高精度室內外一體化定位技術及其在電纜通道巡檢中的應用

肖巖 李冀 唐朝云 張繪軍 劉麗珍

摘? ?要：文章分析了RTK技術與UWB結合的室內外一體化結合的高精度定位技術特點并分析了其在電纜通道精確定位的應用前景，討論了室內外一體化定位涉及的定位方法、智能一體化終端硬件設計、位置數據的傳輸、位置在地圖上的呈現等方法。

關鍵詞：電纜通道;實時動態載波相位差分技術;超寬帶;室內外一體化定位;高精度定位

智能巡檢系統的運行依賴于位置信息的可靠與高精度，目前比較流行的位置服務有全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS），但GNSS也有其自身的局限性和脆弱性。由于無線電波無法穿越墻體和一些障礙物，在室內無法接收到GNSS信號，因此，無法在室內利用GNSS完成定位任務。而超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位可應用在室內定位，定位精度5～10 cm，滿足電纜通道巡檢的高精度定位要求。

1? ? 室內外一體化定位巡檢系統構成

實時動態載波相位差分（Real-time Kinematic，RTK）技術具有較高的定位精度，可有效避免傳統技術中誤差較大的弊端，定位精度可達到cm級別。UWB技術具有傳輸速率高、抗多徑干擾能力強、功耗低、成本低、穿透能力強、低截獲概率、定位精度高、與現有其他無線通信系統共享頻譜等特點。融合當前先進的UWB定位技術和高精度RTK技術，實現室內外一體化定位，為電纜通道巡檢提供高效精準的室內外位置信息，可大大推進智能巡檢系統在電纜通道中的應用?；谑覂韧庖惑w化定位的智能巡檢系統，硬件主要由超寬帶定位基站和標簽、服務器、后臺終端PC機、手持終端組成，當巡檢前端需要進行實時定位和數據傳輸功能時，需要后臺服務器開通互聯網，手持終端設備打開移動網絡。

巡檢人員通過無線網絡把巡檢任務信息同步到手持終端上，在外出巡視時手持智能終端并佩戴定位標簽，智能終端地圖根據接收到的定位標簽信號和定位服務器發送的位置數據確定巡檢人員位置并導航，到達任務點附近時，智能終端語音提示，巡檢人員根據該任務點定義的設備巡視項進行逐項巡視，記錄數據內容。巡視任務完成后，將巡視結果通過巡視管理主機，提交到服務器中。巡檢智能終端采用Android設備，實現巡檢的移動化、信息化、標準化和智能化。在Android終端平臺上設計室內外定位一體化的APP來實現室內外定位一體化，進行數據采集、地圖顯示、導航等。

2? ? 室內外一體定位設備的硬件設計

UWB實現定位有兩種模式：主動定位和被動定位。（1）主動定位：由UWB定位標簽發送超寬帶信號，超寬帶基站接收這些信息并將這些信息發送到定位引擎進行解算，通過到達時間差（Time Difference of Arrival ，TDOA）算法或飛行時間測距（Time of Flight，TOF）算法解算出標簽位置信息，然后通過位置服務器將標簽信息廣播出去。（2）被動定位：是由UWB定位基站發送定位信號，定位標簽接收到該信息后，將這些數據傳送到智能終端，利用智能終端的強大運算能力進行定位解算。

根據UWB的定位模式，高精度室內外一體化定位終端的工作模式也有兩種，分別是：（1）主動定位方式：UWB主動定位+RTK。（2）被動方式：UWB被動定位+RTK。

主動定位方式下一體化終端工作模式，智能終端接入互聯網以獲取連續運行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）站差分校正數據，并通過藍牙發送給定位模塊，定位模塊接收差分數據后與當前接收的衛星信號聯合解算以得到固定解。定位模塊以一定頻率發送超寬帶信號，當基站接收到該信號后通過網線或WiFi傳輸數據到位置服務器進行解算，解算后的位置信息通過特高頻（Ultra High Frequency，UHF）回傳給定位模塊，并由定位模塊通過藍牙傳輸到智能終端。位置服務器也可通過WiFi傳輸給智能終端或上傳到云服務由智能終端通過互聯網獲取位置數據。

被動定位方式一體化定位終端集成RTK模塊和UWB模塊，RTK接收GNSS信號以接收提供室外定位信息，RTK并為UWB模塊提供時間校正，UWB接收UWB基站發送的定位信息幀。終端搭載高性能計算CPU，如Cortex A5x/7x系列，利用多個核心即可在終端完成復雜的位置計算。解算后的位置顯示在地圖上以供巡檢人員導航并記錄巡檢軌跡，位置數據并通過WiFi或藍牙在必要時傳到后臺管理服務器[1]。

主動定位方式需要從服務器獲取UWB定位的位置信息，所以中間總是有延遲，而且當無線網絡擁堵或信號弱時，巡檢人員將不能獲取定位信息從而影響導航功能實現，所以，必須確保連接到一個可靠的無線傳輸網絡。而被動定位則需要智能終端具有強大的計算能力，并且大量的計算將消耗掉電池電量，這將對智能終端的續航構成挑戰。

3? ? 坐標系轉換與定位結果的地圖顯示

室內定位的結果為平面直角坐標系，而GNSS接收信號為WGS84地心固空間坐標系，這兩種數據的融合就涉及定位坐標系的轉換問題。為了方便，在智能終端上進行地圖顯示時，可以把數據統一在WGS84大地坐標系下。

在布設室內UWB定位基站時，首先，選擇坐標原點，坐標原點的選擇必須能保證較好的測量條件，以便通過RTK可以測量其經緯度值（lon0，lat0），并達到較高精度。其次，選擇坐標軸分別使X軸沿著東方向，Y軸沿著北方向，通過全站儀或激光測距測量各個基站相對原點的坐標。最后，在得到標簽定位數據的基礎上，根據相關算法可以得到標簽相對原點的坐標（x，y），然后通過公式（1）方便地轉換為WGS84大地坐標系坐標。

其中，R為地球半徑。

室內定位結果轉換為WGS84的坐標后，為了兼容GNSS定位結果，可以NMEA 0183的格式將定位數據發送出去，如$GUGGA幀和$GUGST幀，分別對應GPS定位中的$GPGGA和$GPGST幀。智能終端接收到兩種定位信息時，進行判別，例如只有RTK位置信息，則呈現RTK定位數據，只有UWB定位數據時，則呈現UWB定位數據。當同時接收到兩種定位信息時，進行比較，根據定位數據的精度和連續性，選擇合適的數據進行呈現。

導航的實現需要展現在地圖之上，現有的開放地圖提供的場景主要關注于城市道路等公共區域，對室內場景較少涉及，所以，室內地圖顯示沒有現成的地圖資源可以利用。為了實現室內定位，需要自己構建室內地圖數據。室內地圖數據可由圖片組成，每個地圖圖片都包含對角的兩個經緯度坐標值（x0，y0），（x1，y1），構成邊界坐標，每個圖片賦予唯一的ID，記錄ID以及對應的邊界坐標，在程序中存儲圖片ID和相應的邊界坐標，實時比較當前定位結果和邊界坐標值，當定位結果在邊界坐標之內時，載入室內地圖數據。智能終端上進行地圖顯示時首先調用開放性地圖平臺進行顯示，當進入室內后，在開放性地圖平臺上疊加顯示測繪好的室內地圖數據，這樣就實現了便利的室內外無縫導航[2]。

4? ? 結語

RTK定位結合UWB定位的室內外一體化定位技術對電纜通道的定位具有較高的精確度，相較于傳統方法，電纜通道定位不僅精度更高，適用范圍也大為擴展。利用基于智能終端的電纜通道巡視系統，巡檢人員可以在智能終端查看巡檢任務及地理信息，由巡視現場RTK和UWB來定位電纜通道與巡檢人員到位情況，從根本上杜絕巡檢人員誤檢和漏檢情況，并有效解決移動終端室內定位精度偏差較大等問題。室內外精確定位實現電纜通道巡檢是一種行之有效的方法，可以預見，在未來一段時間，這種技術將會得到大規模應用。

[參考文獻]

[1]蔣彪，王健，沈鵬，等.基于智能終端的電纜通道巡視系統的設計研究[J].電氣技術，2017（9）：114-117.

[2]劉侃曰，黃一婷.RTK技術與無人機測繪在電纜通道運維的應用[J].內燃機與配件，2018（9）：143-147.