高精度室内外一体化定位技术及其在电缆通道巡检中的应用

来源:用户上传      作者:肖岩 李冀 唐朝云 张绘军 刘丽珍

　　摘   要：文章分析了RTK技术与UWB结合的室内外一体化结合的高精度定位技术特点并分析了其在电缆通道精确定位的应用前景，讨论了室内外一体化定位涉及的定位方法、智能一体化终端硬件设计、位置数据的传输、位置在地图上的呈现等方法。
　　关键词：电缆通道;实时动态载波相位差分技术;超宽带;室内外一体化定位;高精度定位
　　智能巡检系统的运行依赖于位置信息的可靠与高精度，目前比较流行的位置服务有全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），但GNSS也有其自身的局限性和脆弱性。由于无线电波无法穿越墙体和一些障碍物，在室内无法接收到GNSS信号，因此，无法在室内利用GNSS完成定位任务。而超宽带（Ultra Wideband，UWB）定位可应用在室内定位，定位精度5～10 cm，满足电缆通道巡检的高精度定位要求。
　　1    室内外一体化定位巡检系统构成
　　实时动态载波相位差分（Real-time Kinematic，RTK）技术具有较高的定位精度，可有效避免传统技术中误差较大的弊端，定位精度可达到cm级别。UWB技术具有传输速率高、抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、低截获概率、定位精度高、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点。融合当前先进的UWB定位技术和高精度RTK技术，实现室内外一体化定位，为电缆通道巡检提供高效精准的室内外位置信息，可大大推进智能巡检系统在电缆通道中的应用。基于室内外一体化定位的智能巡检系统，硬件主要由超宽带定位基站和标签、服务器、后台终端PC机、手持终端组成，当巡检前端需要进行实时定位和数据传输功能时，需要后台服务器开通互联网，手持终端设备打开移动网络。
　　巡检人员通过无线网络把巡检任务信息同步到手持终端上，在外出巡视时手持智能终端并佩戴定位标签，智能终端地图根据接收到的定位标签信号和定位服务器发送的位置数据确定巡检人员位置并导航，到达任务点附近时，智能终端语音提示，巡检人员根据该任务点定义的设备巡视项进行逐项巡视，记录数据内容。巡视任务完成后，将巡视结果通过巡视管理主机，提交到服务器中。巡检智能终端采用Android设备，实现巡检的移动化、信息化、标准化和智能化。在Android终端平台上设计室内外定位一体化的APP来实现室内外定位一体化，进行数据采集、地图显示、导航等。
　　2    室内外一体定位设备的硬件设计
　　UWB实现定位有两种模式：主动定位和被动定位。（1）主动定位：由UWB定位标签发送超宽带信号，超宽带基站接收这些信息并将这些信息发送到定位引擎进行解算，通过到达时间差（Time Difference of Arrival ，TDOA）算法或飞行时间测距（Time of Flight，TOF）算法解算出标签位置信息，然后通过位置服务器将标签信息广播出去。（2）被动定位：是由UWB定位基站发送定位信号，定位标签接收到该信息后，将这些数据传送到智能终端，利用智能终端的强大运算能力进行定位解算。
　　根据UWB的定位模式，高精度室内外一体化定位终端的工作模式也有两种，分别是：（1）主动定位方式：UWB主动定位+RTK。（2）被动方式：UWB被动定位+RTK。
　　主动定位方式下一体化终端工作模式，智能终端接入互联网以获取连续运行参考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）站差分校正数据，并通过蓝牙发送给定位模块，定位模块接收差分数据后与当前接收的卫星信号联合解算以得到固定解。定位模块以一定频率发送超宽带信号，当基站接收到该信号后通过网线或WiFi传输数据到位置服务器进行解算，解算后的位置信息通过特高频（Ultra High Frequency，UHF）回传给定位模块，并由定位模块通过蓝牙传输到智能终端。位置服务器也可通过WiFi传输给智能终端或上传到云服务由智能终端通过互联网获取位置数据。
　　被动定位方式一体化定位终端集成RTK模块和UWB模块，RTK接收GNSS信号以接收提供室外定位信息，RTK并为UWB模块提供时间校正，UWB接收UWB基站发送的定位信息帧。终端搭载高性能计算CPU，如Cortex A5x/7x系列，利用多个核心即可在终端完成复杂的位置计算。解算后的位置显示在地图上以供巡检人员导航并记录巡检轨迹，位置数据并通过WiFi或蓝牙在必要时传到后台管理服务器[1]。
　　主动定位方式需要从服务器获取UWB定位的位置信息，所以中间总是有延迟，而且当无线网络拥堵或信号弱时，巡检人员将不能获取定位信息从而影响导航功能实现，所以，必须确保连接到一个可靠的无线传输网络。而被动定位则需要智能终端具有强大的计算能力，并且大量的计算将消耗掉电池电量，这将对智能终端的续航构成挑战。
　　3    坐标系转换与定位结果的地图显示
　　室内定位的结果为平面直角坐标系，而GNSS接收信号为WGS84地心固空间坐标系，这两种数据的融合就涉及定位坐标系的转换问题。为了方便，在智能终端上进行地图显示时，可以把数据统一在WGS84大地坐标系下。
　　在布设室内UWB定位基站时，首先，选择坐标原点，坐标原点的选择必须能保证较好的测量条件，以便通过RTK可以测量其经纬度值（lon0，lat0），并达到较高精度。其次，选择坐标轴分别使X轴沿着东方向，Y轴沿着北方向，通过全站仪或激光测距测量各个基站相对原点的坐标。最后，在得到标签定位数据的基础上，根据相关算法可以得到标签相对原点的坐标（x，y），然后通过公式（1）方便地转换为WGS84大地坐标系坐标。
　　其中，R为地球半径。
　　室内定位结果转换为WGS84的坐标后，为了兼容GNSS定位结果，可以NMEA 0183的格式将定位数据发送出去，如$GUGGA幀和$GUGST帧，分别对应GPS定位中的$GPGGA和$GPGST帧。智能终端接收到两种定位信息时，进行判别，例如只有RTK位置信息，则呈现RTK定位数据，只有UWB定位数据时，则呈现UWB定位数据。当同时接收到两种定位信息时，进行比较，根据定位数据的精度和连续性，选择合适的数据进行呈现。
　　导航的实现需要展现在地图之上，现有的开放地图提供的场景主要关注于城市道路等公共区域，对室内场景较少涉及，所以，室内地图显示没有现成的地图资源可以利用。为了实现室内定位，需要自己构建室内地图数据。室内地图数据可由图片组成，每个地图图片都包含对角的两个经纬度坐标值（x0，y0），（x1，y1），构成边界坐标，每个图片赋予唯一的ID，记录ID以及对应的边界坐标，在程序中存储图片ID和相应的边界坐标，实时比较当前定位结果和边界坐标值，当定位结果在边界坐标之内时，载入室内地图数据。智能终端上进行地图显示时首先调用开放性地图平台进行显示，当进入室内后，在开放性地图平台上叠加显示测绘好的室内地图数据，这样就实现了便利的室内外无缝导航[2]。
　　4    结语
　　RTK定位结合UWB定位的室内外一体化定位技术对电缆通道的定位具有较高的精确度，相较于传统方法，电缆通道定位不仅精度更高，适用范围也大为扩展。利用基于智能终端的电缆通道巡视系统，巡检人员可以在智能终端查看巡检任务及地理信息，由巡视现场RTK和UWB来定位电缆通道与巡检人员到位情况，从根本上杜绝巡检人员误检和漏检情况，并有效解决移动终端室内定位精度偏差较大等问题。室内外精确定位实现电缆通道巡检是一种行之有效的方法，可以预见，在未来一段时间，这种技术将会得到大规模应用。
　　[参考文献]
　　[1]蒋彪，王健，沈鹏，等.基于智能终端的电缆通道巡视系统的设计研究[J].电气技术，2017（9）：114-117.
　　[2]刘侃曰，黄一婷.RTK技术与无人机测绘在电缆通道运维的应用[J].内燃机与配件，2018（9）：143-147.
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