基于优化电力巡检无人机降落定位精度的研究

引言

随着北斗导航系统的逐步发展与完善,在许多领域都得到了广泛应用。无人机作为电力系统高压输电线巡检的高效手段,对高压输电线路的维护起着非常重要的作用。在无人机巡检航拍、高压塔着陆充电等过程中,都要求自身搭载的北斗导航系统能实现高精度定位。尤其当无人机在高压输电线电塔平台采用无线充电方式时,导航的定位精度还将对无人机的无线充电效率产生影响。

由于北斗导航系统在民用领域的精度限制,传统的单点定位精度在米级或者十米级以上,伪距差分的定位精度为分米级,显然无法达到无人机巡检高压输电线的精度要求。为满足无人机在巡检过程中的高精度定位降落需求,必须使用能达到厘米级定位精度的RTK技术。在实际应用中,对无人机无线充电时考虑到充电接触面积对充电效率的影响,需要对RTK技术进行改进,优化定位精度。

1巡检无人机无线充电平台

在无人机进行电力系统输电线巡检过程中,由于无人机续航里程的限制,在无人机巡检一定距离后,无人机需要进行充电。本文将采用一种置于高压输电塔上的充电平台,给降落在平台上的无人机进行无线充电。

l.l无人机无线充电装置

无人机无线充电平台被置于高压输电塔上,通过输电线连接高压电塔与充电平台,给无人机进行充电。充电平台装置端主要包括北斗定位模块、重力感应模块、发射线圈、中央控制器和蓄电池等:无人机端主要包括接收线圈、电池组和北斗定位模块等。北斗定位模块对无人机降落平台实现精准定位,平台内置的发射线圈与无人机上装载的接收线圈进行能量传递。

l.2定位精度对充电效率的影响

由于无人机在无线充电过程中,无人机端搭载的接收线圈与平台的发射线圈间的接触面积越大,无线充电效率将越高,因此无人机降落时的定位精度将直接影响无线充电效率,关键在于提高北斗定位系统的精度。

2RTK技术原理

传播路径误差主要有对流层延迟误差、电离层延迟误差和多路径效应误差。电离层误差作为主要的定位偏差因素,应采用差分技术消减电离层延迟误差。

2.l差分工作原理

由于卫星导航定位信号中各种误差的存在,单点定位精

度显然无法满足无人机巡检作业的高精度定位需求。因此,通常需采用差分技术以提高定位精度,其技术原理如图1所示。

图l差分技术原理图

基准站与移动站同时观测卫星定位信号,在一定基线距离条件下,两站观测同一颗卫星,接收信号中包含的误差基本相同。此时进行差分计算,能够有效抵消基准站与移动站间的共同误差部分,接收机的定位精度得以提高。

2.2载波相位差分(RTK）技术

显然单点定位与伪距差分不能达到无人机巡检高精度定位的要求。

RTK技术是将基准站接接收到的载波相位测量值发给移动站接收机,与移动站接收机自身的载波相位测量值进行差分运算,最后求解得到基线向量与初始整周模糊度,完成高精度定位。载波相位观测方程式如下:

式中,A为载波相位测量值:λ为载波波长:r为接收机与卫星的几何距离:c为真空光速:stu为接收机钟差:8ts为卫星钟差:I为电离层延迟:r为对流层延迟:N为整周模糊度:s。为载波相位测量噪声,主要包括接收机噪声和多路径效应误差。

3载波相位差分流程

3.1载波相位差分模型

RTK处理过程包括载波周跳检测与修复、整周模糊度浮点解求解、整周模糊度确定、整周模糊度正确度检验等4个过程。对于移动接收站来说,关键在于能准确并快速求解出整周模糊度以完成精准定位。为了消除对流层延迟和电离层延迟的影响,在短基线条件下,可以将移动站u和基准站z分别对卫星i和j做单差处理,方程式如下:

先使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复,保证载波相位测量值是连续可用的。然后结合站间星间双差观测方程,忽略整周模糊度的整数约束,用最小二乘法求得基

线向量Rn和模糊度浮点解N^。由得到的浮点解N^使用逐级模糊度确定法实现整周模糊度的固定[3]。由整周模糊度的最优解,可得到基线向量的最优解。在基准站已知位置的条件下,可以得到移动基站的精确位置。

3.2优化实时定位精度的改进方法

逐级模糊度确定法基于宽巷测量值的整周模糊度相比窄巷更易求解,可以根据不同波长的组合测量值,逐级从最宽巷到最窄巷解得整周模糊度。因为该方法是几何无关算法,所以很适用于RTK技术[4]。该算法与用户接收机运动状态无关,也不易受到电离层延迟及对流层延迟的影响,算法复杂度相比几何相关算法大大简化,解算效率显著提升,甚至能将RTK定位精度从厘米级提升到毫米级,优化了无人机的定位降落性能。

4无人机实验分析

4.1实验平台

为验证北斗系统优化后的RTK定位精度,搭建了无人机实验平台,进行无人机飞行试验,在单点、伪距差分和RTK三种模式下分析定位精度。在飞行试验时,应选择宽阔无障碍的实验场地。在基准站接收机天线被固定,已知精确坐标定点的情况下,在无人机上安装移动站接收机天线。

搭载移动站接收机的无人机按计划规定轨迹飞行,平均速度约50km/h,分别用单点定位、伪距差分定位、RTK定位三种模式给无人机进行定位,并记录下无人机飞行1h的定位数据。4.2实验结果分析

在三种模式下的水平及垂直定位精度（2a)误差如表1所示。

表1定位精度试验数据对比

由表1可知,单点定位模式下,水平方向定位误差约4.5m,垂直方向定位误差约5.3m:伪距差分定位模式下,水平方向定位误差约0.6m,垂直方向定位误差约1.8m:而RTK模式下,水平方向定位误差为0.0087m,垂直方向定位误差为0.0189m。载波相位差分模式相对于传统的两种定位方式,在定位精度上有很大提升,达到厘米级甚至毫米级。

5结语

本文针对无人机在电力系统高压输电线巡检、高压塔着陆无线充电等过程中的高精度定位需求,通过无人机飞行定位试验,对传统定位模式与高精度定位的RTK模式进行了对比分析。试验结果表明,优化后的RTK技术能够明显提高北斗卫星导航的定位精度,满足无人机巡检工程需求。