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(shè)備。在變電站內(nèi)各項(xiàng)工作中，常常需要定位人員的位置，以避免進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，保障人員安全。當(dāng)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(lán)牙和超寬帶（Ultra WideBand，UWB）等無線信號(hào)的室內(nèi)定位[3-7]。室外定位給出的是絕對(duì)位置，室內(nèi)定位給出的是相對(duì)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(hào)無法穿越到建筑物內(nèi)部，而室外往往沒有相關(guān)無線信號(hào)覆蓋，因此通常的做法是融合兩種定位系統(tǒng)來進(jìn)行室內(nèi)外的聯(lián)合定位。文獻(xiàn)[8]將UWB基站作為偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)一種GPS和UWB融合的定位方法，但是由于待測點(diǎn)到UWB 基站的距離與到GPS 的距離相差太遠(yuǎn)，導(dǎo)致融合效果不好；文獻(xiàn)[9]將GPS信號(hào)的UWB信號(hào)放在一起，通過k 鄰近算法實(shí)現(xiàn)定位，但是室內(nèi)外環(huán)境下經(jīng)常無法同時(shí)收到兩種信號(hào)，因此這種方法的實(shí)用性不高。文獻(xiàn)[10]提出研究了過渡區(qū)域不同信號(hào)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(hào)的定位精度。這些融合方法的定位精度常常不能達(dá)到滿意效果。

實(shí)際上，當(dāng)前建成的北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)在信號(hào)結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式上相比北斗二號(hào)已做了全面升級(jí)，使得信號(hào)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(shù)時(shí)，定位精度可達(dá)亞厘米級(jí)。采用北斗定位技術(shù)，也符合我國當(dāng)前快速推進(jìn)北斗系統(tǒng)應(yīng)用升級(jí)、推動(dòng)電網(wǎng)企業(yè)軍民融合深度發(fā)展的戰(zhàn)略需求。因此，結(jié)合UWB 室內(nèi)定位的優(yōu)勢(shì)，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(shì)分別定位室內(nèi)外區(qū)域，并通過坐標(biāo)統(tǒng)一和越區(qū)切換實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無縫切換。

1 北斗RTK 高精度定位

北斗三號(hào)設(shè)計(jì)了多種恒包絡(luò)復(fù)用技術(shù)，在3 個(gè)頻點(diǎn)播發(fā)5 個(gè)公開載波信號(hào)，包括2 個(gè)北斗二號(hào)現(xiàn)有信號(hào)B1I/B3I 和3 個(gè)新增信號(hào)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(hào)帶寬。采用QMBOC 調(diào)制，使得接收機(jī)可以獲得更高的測距精度和抗多徑性能[11]。B2a 信號(hào)采用QPSK(10)調(diào)制方式，相較B2I 帶寬擴(kuò)展5倍，性能顯著提升。B2b 為混合業(yè)務(wù)信號(hào)，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(dǎo)航信號(hào)獨(dú)立定位，也可作為全球短報(bào)文通信和國際搜救服務(wù)。

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(jī)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(hào)發(fā)送時(shí)刻等信息，再結(jié)合信號(hào)接收時(shí)刻得到信號(hào)傳播時(shí)間，乘以光速得到接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。有了接收機(jī)到3 顆不同衛(wèi)星之間的距離，通過三球交會(huì)原理解算出接收機(jī)的空間三維坐標(biāo)。4 星定位方法消除了衛(wèi)星高精密原子鐘和地面接收機(jī)時(shí)鐘之間精度不一致造成的鐘差，但并未消除電離層、對(duì)流層延遲誤差和星歷誤差，并且因?yàn)镃/A 碼頻率較低，一個(gè)碼長對(duì)應(yīng)實(shí)際300 m，因此即使做到1%的誤差精度也會(huì)導(dǎo)致定位精度只能維持在米級(jí)[12]。

北斗RTK 技術(shù)改進(jìn)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(jìn)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(gè)波長對(duì)應(yīng)只有約不到20 cm，因此，若誤差精度控制在1%時(shí)，測距精度將達(dá)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(jī)和衛(wèi)星的鐘差、電離層誤差、對(duì)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(gè)接收機(jī)同時(shí)對(duì)衛(wèi)星1 和衛(wèi)星2 進(jìn)行載波相位測量的差分，可以消除接收機(jī)鐘差；第二行公式表示對(duì)兩個(gè)不同的接收機(jī)從第一行公式得到的差分再次進(jìn)行差分，可以消除衛(wèi)星鐘差；第三行公式表示對(duì)不同時(shí)刻從第二行公式得到的差分結(jié)果再進(jìn)行一次差分，可以消除載波相位的整數(shù)模糊度，電離層、對(duì)流層誤差和星歷誤差。

因此，在變電站內(nèi)配置一個(gè)固定的RTK 基準(zhǔn)站，提前標(biāo)定好精確的實(shí)際坐標(biāo)。RTK 基準(zhǔn)站在定位過程中，將會(huì)得到觀測位置與實(shí)際坐標(biāo)的偏差，將這個(gè)偏差廣播給變電站內(nèi)其他正在定位的北斗RTK 接收機(jī)。通過與北斗RTK 基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)聯(lián)合解算，接收機(jī)可以獲得自身的精確定位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。經(jīng)過偏差校正之后，接收機(jī)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。RTK 定位接收機(jī)的輸出結(jié)果是符合CGCS2000 中國大地標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)（X,Y,H）。

2 UWB 基站標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)標(biāo)定

2.1 UWB 超寬帶定位

UWB 是一種非正弦窄脈沖信號(hào)，脈沖寬度極小，持續(xù)時(shí)間為亞納秒級(jí)，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(yīng)用中，UWB 的定位精度可以達(dá)到10 cm 級(jí)別。

UWB 定位需要在室內(nèi)布置3 個(gè)以上的基站，待定位的節(jié)點(diǎn)稱為標(biāo)簽。標(biāo)簽收到基站之間的脈沖信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)飛行時(shí)間和雙邊測距法測出自己與各個(gè)基站之間的距離，然后再同樣利用三球交會(huì)原理計(jì)算出自身位置。由于在定位過程中是沒有絕對(duì)坐標(biāo)參考的，因此定位方法是相對(duì)定位，需要用戶自定義位置坐標(biāo)系。

2.2 基于參考點(diǎn)轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)標(biāo)定

為了實(shí)現(xiàn)北斗RTK 定位和UWB 定位實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位，提出一種UWB 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到北斗坐標(biāo)的方法，將兩者的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一起來。設(shè)UWB 基站共有n個(gè)，標(biāo)記為{Ui:(xi,yi,zi)|i=1…n }，xi、yi、zi為基站在自定義坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(duì)坐標(biāo)值，因此可通過參考點(diǎn)標(biāo)定的方法來求得基站坐標(biāo)，如圖2 所示。

首先，在變電站室外區(qū)域選取m 個(gè)固定位置{Sj|j=1… m,m ≥2 }作為第一參考點(diǎn)，通過北斗RTK 高精度定位得到每個(gè)Sj的定位坐標(biāo)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(diǎn){Bk|k≥2 }。Bk位于室外區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域的交界處，點(diǎn)位的選取要求該點(diǎn)能與兩個(gè)以上的Sj精確測距，同時(shí)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(duì)坐標(biāo)。

其中，(ak,bk,ck) 是Bk的坐標(biāo)。在實(shí)際中，Bk與Sj的相對(duì)高差是容易獲得的，因此，通過任一個(gè)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(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)。

最后求所有UWB 基站的絕對(duì)坐標(biāo)。同樣的，每個(gè)UWB 基站與兩個(gè)第二參考點(diǎn)之間可精確測距，因此，再次應(yīng)用上面的方法即可求出所有UWB 基站的絕對(duì)坐標(biāo)，求出的坐標(biāo)符合中國大地坐標(biāo)系CGCS2000 標(biāo)準(zhǔn)。

3 室內(nèi)外高精度聯(lián)合定位

為了實(shí)現(xiàn)變電站室內(nèi)外高精度聯(lián)合定位，在UWB基站坐標(biāo)標(biāo)定點(diǎn)基礎(chǔ)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(hào)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(fù)責(zé)各自的定位區(qū)域即可。要在同一個(gè)定位系統(tǒng)中兼容兩種定位，還需要解決如下兩個(gè)問題：

（1）統(tǒng)一坐標(biāo)系。由上一節(jié)，已經(jīng)獲得了所有UWB基站的絕對(duì)坐標(biāo)。通常在室內(nèi)定位階段，標(biāo)簽P 定位后得到相對(duì)坐標(biāo)(px,py,pz) 。在提出的系統(tǒng)中，UWB 定位過程中直接輸入U(xiǎn)WB 基站的絕對(duì)坐標(biāo)，代替自定義坐標(biāo)，可以直接輸出標(biāo)簽P 的符合中國大地坐標(biāo)系CGCS2000 標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)，省去了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的過程，降低了聯(lián)合定位的復(fù)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(shí)現(xiàn)平滑的越區(qū)切換，采用基于門限閾值的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則[14]來完成。從室外過渡到室內(nèi)時(shí)，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)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(shí)信號(hào)強(qiáng)度大于定位門限值的UWB 基站達(dá)到4臺(tái)時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)切換，否則不切換；當(dāng)從室內(nèi)過渡到室外時(shí)，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度大于定位門限值的UWB 基站少于4 臺(tái)、同時(shí)信號(hào)強(qiáng)度大于定位門限值的可用北斗衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到4 顆時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)切換，否則不切換。采用這種越區(qū)切換準(zhǔn)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?；诟呔榷ㄎ唬到y(tǒng)容易設(shè)計(jì)出路徑規(guī)劃、越界報(bào)警、電子圍欄等多種功能模塊，并結(jié)合電子地圖給出人員的實(shí)時(shí)位置。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在某變電站進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn)，室外定位選用中海達(dá)V30 北斗工程型GNSS 接收機(jī)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(jī)自行研制的定位系統(tǒng)。在室外區(qū)域用RTK 系統(tǒng)標(biāo)定了6 個(gè)第一參考點(diǎn)，在室內(nèi)外過渡區(qū)域選擇了3 個(gè)第二參考點(diǎn)，室內(nèi)UWB 基站數(shù)量為4 個(gè)。測試過程選取了30 個(gè)待測點(diǎn)，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(gè)點(diǎn)，并在不同時(shí)段進(jìn)行了多次定位測試，每個(gè)點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)出平均測量偏差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。可以看出，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(diǎn)位可以使用北斗RTK 定位，有些點(diǎn)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?？傮w來看，定位效果是十分優(yōu)良的。

5 結(jié)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(hào)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(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位，提出坐標(biāo)標(biāo)定方法將UWB 定位坐標(biāo)統(tǒng)一到絕對(duì)坐標(biāo)系下，在室內(nèi)外過渡區(qū)域通過越區(qū)切換方法實(shí)現(xiàn)平滑過渡和無縫鏈接。所提出的方法在變電站實(shí)地進(jìn)行了多次測試，實(shí)驗(yàn)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(biāo)統(tǒng)一到與北斗RTK 定位相一致的中國大地坐標(biāo)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)。