斗定位結(jié)果與范圍內(nèi)的UWB 定位結(jié)果的無縫切換以及轉(zhuǎn)換的是數(shù)據(jù)融合方案設(shè)計，即實現(xiàn)在兩種定位模式下，移動端的定位坐標(biāo)為相同的，保證定位結(jié)果的一致性，保證監(jiān)測結(jié)果不隨著定位模式的轉(zhuǎn)換而發(fā)生錯誤，同時，基于電力系統(tǒng)特殊的應(yīng)用場景以及應(yīng)用方式，有針對性地研究了變電站等復(fù)雜電磁環(huán)境下的算法模型，并根據(jù)相關(guān)模擬數(shù)據(jù)對北斗+UWB 室內(nèi)外無縫定位后處理軟件的算法模型進(jìn)行試驗性調(diào)整，保證在實際應(yīng)用環(huán)境的定位精度。

對于北斗和超寬帶（UWB）室內(nèi)外定位試驗平臺管理軟件，在基于該平臺軟件的功能需求，搭建了整個平臺管理軟件的應(yīng)用框架以及界面設(shè)計，對設(shè)備管理、路徑規(guī)劃、電子圍欄、越界報警等各個功能子菜單進(jìn)行了模塊話開發(fā)設(shè)計，行程整個平臺管理軟件的基礎(chǔ)核心部分，并在此基礎(chǔ)上對各個外圍功能進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，如圖4所示。

圖4 軟件界面

5 結(jié)語

研究北斗室外高精度定位算法，針對高精度衛(wèi)星定位算法，完成了多星座高精度RTK算法模型，解決了多系統(tǒng)衛(wèi)星定位在電力系統(tǒng)等復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度定位實現(xiàn)方案。另外，對于UWB 室內(nèi)定位算法，完成了多種UWB 基站布設(shè)方案下的定位結(jié)果優(yōu)化，在變電站等室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、電磁設(shè)備多的情況下，采用UWB 定位的高精度算法模型，確定了室內(nèi)UWB 定位基站的布站模式以及定位精度的實現(xiàn)方案。同時，針對衛(wèi)星定位及UWB 兩種定位模式算法原理的研究，提出了一種可兼容兩種定位模式的厘米級高精度定位算法，在該算法下可以實現(xiàn)兩種定位模式的無縫切換，不影響最終定位結(jié)果精度。利用北斗室內(nèi)外無縫定位技術(shù)，結(jié)合人工智能、三維電子圍欄和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)基于北斗技術(shù)的室內(nèi)外無縫定位導(dǎo)航系統(tǒng)，可對人員作業(yè)路徑規(guī)劃、危險區(qū)告警、權(quán)限管控、行為規(guī)范管控和歷史責(zé)任追蹤等功能為一體的室內(nèi)外電子圍欄和安全管控平臺，利用巡檢人員的可穿戴設(shè)備對潛在危險進(jìn)行預(yù)警。以該套系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)施，可方便擴展其他基于室內(nèi)外融合定位的定位與導(dǎo)航應(yīng)用場景。