北斗和超寬帶定位技術在電力系統中的應用

朱翔宇，于 佳

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

0 引言

隨著第三代北斗衛星的順利發射組網和北斗定位導航軟硬件的持續發展，北斗系統的民用化發展正在快速推進［1-3］。目前整個北斗系統應用的市場競爭環境和產品商業化程度亟待完善，圍繞北斗系統的軍用和民用產品體系也有待成熟，尤其是以北斗定位導航芯片為代表的核心產品的成熟發展任重道遠［4-6］。電力北斗系統的規模化應用與產業格式，將極大地推動北斗產業的快速發展。電網作為重要能源基礎設施，與國家安全和國防建設的關系極為密切。當前，推動電網企業軍民融合深度發展，必須按照“立足軍民綜合、開展雙向服務、推動合作發展”的思路，承擔平戰結合的服務保障能力建設任務，平時服務社會、緊急時服務軍隊，持續做好國防戰略備份［7-9］。

目前，由于北斗衛星定位技術因受建筑物、障礙物等的阻擋導致室內無法獲取定位信息，變電站作為電網的重要組成部分，其穩定運行直接影響到電網安全，在變電站室內外運檢作業過程中，存在人員作業路徑不清、安全區域不清、安全防范不到位的情況，導致危險事故發生的隱患。

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

1 北斗RTK高精度定位研究

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

RTK 技術的數據處理流程如圖1 所示。開始時，流動站需要確定其概略坐標，并使用高速數據傳輸錯誤糾正技術確定整周模糊度，當確定整周模糊度后，在基星不變且衛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未知數。

圖1 RTK數據處理流程

相比于單北斗定位，多模定位具有更多可用衛星，可形成大量的冗余觀測數據，利用數據之間的相關特性可降低整周模糊度的搜索區間，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、整周模糊度固定方面有明顯的優勢。

多模多頻RTK技術可實現“快速、準確、可靠”的高精度實時動態定位，數據處理流程如圖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、差分方程構建與濾波估計、組合模糊度的快速固定等內容。

圖2 多模多頻RTK數據處理流程

2 室內超寬帶高精度定位研究

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）是一種持續時間短的脈沖射頻技術［15-16］，在盡可能最低的中心頻達到盡可能高的帶寬率。超寬帶系統通過發送一個脈沖波形來實現這個帶寬。提出的UWB 定位應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移動物坐標、移動軌跡的實時監測方法。

超寬帶系統可以使發射器和接收器同步，并隨著時間推移，能夠非常詳細地測量接收波形。這使得準確地測量發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。領先的脈沖第一個到達的能量前緣，即為所測量的發射器和接收器之間的距離。基于到達時間差、到達角度和雙向飛行時間，可以構造實時定位系統。

超寬帶定位原理為：在每個單元中，根據現場的實際地理環境，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 接收器通過以太網建立通信；系統配置好后，即可進入工作狀態。

工作過程為：

1）標簽向接收器發送信號，周邊的接收器同時接收信號；

2）接收器接收信號，測量每個標簽的數據幀到達接收器天線的時間；

3）利用參考標簽發送過來的校準數據，確定標簽到達不同接收器之間的時間差，并利用三角定位技術及優化算法，結合配置好的接收器坐標計算出標簽位置。

3 室內外高精度定位無縫銜接技術研究

為解決無縫切換問題，提出了北斗+UWB 的室內外無縫定位系統，研究利用室內外環境下的無縫定位自適應的切換算法實現這一目標，同時可通過增加閾值機制有效避免室內外定位系統反復切換造成的功耗和運算量的資源浪費，從而實現北斗衛星定位技術和室內UWB 定位技術的無縫連接。在室外環境中利用北斗衛星定位技術進行定位，在室內外交界處切換為北斗/UWB 融合定位模式，進入室內后切換為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 為室內和室外的交疊位置的基站，MB1 和MB2 為兩個不同室內區域的主基站。

圖3 無縫定位切換模型

實現無縫切換的步驟為：

1）定位感知層實時檢測標簽至基站的發送與接收時間變化（以到達時間差定位算法為例，利用發送與接收時間差可計算標簽的坐標位置信息），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星信號的數量；

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

3）由于衛星信號和基站發射信號在室內外交疊處會存在一定延誤［17］，致使瞬間數據信息的判斷不準確。此時后端切換模塊將會同時針對衛星信號的檢測數量和室內定位算法進行判斷，當后端切換模塊在窗口時間內檢測到的衛星信號數量不小于4 時即可切換至室外定位模式，并開啟北斗定位模式，關閉UWB 室內定位模式，并計算出經緯度坐標位置信息，從而實現定位；當后端切換模塊檢測到的衛星信號數量小于4 時，此時室外位置信息無法實現定位，即可切換關閉北斗定位模式，切換至室內UWB定位模式，并重新根據室內定位算法并完成定位。閾值以衛星信號數量為基礎，即衛星信號數量不小于4，即閾值達到4 或以上標準時，自動切換到北斗定位模式，反之亦然。

無縫定位技術的統一是以北斗衛星定位網絡研究基礎上的可擴展模型，即UWB室內定位網絡是北斗衛星定位網絡上的擴展，位置信息的準確獲取是解決無縫定位系統的關鍵問題，終端從室內環境中獲取準確的位置坐標信息，直至進入到室外接收到北斗衛星信號，并利用北斗衛星定位完成室外位置信息的獲取。解決無縫定位技術的關鍵問題，首先在于如何處理好室內坐標系與室外北斗坐標系之間的關系；結合相對位置與絕對位置的特點，為了統一室內外坐標系關系，將室外北斗絕對坐標信息轉換成以距離表示的相對坐標關系，統一到室內的起點相對基站坐標。為基站的絕對位置信息與相對位置信息標定與轉換，AB1 為輔助基站，RB1 為室內和室外的交疊位置的基站，MB1 和MB2 為兩個不同室內區域的主基站。AB1 可接收良好的北斗定位信息，其獲取的坐標信息為絕對位置信息；RB1 約定與AB1 間保持同一水平面上，并定期進行測距，根據距離和絕對位置坐標信息即可求得RB1 的絕對位置信息，且RB1 可實現位置信息的監測和校對；MB1 與MB2 和RB1 間建立起位置同步信息確認機制。

4 北斗和超寬帶室內外無縫定位處理軟件

4.1 北斗和超寬帶室內外無縫定位處理軟件研究

針對北斗+UWB 室內外無縫定位后處理軟件，其技術關鍵在于北斗定位結果與范圍內的UWB 定位結果的無縫切換以及轉換，即在兩種定位模式下，移動端的定位坐標應該為相同的，才能保證定位結果的一致性。如此，就需要在統一兩種定位模式的坐標系統以及時間系統，使整個監測范圍區域處于一個統一的坐標系統下，保證監測結果不隨定位模式的轉換而發生錯誤。

4.1.1 時間的統一

為實現北斗+UWB 聯合定位，首先需要保證北斗時間系統、UWB 基站時間系統的一致性［18］。北斗時間系統由北斗主控站的原子鐘所控制，各地面監控站和北斗衛星上的原子鐘均應與主控站的原子鐘同步，并測出衛星鐘的鐘差，然后將鐘差信息編入導航電文注入衛星，并隨星歷向用戶發布。UWB 各基站的時間系統可以通過授時進行時間同步，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 坐標系統的統一

在衛星定位系統中，GPS 星歷是以WGS-84 坐標系為坐標框架給出的［19］，而北斗衛星的星歷是以我國的CGS2000 坐標系為坐標框架的。兩個坐標系的原點、尺度和坐標軸指向都不盡相同，二者之間的關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 坐標系中的坐標可以通過式（1）轉換到WGS-84坐標系［20］，即

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

在聯合解算時，需要根據UWB 基站的坐標系統情況進行與北斗坐標系統一。如UWB 基站坐標是WGS-84坐標系統，應首先將北斗衛星在CGS2000坐標系中的坐標利用式（1）轉換成WGS-84 坐標，然后在WGS-84坐標系下進行統一解算，所得到的定位結果屬于WGS-84 坐標系。類似地，也可以利用相同的方法，將GPS衛星在WGS-84坐標系中的坐標轉換成CGS2000坐標，然后在CGS2000坐標系下進行統一解算，所得到的定位結果屬于CGS2000坐標系。

4.2 北斗和超寬帶室內外定位試驗平臺管理軟件

在該平臺軟件系統下，可以實現變電站內對巡檢運維人員從室內到室外的全范圍實時跟蹤定位，同時，在基于對系統監控范圍內的部分危險系數較高的設備設施進行坐標采集后，監控巡檢運管人員距的以上設備設施距離，劃定安全操作空間，設置安全運管巡檢路徑區域，保證巡檢運維人員的工作安全。

針對北斗+UWB 室內外無縫定位后處理軟件，在統一兩種定位模式的坐標系統以及時間系統，使整個監測范圍區域處于一個統一的坐標系統下后，完成了北斗定位結果與范圍內的UWB 定位結果的無縫切換以及轉換的是數據融合方案設計，即實現在兩種定位模式下，移動端的定位坐標為相同的，保證定位結果的一致性，保證監測結果不隨著定位模式的轉換而發生錯誤，同時，基于電力系統特殊的應用場景以及應用方式，有針對性地研究了變電站等復雜電磁環境下的算法模型，并根據相關模擬數據對北斗+UWB 室內外無縫定位后處理軟件的算法模型進行試驗性調整，保證在實際應用環境的定位精度。

對于北斗和超寬帶（UWB）室內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用框架以及界面設計，對設備管理、路徑規劃、電子圍欄、越界報警等各個功能子菜單進行了模塊話開發設計，行程整個平臺管理軟件的基礎核心部分，并在此基礎上對各個外圍功能進行設計開發，如圖4所示。

圖4 軟件界面

5 結語

研究北斗室外高精度定位算法，針對高精度衛星定位算法，完成了多星座高精度RTK算法模型，解決了多系統衛星定位在電力系統等復雜電磁環境下的高精度定位實現方案。另外，對于UWB 室內定位算法，完成了多種UWB 基站布設方案下的定位結果優化，在變電站等室內環境復雜、電磁設備多的情況下，采用UWB 定位的高精度算法模型，確定了室內UWB 定位基站的布站模式以及定位精度的實現方案。同時，針對衛星定位及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兩種定位模式的無縫切換，不影響最終定位結果精度。利用北斗室內外無縫定位技術，結合人工智能、三維電子圍欄和物聯網技術，建設基于北斗技術的室內外無縫定位導航系統，可對人員作業路徑規劃、危險區告警、權限管控、行為規范管控和歷史責任追蹤等功能為一體的室內外電子圍欄和安全管控平臺，利用巡檢人員的可穿戴設備對潛在危險進行預警。以該套系統為基礎設施，可方便擴展其他基于室內外融合定位的定位與導航應用場景。