UWB 定位技術(shù)在水文測驗中的應(yīng)用

褚杰輝，張 丹，姚 遠

（1.黃河水利委員會榆次水文水資源勘測局,山西 晉中 030600；2.杭州靈翔電子發(fā)展有限公司,浙江 杭州 310000）

1 引言

水文測驗在現(xiàn)代化發(fā)展過程中對大量的設(shè)備進行了自動化升級改造,其中大量各種類型的渡河設(shè)備在無人化的過程中,對遠程測控提出了全新的定位需求,以保證測驗中渡河設(shè)施的安全。同時在水文測驗中,斷面定位的精度又會通過斷面面積的計算影響水文測驗中流量,泥沙的的測驗精度。

本文介紹一套基于UWB 定位技術(shù)的定位系統(tǒng)設(shè)計,該設(shè)備目前在黃河干流及支流水文站進行了比測試驗,取得了遠超行業(yè)規(guī)范的精度。

2 傳統(tǒng)的定位技術(shù)

2.1 GPS-RTK 定位技術(shù)

基于GPS-RTK 的定位系統(tǒng)具有抗干擾性好,易與相關(guān)自動化技術(shù)結(jié)合,可利用計算機進行相關(guān)參數(shù)進行預設(shè)等優(yōu)點。GPS-RTK 測量系統(tǒng)測程高達20 km[1],測量精度能達到厘米范圍。遠超《河流流量測驗規(guī)范》[2]中“垂線的定位誤差不得超過河寬的0.5%,絕對誤差不得超過1 m”的規(guī)定。但是受限于高昂的價格,目前僅在河流跨度較大的水文站推廣應(yīng)用。

2.2 光電增量編碼傳感器

基于利用光電增量編碼傳感器感應(yīng)循環(huán)輪和起重輪為水文測流纜道的定位技術(shù),適用于受工作索牽引運行的過河設(shè)備的定位。目前該定位儀廣泛應(yīng)用于中小河流的水文站。根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》[2],計數(shù)器類定位系統(tǒng)需建立主要測驗儀器、測距及有關(guān)測驗設(shè)施裝備的定期檢查登記制度可有效控制起點距誤差。根據(jù)安裝該定位設(shè)備的吳堡站定期檢查記錄顯示,在每月進行1～2 次校核的情況下可保持起點距定位誤差在1 m 以內(nèi)。且該定位系統(tǒng)存在絕對誤差和相對誤差均隨起點距增大而增大的現(xiàn)象,設(shè)備故障時誤差可達3 m～4 m,故需經(jīng)常校驗。

3 一種基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)

3.1 UWB 定位技術(shù)的原理

UWB 定位技術(shù)是采用超帶寬無線通信的定位技術(shù),具有系統(tǒng)復雜度低、發(fā)射信號功率譜密度低、對信道衰落不敏感、截獲能力低、定位精度高等優(yōu)點。將UWB 定位技術(shù)應(yīng)用于室外定位的優(yōu)點在于將定位的過程脫離渡河設(shè)施的基礎(chǔ)工程,成為獨立的校驗系統(tǒng),減少工作干擾,降低維護成本。

UWB 定位算法包括基于飛行時間（TOF）、基于達到時間差（TDOA）、基于達到角度的定位算法和基于被接受信號強度的定位算法[4]。其中基于TOF 及基于TDOA 的算法使用場景多,不易受干擾、定位精度強等原因被廣泛應(yīng)用于目前主流的UBW 定位系統(tǒng)中。

3.2 核心硬件電路設(shè)計

本文將介紹一種基于UWB 技術(shù)的水文斷面定位系統(tǒng)（后文簡稱為定位系統(tǒng)）,其核心電路采由decaWave 公司的全球第一款UWB 芯片組成,外部配合高穩(wěn)晶振3 以達到10 cm 的無遮擋測距精度。同時為了克服芯片本身發(fā)射功率比較低（實際只能達到50 m 測距的距離）,將在UWB 射頻電路部分額外增加功率放大和低噪聲放大電路,以達到至少600 m 的定位距離。系統(tǒng)中基站和標簽采用相同的電路設(shè)計,電路設(shè)計框圖見圖1。

圖1 一種基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)的原理圖設(shè)計

3.2.1 電池管理及充電電路

電池管理電路采用TI 專用的電量管理芯片BQ27542,采集電池不同電流、不同電壓下的狀態(tài)數(shù)據(jù),同時使用電池電量管理算法擬合出電池的充放電曲線,以提高電池電量計算精度。

電池充電控制電路采用TI 專用鋰電池充電控制芯片BQ24133,具有三段式充電控制,充電效率高、集成度高、靜態(tài)功耗低、延長電池使用壽命。室外測距節(jié)點采用太陽能供電時,太陽能電池板不但給電池充電還給后級供電,不僅能避免電池充電時還工作,還可有效延長電池使用壽命。

圖2 電池管理電路原理圖

3.2.2 測距核心射頻電路

測距采用decaWave 公司的全球第一款UWB 芯片,該芯片集成射頻收發(fā)電路,外部配合高穩(wěn)晶振等電路即可達到10 cm的測距精度,遮擋時也可達到30 cm 測距精度。由于芯片本身發(fā)射功率比較低,實際只能達到5 m 測距距離；為適用于室外大距離范圍內(nèi)的測量需求,外部需要額外增加功率放大和低噪聲放大電路等,實際增加功放和低噪聲接收電路后傳輸距離增大至1 km。

圖3 增加功放和低噪放原理圖

3.3 定位系統(tǒng)實例介紹

定位系統(tǒng)包括至少兩個定位基站和一個標簽,標簽固定在渡河設(shè)施上,渡河設(shè)施在斷面內(nèi)沿垂直河流方向移動,兩個定位基站位于標簽的兩側(cè)或者同側(cè),

定位系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備及室外設(shè)備組成。其中室內(nèi)設(shè)備包括中繼通訊基站和手持顯示設(shè)備,室外設(shè)備由定位基站、移動標簽組成。定位數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)實時傳回室內(nèi)無線中繼基站及手持顯示設(shè)備中。中繼基站可選4 G 或WIFI 模式以滿足各類水文站的實際應(yīng)用情況。中繼基站可將定位數(shù)據(jù)實時通過網(wǎng)絡(luò)傳回服務(wù)器,以實現(xiàn)異地超遠距離測控。所有設(shè)備內(nèi)置采用鋰電池供電,室外設(shè)備內(nèi)置電池由太陽能充電。

4 基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)的在水文測驗中的應(yīng)用

4.1 定位系統(tǒng)在鉛魚測深中應(yīng)用

在鉛魚測深系統(tǒng)中,鉛魚開始下降并觸底這部分距離將計算成為該次測驗的水深值,目前大部分鉛魚采用計數(shù)器原理進行測深計算。在使用定位系統(tǒng)進行測深時,需要兩個標簽,其中一個固定于鉛魚行車架,一處固定于鉛魚下降滑輪處。當鉛魚開始下降并入水時,行車架處標簽轉(zhuǎn)換工作模式成為基站,計算鉛魚下降高度。

4.2 定位系統(tǒng)在流量測驗中的應(yīng)用

目前在黃河流域流量計算中多采用流速-面積法,在該法中,起點距的定位誤差將會引起流量測驗誤差[3],其中起點距的測驗的準確與否與流量測驗精度有非常強的關(guān)系。根據(jù)流量計算公式（1）所示：

根據(jù)流量面積計算公式可知,若起點距相對誤差不變而絕對誤差逐漸增大,則會導致過水斷面持續(xù)偏大,從而導致流量計算偏大,若起點距定位絕對誤差較小且在要求范圍內(nèi),則流量計算值才會較為穩(wěn)定。起點距定位的誤差將直接影響流量的計算,且呈正比例相關(guān)。

在黃河流域干流吳堡水文站、支流后大成、林家坪、大寧、吉縣4 站進行UWB 定位系統(tǒng)的應(yīng)用實驗,取得實驗精度,見表1。

表1 斷面定位系統(tǒng)在吳堡等5 站起點距的實驗精度 單位：m

根據(jù)在各種天氣情況和溫度下實驗,比測誤差標準差最大僅為0.131 m（吳堡）,誤差均值最大為-0.172 m（吳堡）,幾乎所有比測的誤差小于《河流流量測驗規(guī)范》[2]。其中后大成、林家坪、大寧、吉縣站安裝后運行7 個月,時間橫跨夏春秋三季,期間并未發(fā)現(xiàn)誤差精度變化,說明該系統(tǒng)運行維護簡單,無需日常校測。

4.3 定位系統(tǒng)在纜道垂度測量中的應(yīng)用

在測驗河段流速較大,河寬小于500 m,且下游有險灘、橋梁、水工建筑物等的測站實施測量、泥沙測驗,基本均建設(shè)水文纜道。在相同設(shè)計條件下,主索垂度的減小會引起水文纜道支架、基礎(chǔ)、地錨穩(wěn)定性降低；主索垂度的增大則會導致循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動力增大。可見垂度對于纜道的運行及安全起著至關(guān)重要的作用。當前受制于垂度測驗的復雜性,一般只進行較少次數(shù)的觀測,如果將定位系統(tǒng)引入,則可對纜道進行日常的觀測,從而提高測驗的安全性。

5 結(jié)論

在目前水文系統(tǒng)現(xiàn)代化升級的過程中,越來越的多的水文站開始進行巡測甚至無人化管理,為了保障無人渡河設(shè)施的工作安全,同時兼顧測驗精度,急需穩(wěn)定可靠,精度高,日常維護簡單的定位系統(tǒng)。基于UWB 技術(shù)的定位系統(tǒng)在提升遠程測控的安全性的同時,還可以提升水文測驗的準確性,更加適合于當前水文測驗巡測甚至無人化的工作要求。