北斗星基增强技术在电网无人机巡检中的应用

稂龙亚 杨 阳 严 波 刘 江 任新星 杨 凯

(1.国网信通产业集团安徽继远软件有限公司, 安徽 合肥 230088; 2.国网安徽省电力有限公司, 安徽 合肥 230061;3.北京合众思壮科技股份有限公司, 北京 100015)

0 引言

我国在卫星导航领域的发展日渐成熟,北斗导航定位技术已广泛应用于电网调度、运检及应急等领域[1]。北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-based Augmentation System,BDSBAS),也称广域差分增强系统,是北斗三号系统(Beidou-3,BDS-3)中一项重要的技术,通过3颗地球静止轨道卫星(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)播发的B1C、B2a信号,向中国及周边地区用户多种修正信息,从而提高基本导航的定位精度。

全球范围内已有多个国家开展星基增强系统的建设,美国广域增强系统(Wide Area Augmentation System,WAAS)于2003年正式使用,文献[2]对WAAS服务范围内的测站定位精度进行分析,发现定位精度具有一定区域性,整体定位精度水平方向在0.4～0.8 m范围内,高程方向在0.6～1.2 m范围内,较伪距单点定位精度提升显著。欧洲的地球同步卫星导航增强服务系统(European Geostationary Navigation Overlay Service,EGNOS)是针对全球定位系统(Global Positioning System,GPS)中L1、L5和Galileo中的E1、E5频点提供服务[3],文献[4]利用EGNOS+GPS处理策略分析阿尔及利亚地区的测站的定位精度,结果显示在95%置信度下定位误差优于2 m。日本的多功能星基增强系统(Multi-functional Transport Satellite-based Augmentation System,MSAS)由日本民航局主导建设,完全基于GPS卫星,文献[5]研究了日本和中国地区的MSAS定位精度,结果显示日本境内水平和高程定位精度分别优于0.69和0.97 m,且中国地区的增强效果更好。文献[6]分析北斗二号的星基增强系统的伪距单点定位(Single Point Positioning,SPP)精度在E，N，U三个方向的定位精度为0.3，0.4，0.8 m,较基本导航SPP在三维方向精度提升53%。文献[7]利用B1C电文和三个国内站数据评估了北斗三号星基增强定位精度,结果表明三个测站的星基增强定位在水平方向的平均精度为1.03 m,垂直方向为2.6 m(95%)。

除此之外,全球范围内还有俄罗斯[8]、印度[9]和韩国[10]等国家也在积极建设各自的星基增强系统。

无人机技术已广泛应用在输电线路巡检方面[11-12],其常采用载波相位差分技术进行定位,该方法需要在地面架设基站且定位精度会随着基线长度的增加不断下降。在电力线路巡检时,巡检区域较大且地质环境较为复杂,上述定位技术具有很大的局限性。本文基于北斗星基增强技术,设计了一种无人机自动巡检硬件和软件系统,利用星基增强接收机进行仿无人机动态实验,研究北斗星基增强定位在无人机电力巡检方面应用的可行性和可靠性。

1 北斗星基增强原理及改正算法

1.1 北斗星基增强工作原理

星基增强系统主要由空间部分、地面控制站、运行维护站和用户四个部分组成,其工作原理如图1所示。首先将收集分布于各地的监测站的观测数据,主控站解算这些数据得到各种修正信息,注入站再将这些信息上传至地球同步轨道(Geosynchronous Orbit，GEO)卫星,最后GEO卫星将修正信息播发给用户,用户利用修正模型即可提高定位精度。主要修正信息如表1所示。

图1 星基增强系统基本工作原理

表1 BDSBAS主要修正信息

1.2 北斗星基增强GEO卫星位置算法

SBASL1电文中每个数据块大小为250 bit,以250 bit/s 的基本数据率向中国及周边地区用户提供符合国际民航组织标准的单频服务和双频多星座服务。利用电文信息,通过公式(1)和(2)计算GEO卫星t时刻的位置[13]。

t=tG-ΔtG=tG-|aGf0+aGf1(tG-t0)|

(1)

(2)

1.3 北斗星基增强GEO卫星位置算法

t时刻的卫星时钟慢变改正数为

δΔtsv(t)=δaf0+δaf1(t-t0)+δafG0

(3)

式(3)中,δaf0为时钟偏差;δaf1为钟漂(如果速度编码为0,该值为0);t0为改正数参考时刻;δafG0为GLONASS卫星改正参数,在电文12中播发,针对非GLONASS卫星,该值为0。

2 无人机电力巡检系统设计

本文设计的基于星基增强技术的无人机自主化巡检系统由硬件和软件系统组成,其具备操作简单、反应迅速、自主飞行等优势。提高了电力线路巡检的维护和检修的速度及效率,可以在恶劣环境下采集输电线路信息与卫星导航信号,极大地降低人工成本和安全性威胁。

2.1 硬件设计

硬件系统由主处理控制器、通信接口、云平台相机等4大部分构成。主要部件功能如下:

(1)主处理器:处理无人机相关飞控数字信号及操作指令,并指挥无人机进行相关操作。

(2)通信接口:将控制信号数据转换成让主处理器识别的数据。

(3)云平台相机:通过内置的两组电机,使架设在云台上的摄像机保持稳定,不会发生因飞行器震动而导致航拍图像模糊的现象。

2.2 软件设计

基于星基增强技术的电力巡检系统主要由图像无线传输系统和星基增强飞控传输系统组成,具体描述如下:

(1)图像无线传输系统首先要输入巡检地区的三维地图,之后根据选点要求和原则精确选定航线内拍照点,连接各拍照点规划相应路线及速度,最后将这些信息传输至飞控系统中。

(2)星基增强飞控传输系统是在无人机依据规划的飞行航迹时,实时接收GNSS导航信号和星基增强导航电文,通过内置的星基增强定位解算模块,得出高精度定位结果,历时不到1 s。将解算后的位置信息传递给飞控模块,从而实现无人机的自主巡检。

3 实验分析

为了比较分析北斗单频星基增强SPP和单频基本导航SPP在无人机应用中的定位精度,本文利用北斗星基增强接收机在陆地上进行仿无人机飞行动态定位实验,选取GPS全星座卫星的L1C频点的数据。实验选在空旷无遮挡地区,实验时长约30 min,平均速度约为10 km/h,采样间隔为1 s。在运动区域约1 km米处架设已知坐标的基准站进行短基线动态测量,将成功确定模糊度的解算结果作为飞行轨迹准确坐标,利用E,N,U三个方向的均方根(Root Mean Square，RMS)值分析星基增强SPP和基本导航SPP定位精度,从而判定星基增强定位在无人机电力巡检方面的可行性与可靠性。图2～3为基本导航SPP和星基增强SPP两种定位模式E、N、U三个方向的定位误差。

图2 基本导航SPP定位误差

图3 星基增强SPP定位误差

从图2～3可以看出,在E方向星基增强SPP与基本导航SPP的定位精度基本一致。在N方向星基增强SPP定位误差比基本导航SPP更加平稳,波动较小。在U方向星基增强SPP定位精度整体优于基本导航SPP。对实验解算结果剔除3倍中误差统计后,得到3个方向的RMS值,如表2所示。

表2 北斗星基增强与伪距定位精度 单位：m

由表2所示基本导航SPP在水平方向精度优于1.5 m,高程方向优于3.3 m。北斗星基增强SPP定位水平方向定位精度优于1 m,高程方向优于1.5 m。通过三维方向精度比较可以看出,北斗星基增强SPP较基本导航SPP精度提升约48.3%。由《架空输电线路无人机巡检作业技术导则》标准规定大中小型无人机距离线路设备安全距离分别为50,30,10 m[14],由此可见使用星基增强定位技术完全满足行业标准,且较单频伪距定位精度更高。

4 结束语

本文设计了一种基于北斗星基增强的无人机自动巡检系统,通过北斗星基增强接收机仿无人机动态定位实验,比较分析星基增强SPP和基本导航SPP在E,N,U三个方向的定位精度。实验结果表明:北斗星基增强SPP整体定位精度较较基本导航SPP提升48.3%,满足无人机在电力线路巡检方面定位精度要求。随着星基增强技术的不断完善和发展,基于星基增强系统的电力巡检技术将在未来不断发挥价值。