變電站高精度RTK差分定位技術研究

蘭志成

摘 要：針對變電站三維虛擬可視化安全作業管控方法中基于傳統定位技術造成作業人員定位精度低及有效范圍窄問題，研究了高精度差分定位技術，完成基于RTK差分定位技術的變電站作業人員高精度位置信息的獲取，實現了作業人員在變電站虛擬三維場景中的實時位置監控。

關鍵詞：差分定位;虛擬三維場景;變電站安全作業管控

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0185-02

0 引言

在變電站安全作業管控領域中存在著多種管控方法，近年來出現了變電站虛擬三維可視化的安全管控方法，這種方法通過對變電站進行三維建模及可視化，獲取站內作業人員實時位置信息，實現了對現場作業人員位置的實時掌握，并根據位置信息做出及時的安全預警。該方案采用了傳統室內無線定位技術對變電站現場作業人員進行定位，其定位精度較低到達不了厘米級精度，且其有效覆蓋范圍較窄，因此在實際的應用中的效果并不好。

同時，傳統的GPS定位通常采取GPS接收機直接捕獲衛星信號并獲取本地經緯度信息的手段，由于受到星歷誤差和衛星鐘誤差的影響，造成實際定位精度較低，定位誤差大。GPS差分定位技術可以消除各種影響因素，并且憑借其精度高、抗干擾性強等諸多優點被越來越多地應用于生產工作中。

為了進一步提高變電站虛擬三維可視化的安全管控系統的準確度及實用性，本文將差分定位技術運用于變電站安全作業管控中，利用差分定位技術的優勢，實現了變電站作業人員高精度厘米級的位置信息獲取。

1 基本原理

1.1 差分定位技術原理

差分GPS（Differential Global Positioning System）技術的原理是利用固定基站向移動接收站傳遞GPS坐標校正數并在移動站實時校正求解自身高精度坐標（圖1），其中固定基站和移動站同時對相同的GPS衛星進行連續觀測，固定基站根據自己的坐標計算出坐標校正數，同時通過一定形式的數據傳輸鏈路（無線電波或者無線數字網絡）到移動站，移動站接收坐標改正數并利用相關校正算法對自身已知坐標進行校正計算，最終獲得自身較高精度的絕對坐標信息。

DGPS差分定位技術根據移動站收到的校正數數量的不同，可分為單站差分、局域差分以及廣域差分。其中，單站差分從一個固定基站接收差分校正數，其缺點在于移動站與固定參考基站之間的距離越大，造成差分校正數的精度越來越低。局域差分的原理是利用了多個固定參考基站發出的差分定位信息，并對這些校正數進行平差計算。通常這種差分方式要求固定參考基站具備相當的數量以及分布均勻度，如果要獲取較高精度的差分校正數，一般要求移動站與固定參考基站的間隔在150km之內。廣域差分的原理是統計各種GPS觀測量的誤差源，通過計算所有不同誤差源校正數的方式降低移動站和固定參考基站間距離依賴性，從而進一步來提升差分定位精度。

根據數據處理方式的不同。將DGPS差分定位技術分為實時處理差分定位技術和測后處理差分定位技術。其中，實時處理技術要求移動站和固定參考基站之間建立一條實時數據傳輸鏈路，實現移動站和固定參考基站間差分校正數信息的實時傳輸和位置校正計算。而測后處理差分定位技術不需要一個實時的數據傳輸鏈路，它是在觀測之后對數據及進行較為詳細的統一處理，可大大減小系統誤差，但是不具備實時性。

高精度DGPS差分定位技術根據傳輸的差分校正數類型的不同，可分為位置差分定位技術、偽距差分定位技術、相位平滑偽距差分定位技術以及載波相位差分定位技術。這幾種差分定位技術本質上的技術原理是相同的，都是移動站利用接收到的固定參考基站發來的差分校正數進行自身坐標的校正計算來實現其高精度位置坐標信息的獲取。同時，幾種差分定位技術的差異也很明顯，即其發送接收的校正數在內容格式上的不同，以及由此差異造成的不同數據處理方式、不同的定位精確度以及適用的工作場景的不同。

位置差分定位技術的原理（圖2）為：保證在至少4顆可視衛星的情況下，固定參考基站的GPS衛星接收機接收GPS信號并進行解調工作算出自身的測量位置坐標。同時，由于GPS衛星信號收到衛星鐘、衛星星歷以及傳輸過程中受大氣對流層的影響造成一定的誤差，固定基站的測量位置坐標與其真實絕對的位置坐標之間存在一定的差值（即差分校正數）。進而固定基站將求解出來的差分校正數發送到移動站，移動站根據此差分校正數對自身測量坐標進行校正計算，獲得自身真實的位置坐標。

偽距差分定位技術是比較成熟的一種差分定位技術，其原理為：固定參考基站接收自身位置坐標信息并計算出其與所有可視衛星的距離，同時計算自身真實坐標與各可視衛星間的距離，通過比較兩種距離并利用濾波器計算真實距離與測量距離的偏差（偽距校正數）。進而固定參考基站將計算的偽距校正數下發到移動站，移動站利用接收到的偽距校正數校正計算其自身測量坐標信息，可以獲得較高精度的定位效果（圖3）。

偽距差分定位技術的本質是通過對移動站和固定參考基站的觀測偽距進行差值操作，降低兩個偽距的系統共同誤差來有效避免隨機誤差的影響。為此，相位平滑偽距差分技術在偽距差分的基礎上，進一步實現兩歷元的差值，通過歷元相位差觀測值進一步對偽距值修正來消除整周未知數，大大提升了定位的精度（圖4）。

載波相位差分定位技術，利用固定參考基站上的GPS衛星接收機連續觀測衛星，移動站一方面接收來自固定參考基站發送的基站載波觀測值和基站坐標，另一方面接收自身的衛星載波，通過載波相位校正計算算法實時求解自身精確坐標。載波相位差分定位技術由兩種實現途徑，即校正法和求差法。其中，校正法利用載波相位校正數的校正計算來實現，與偽距差分法較為相似。而求差法移動站和固定參考基站間的載波相位觀測值求差來實現，改方法通常又可分為單差法、雙差法以及三差法求解（圖5）。

1.2 高精度RTK定位技術

高精度RTK（Real-time kinematic）定位技術是一種實時動態定位技術，本質上基于載波相位觀測值，能夠實時地計算出移動站的精確真實坐標值并可達到厘米級的定位精度。在RTK實時差分定位工作時，固定參考基站將自身坐標和觀測載波相位校正數發送到移動站上，移動站接收固定基站發送的差分定位信息，并獲取自身觀測坐標信息，從而形成差分觀測值，在不足一秒的時間內進行載波相位實時校正求解，獲得厘米級精度的定位結果。其工作流程如圖6所示。

RTK定位方法的定位精度極易受到載波相位整周模糊度固定算法的影響，在模糊度固定失敗的情況下，RTK定位將出現大幅偏差。在載波相位整周模糊度算法中方常用的方法有FAST（Fast Ambiguity Search Filter）模糊度搜索濾波器法，y有基于矩陣LDLT和UDUT分解的模糊度固定法以及LAMBDA（Least Square Ambiguity Decor-relation Adjustment）最小二乘模糊度降相關平方差。在所有的載波相位整周模糊度算法中，LAMBDA算法是目前最有效的方法，本文研究了基于LAMBDA的Kalman濾波修正算法可消除復雜環境的噪聲干擾，增加載波相位整周模糊度固定成功率，進一步減小偏差度。

Kalman濾波修正算法原理是，在由于方程求解過程中忽略了GPS衛星接收機輸出的多普勒觀測量，導致在使用RTK定位時求解的坐標有時會出現較大偏差的情況。利用多普勒觀測量與速度之間的關系，可利用標準最小二乘技術實現多普勒觀測量到運動載體速度的轉換，在將多普勒觀測量轉換為載體速度后，利用Kalman濾波器對載體位置進行實時校正，同時將多普勒觀測量估計的差分站速度帶入到Jerk模型中，實現了基于擴展Jerk模型的Kalman濾波器實時校正的RTK高精度定位。

2 取得成果

本文研究了RTK差分定位工作機制，研究載波相位整周模糊度固定算法，開發了變電站移動作業定位終端設備（圖7終端設備工作流程），并實際應用于云南電網臨滄供電局500kV博尚變電站。完成了站內RTK基站的建設（圖8）以及站內作業人員高精度厘米級位置信息獲取。

3 結語

本文研究了載波相位整周模糊度固定算法，成功將高精度RTK差分定位技術應用于變電站作業人員高精度位置信息獲取中，滿足變電站定位精度高和覆蓋范圍廣的需求。本文在變電站實際使用中還存在部分特殊環境下的定位精度問題，將在以后的研究中綜合考慮特定影響因素，并進一步改善系統的性能。