稂龍亞 楊 陽(yáng) 嚴(yán) 波 劉 江 任新星 楊 凱

(1.國(guó)網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司, 安徽 合肥 230088; 2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司, 安徽 合肥 230061;3.北京合眾思?jí)芽萍脊煞萦邢薰? 北京 100015)

0 引言

我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展日漸成熟,北斗導(dǎo)航定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)檢及應(yīng)急等領(lǐng)域[1]。北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)(BeiDou Satellite-based Augmentation System,BDSBAS),也稱廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng),是北斗三號(hào)系統(tǒng)(Beidou-3,BDS-3)中一項(xiàng)重要的技術(shù),通過3顆地球靜止軌道衛(wèi)星(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)播發(fā)的B1C、B2a信號(hào),向中國(guó)及周邊地區(qū)用戶多種修正信息,從而提高基本導(dǎo)航的定位精度。

全球范圍內(nèi)已有多個(gè)國(guó)家開展星基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè),美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System,WAAS)于2003年正式使用,文獻(xiàn)[2]對(duì)WAAS服務(wù)范圍內(nèi)的測(cè)站定位精度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)定位精度具有一定區(qū)域性,整體定位精度水平方向在0.4～0.8 m范圍內(nèi),高程方向在0.6～1.2 m范圍內(nèi),較偽距單點(diǎn)定位精度提升顯著。歐洲的地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)(European Geostationary Navigation Overlay Service,EGNOS)是針對(duì)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)中L1、L5和Galileo中的E1、E5頻點(diǎn)提供服務(wù)[3],文獻(xiàn)[4]利用EGNOS+GPS處理策略分析阿爾及利亞地區(qū)的測(cè)站的定位精度,結(jié)果顯示在95%置信度下定位誤差優(yōu)于2 m。日本的多功能星基增強(qiáng)系統(tǒng)(Multi-functional Transport Satellite-based Augmentation System,MSAS)由日本民航局主導(dǎo)建設(shè),完全基于GPS衛(wèi)星,文獻(xiàn)[5]研究了日本和中國(guó)地區(qū)的MSAS定位精度,結(jié)果顯示日本境內(nèi)水平和高程定位精度分別優(yōu)于0.69和0.97 m,且中國(guó)地區(qū)的增強(qiáng)效果更好。文獻(xiàn)[6]分析北斗二號(hào)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)的偽距單點(diǎn)定位(Single Point Positioning,SPP)精度在E，N，U三個(gè)方向的定位精度為0.3，0.4，0.8 m,較基本導(dǎo)航SPP在三維方向精度提升53%。文獻(xiàn)[7]利用B1C電文和三個(gè)國(guó)內(nèi)站數(shù)據(jù)評(píng)估了北斗三號(hào)星基增強(qiáng)定位精度,結(jié)果表明三個(gè)測(cè)站的星基增強(qiáng)定位在水平方向的平均精度為1.03 m,垂直方向?yàn)?.6 m(95%)。

除此之外,全球范圍內(nèi)還有俄羅斯[8]、印度[9]和韓國(guó)[10]等國(guó)家也在積極建設(shè)各自的星基增強(qiáng)系統(tǒng)。

無人機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在輸電線路巡檢方面[11-12],其常采用載波相位差分技術(shù)進(jìn)行定位,該方法需要在地面架設(shè)基站且定位精度會(huì)隨著基線長(zhǎng)度的增加不斷下降。在電力線路巡檢時(shí),巡檢區(qū)域較大且地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜,上述定位技術(shù)具有很大的局限性。本文基于北斗星基增強(qiáng)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)自動(dòng)巡檢硬件和軟件系統(tǒng),利用星基增強(qiáng)接收機(jī)進(jìn)行仿無人機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),研究北斗星基增強(qiáng)定位在無人機(jī)電力巡檢方面應(yīng)用的可行性和可靠性。

1 北斗星基增強(qiáng)原理及改正算法

1.1 北斗星基增強(qiáng)工作原理

星基增強(qiáng)系統(tǒng)主要由空間部分、地面控制站、運(yùn)行維護(hù)站和用戶四個(gè)部分組成,其工作原理如圖1所示。首先將收集分布于各地的監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),主控站解算這些數(shù)據(jù)得到各種修正信息,注入站再將這些信息上傳至地球同步軌道(Geosynchronous Orbit，GEO)衛(wèi)星,最后GEO衛(wèi)星將修正信息播發(fā)給用戶,用戶利用修正模型即可提高定位精度。主要修正信息如表1所示。

圖1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)基本工作原理

表1 BDSBAS主要修正信息

1.2 北斗星基增強(qiáng)GEO衛(wèi)星位置算法

SBASL1電文中每個(gè)數(shù)據(jù)塊大小為250 bit,以250 bit/s 的基本數(shù)據(jù)率向中國(guó)及周邊地區(qū)用戶提供符合國(guó)際民航組織標(biāo)準(zhǔn)的單頻服務(wù)和雙頻多星座服務(wù)。利用電文信息,通過公式(1)和(2)計(jì)算GEO衛(wèi)星t時(shí)刻的位置[13]。

t=tG-ΔtG=tG-|aGf0+aGf1(tG-t0)|

(1)

(2)

1.3 北斗星基增強(qiáng)GEO衛(wèi)星位置算法

t時(shí)刻的衛(wèi)星時(shí)鐘慢變改正數(shù)為

δΔtsv(t)=δaf0+δaf1(t-t0)+δafG0

(3)

式(3)中,δaf0為時(shí)鐘偏差;δaf1為鐘漂(如果速度編碼為0,該值為0);t0為改正數(shù)參考時(shí)刻;δafG0為GLONASS衛(wèi)星改正參數(shù),在電文12中播發(fā),針對(duì)非GLONASS衛(wèi)星,該值為0。

2 無人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于星基增強(qiáng)技術(shù)的無人機(jī)自主化巡檢系統(tǒng)由硬件和軟件系統(tǒng)組成,其具備操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速、自主飛行等優(yōu)勢(shì)。提高了電力線路巡檢的維護(hù)和檢修的速度及效率,可以在惡劣環(huán)境下采集輸電線路信息與衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),極大地降低人工成本和安全性威脅。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由主處理控制器、通信接口、云平臺(tái)相機(jī)等4大部分構(gòu)成。主要部件功能如下:

(1)主處理器:處理無人機(jī)相關(guān)飛控?cái)?shù)字信號(hào)及操作指令,并指揮無人機(jī)進(jìn)行相關(guān)操作。

(2)通信接口:將控制信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成讓主處理器識(shí)別的數(shù)據(jù)。

(3)云平臺(tái)相機(jī):通過內(nèi)置的兩組電機(jī),使架設(shè)在云臺(tái)上的攝像機(jī)保持穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生因飛行器震動(dòng)而導(dǎo)致航拍圖像模糊的現(xiàn)象。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于星基增強(qiáng)技術(shù)的電力巡檢系統(tǒng)主要由圖像無線傳輸系統(tǒng)和星基增強(qiáng)飛控傳輸系統(tǒng)組成,具體描述如下:

(1)圖像無線傳輸系統(tǒng)首先要輸入巡檢地區(qū)的三維地圖,之后根據(jù)選點(diǎn)要求和原則精確選定航線內(nèi)拍照點(diǎn),連接各拍照點(diǎn)規(guī)劃相應(yīng)路線及速度,最后將這些信息傳輸至飛控系統(tǒng)中。

(2)星基增強(qiáng)飛控傳輸系統(tǒng)是在無人機(jī)依據(jù)規(guī)劃的飛行航跡時(shí),實(shí)時(shí)接收GNSS導(dǎo)航信號(hào)和星基增強(qiáng)導(dǎo)航電文,通過內(nèi)置的星基增強(qiáng)定位解算模塊,得出高精度定位結(jié)果,歷時(shí)不到1 s。將解算后的位置信息傳遞給飛控模塊,從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主巡檢。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了比較分析北斗單頻星基增強(qiáng)SPP和單頻基本導(dǎo)航SPP在無人機(jī)應(yīng)用中的定位精度,本文利用北斗星基增強(qiáng)接收機(jī)在陸地上進(jìn)行仿無人機(jī)飛行動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn),選取GPS全星座衛(wèi)星的L1C頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)選在空曠無遮擋地區(qū),實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約30 min,平均速度約為10 km/h,采樣間隔為1 s。在運(yùn)動(dòng)區(qū)域約1 km米處架設(shè)已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)站進(jìn)行短基線動(dòng)態(tài)測(cè)量,將成功確定模糊度的解算結(jié)果作為飛行軌跡準(zhǔn)確坐標(biāo),利用E,N,U三個(gè)方向的均方根(Root Mean Square，RMS)值分析星基增強(qiáng)SPP和基本導(dǎo)航SPP定位精度,從而判定星基增強(qiáng)定位在無人機(jī)電力巡檢方面的可行性與可靠性。圖2～3為基本導(dǎo)航SPP和星基增強(qiáng)SPP兩種定位模式E、N、U三個(gè)方向的定位誤差。

圖2 基本導(dǎo)航SPP定位誤差

圖3 星基增強(qiáng)SPP定位誤差

從圖2～3可以看出,在E方向星基增強(qiáng)SPP與基本導(dǎo)航SPP的定位精度基本一致。在N方向星基增強(qiáng)SPP定位誤差比基本導(dǎo)航SPP更加平穩(wěn),波動(dòng)較小。在U方向星基增強(qiáng)SPP定位精度整體優(yōu)于基本導(dǎo)航SPP。對(duì)實(shí)驗(yàn)解算結(jié)果剔除3倍中誤差統(tǒng)計(jì)后,得到3個(gè)方向的RMS值,如表2所示。

表2 北斗星基增強(qiáng)與偽距定位精度 單位：m

由表2所示基本導(dǎo)航SPP在水平方向精度優(yōu)于1.5 m,高程方向優(yōu)于3.3 m。北斗星基增強(qiáng)SPP定位水平方向定位精度優(yōu)于1 m,高程方向優(yōu)于1.5 m。通過三維方向精度比較可以看出,北斗星基增強(qiáng)SPP較基本導(dǎo)航SPP精度提升約48.3%。由《架空輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大中小型無人機(jī)距離線路設(shè)備安全距離分別為50,30,10 m[14],由此可見使用星基增強(qiáng)定位技術(shù)完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),且較單頻偽距定位精度更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗星基增強(qiáng)的無人機(jī)自動(dòng)巡檢系統(tǒng),通過北斗星基增強(qiáng)接收機(jī)仿無人機(jī)動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn),比較分析星基增強(qiáng)SPP和基本導(dǎo)航SPP在E,N,U三個(gè)方向的定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:北斗星基增強(qiáng)SPP整體定位精度較較基本導(dǎo)航SPP提升48.3%,滿足無人機(jī)在電力線路巡檢方面定位精度要求。隨著星基增強(qiáng)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,基于星基增強(qiáng)系統(tǒng)的電力巡檢技術(shù)將在未來不斷發(fā)揮價(jià)值。