地面信標(biāo)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合的無人機(jī)定位技術(shù)研究

摘要：無人機(jī)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，本文介紹了結(jié)合地面信標(biāo)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)定位技術(shù)，并探討了其在軌道交通中的潛在應(yīng)用。這種定位技術(shù)能夠在GPS信號(hào)受限的環(huán)境中提供可靠的定位服務(wù)，為軌道交通的檢測、維護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)等任務(wù)提供新的解決方案，本文分析了其優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)，旨在為軌道交通領(lǐng)域的無人機(jī)應(yīng)用提供參考和啟示。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)定位；軌道交通；地面信標(biāo)；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；融合定位技術(shù)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.005

中圖分類號(hào)：U 231；V 351" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on UAV Positioning Technology Combining Ground Beacon and Inertial Navigation System

YANG Yifu1， YE Xiaofen2

（1. Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， China;

2. Guangzhou Guangdian Yuntong Intelligent Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China）

Abstract： The application of drone technology in the field of rail transit is becoming increasingly widespread. The article introduces the unmanned aerial vehicle positioning technology that combines ground beacons and inertial navigation systems， and explores its potential applications in rail transit. This positioning technology can provide reliable positioning services in environments with limited GPS signals， providing new solutions for tasks such as detection， maintenance， and emergency response in rail transit. The article analyzes its advantages and challenges， aiming to provide reference and inspiration for the application of drones in the field of rail transit.

Keywords： drone positioning; rail transit; ground beacon; inertial navigation system; fusion positioning technology

1" "定位技術(shù)簡介

1.1 地面信標(biāo)定位

地面信標(biāo)定位系統(tǒng)是一種基于地面固定參考點(diǎn)的定位方法。這種系統(tǒng)通過在已知位置部署多個(gè)信標(biāo)發(fā)射器，利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差或到達(dá)角度等信息來計(jì)算無人機(jī)的位置。地面信標(biāo)定位的工作原理如下。

在軌道交通的關(guān)鍵區(qū)域，如隧道入口、車站周邊或高架橋段，安裝多個(gè)信標(biāo)發(fā)射器，這些發(fā)射器會(huì)持續(xù)發(fā)送特定頻率的信號(hào)。無人機(jī)上搭載的接收器能夠捕獲這些信號(hào)，并測量信號(hào)的強(qiáng)度或到達(dá)時(shí)間。通過三邊測量或多邊測量的原理，結(jié)合已知的信標(biāo)站位置信息，系統(tǒng)可以精確計(jì)算出無人機(jī)的三維坐標(biāo)。地面信標(biāo)定位系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其高穩(wěn)定性和抗干擾能力[1]。在GPS信號(hào)受限的環(huán)境中，如地鐵隧道或高架橋下，地面信標(biāo)系統(tǒng)能夠提供持續(xù)可靠的定位服務(wù)。這使得無人機(jī)能夠在這些復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，如結(jié)構(gòu)檢測、設(shè)備巡檢等。然而，這種系統(tǒng)也存在一些局限性。它需要預(yù)先部署信標(biāo)站，這可能增加初始成本和安裝復(fù)雜度。

1.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，它不依賴外部信息即可進(jìn)行定位。INS的核心組件包括加速度計(jì)和陀螺儀，它們分別測量物體的加速度和角速度。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算，可以得到物體的速度、位置和姿態(tài)信息。INS的工作流程如下。加速度計(jì)測量三個(gè)正交軸上的加速度，包括重力加速度和運(yùn)動(dòng)加速度。同時(shí)，陀螺儀測量圍繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)角速度。通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和算法，將這些原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速度和位置信息[2]。具體來說，對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次積分得到速度，再次積分得到位置；對(duì)角速度積分則得到姿態(tài)角。

INS的主要優(yōu)勢在于其完全自主性和高更新率，不受外部環(huán)境影響。這意味著即使在GPS信號(hào)完全屏蔽的環(huán)境中，如地鐵隧道深處，INS仍然能夠提供連續(xù)的位置信息。INS對(duì)短期運(yùn)動(dòng)變化非常敏感，能夠準(zhǔn)確捕捉無人機(jī)的快速移動(dòng)和姿態(tài)變化。然而，INS也存在一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。由于積分過程中誤差的累積，INS的長期精度較低，需要定期校正。這種誤差累積的特性使得INS通常需要與其他定位系統(tǒng)結(jié)合使用，以獲得更高的精度和可靠性。

1.3 融合定位技術(shù)

融合定位技術(shù)是將地面信標(biāo)定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合的一種先進(jìn)定位方法。這種技術(shù)旨在優(yōu)化兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時(shí)彌補(bǔ)各自的不足，從而提供更加穩(wěn)定、精確和可靠的定位服務(wù)。

融合定位系統(tǒng)的工作原理如下。在正常情況下，系統(tǒng)主要依賴地面信標(biāo)提供的絕對(duì)位置信息[3]。同時(shí)，INS持續(xù)工作，提供高頻率的相對(duì)位置更新。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入信標(biāo)覆蓋范圍較弱或信號(hào)受到干擾的區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加對(duì)INS數(shù)據(jù)的依賴。通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)融合算法，如卡爾曼濾波，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整兩種數(shù)據(jù)源的權(quán)重，確保在各種環(huán)境下都能獲得最優(yōu)的定位結(jié)果。

這種融合技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，它能夠在GPS信號(hào)受限的環(huán)境中提供連續(xù)、可靠的定位服務(wù)，這對(duì)于軌道交通環(huán)境尤為重要。其次，融合系統(tǒng)具有更高的定位精度和更強(qiáng)的抗干擾能力，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境。最后，即使在地面信標(biāo)信號(hào)暫時(shí)丟失的情況下，系統(tǒng)仍能依靠INS短期維持定位功能，確保了無人機(jī)導(dǎo)航的連續(xù)性和可靠性。表1比較了不同定位技術(shù)在軌道交通環(huán)境中的表現(xiàn)。

2" "在軌道交通中的應(yīng)用

2.1 隧道檢測

在地鐵或鐵路隧道中，GPS信號(hào)往往無法正常接收，這給傳統(tǒng)的無人機(jī)應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。融合定位技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了有效的方案。利用這種技術(shù)，無人機(jī)能夠在隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位，執(zhí)行一系列重要任務(wù)。一是無人機(jī)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測[4]。通過搭載高清攝像機(jī)或激光掃描儀，無人機(jī)可以對(duì)隧道壁、頂部和軌道進(jìn)行全方位掃描。這些數(shù)據(jù)可以用于創(chuàng)建隧道的三維模型，幫助工程師識(shí)別潛在的結(jié)構(gòu)問題，如裂縫、滲水或變形等。二是無人機(jī)可以執(zhí)行設(shè)備巡檢任務(wù)。在隧道中，有大量的信號(hào)燈、通風(fēng)設(shè)備、緊急通信裝置等需要定期檢查。無人機(jī)可以按照預(yù)設(shè)路徑自主飛行，利用搭載的傳感器對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或異常。這不僅提高了檢查效率，還減少了工作人員在危險(xiǎn)環(huán)境中的暴露時(shí)間。三是無人機(jī)可以用于隧道環(huán)境監(jiān)測。通過搭載溫度、濕度、有害氣體濃度等傳感器，無人機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于保障隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和安全至關(guān)重要。融合定位技術(shù)的應(yīng)用使得無人機(jī)能夠在GPS信號(hào)完全丟失的情況下，仍然保持精確的位置感知和自主導(dǎo)航能力。這不僅提高了檢測的準(zhǔn)確性，還確保了無人機(jī)能夠安全返回或在緊急情況下找到最近的出口。

2.2 高架橋梁巡檢

對(duì)于高架鐵路或橋梁，無人機(jī)巡檢正在成為一種越來越受歡迎的方法。融合定位技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了這一過程的精確性和效率。在高架環(huán)境中，雖然GPS信號(hào)可能不會(huì)完全丟失，但常常會(huì)受到周圍建筑物或結(jié)構(gòu)的干擾，導(dǎo)致定位精度下降。融合定位技術(shù)通過結(jié)合地面信標(biāo)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提供更加穩(wěn)定和精確的定位服務(wù)。利用這種技術(shù)，無人機(jī)可以進(jìn)行多種重要的巡檢任務(wù)。首先是結(jié)構(gòu)完整性檢查。無人機(jī)可以沿著預(yù)定路徑飛行，使用高分辨率相機(jī)或熱成像設(shè)備對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行近距離檢查[5]。這包括檢測橋面、支柱、鋼筋等關(guān)鍵部位的裂缹、腐蝕或變形情況。精確的定位能力確保無人機(jī)能夠穩(wěn)定地懸停在特定位置，獲取清晰的圖像或視頻數(shù)據(jù)。

對(duì)于高架鐵路，軌道狀況監(jiān)測至關(guān)重要。無人機(jī)可以沿著軌道飛行，使用專門的傳感器檢測軌道的平整度、磨損程度以及軌距是否符合標(biāo)準(zhǔn)。融合定位技術(shù)能夠確保無人機(jī)精確地跟蹤軌道路線，即使在復(fù)雜的曲線或坡度變化較大的區(qū)段也能保持穩(wěn)定飛行。此外，無人機(jī)還可以進(jìn)行接觸網(wǎng)檢查，近距離檢查電氣化鐵路接觸網(wǎng)的磨損情況、連接部位的松動(dòng)以及絕緣子的完整性。高架橋梁的防護(hù)設(shè)施巡檢同樣重要。無人機(jī)可以對(duì)防風(fēng)屏障、隔音板等各種防護(hù)設(shè)施進(jìn)行全面檢查，確保它們處于良好狀態(tài)，能夠正常發(fā)揮功能。在發(fā)生地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害后，無人機(jī)還可以快速對(duì)高架橋梁進(jìn)行全面檢查，評(píng)估可能的損壞情況。融合定位技術(shù)使得無人機(jī)能夠在GPS信號(hào)可能不穩(wěn)定的災(zāi)后環(huán)境中仍然保持精確定位，快速完成檢查任務(wù)。

通過應(yīng)用融合定位技術(shù)，無人機(jī)高架橋梁巡檢不僅提高了檢測的精度和效率，還大大降低了人工檢查的風(fēng)險(xiǎn)。工作人員不再需要在高空或危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行檢查，顯著提升了作業(yè)安全性。此外，無人機(jī)能夠采集大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為橋梁的預(yù)防性維護(hù)和壽命評(píng)估提供重要依據(jù)。

2.3 應(yīng)急響應(yīng)

在軌道交通系統(tǒng)中，快速有效的應(yīng)急響應(yīng)能力對(duì)于保障乘客安全和減少經(jīng)濟(jì)損失至關(guān)重要。融合定位技術(shù)為無人機(jī)在應(yīng)急響應(yīng)中的應(yīng)用開辟了新的可能性，特別是在GPS信號(hào)不穩(wěn)定或完全丟失的情況下。無人機(jī)在軌道交通應(yīng)急響應(yīng)中有幾個(gè)重要應(yīng)用。

現(xiàn)場勘察是無人機(jī)應(yīng)急響應(yīng)的首要任務(wù)。當(dāng)發(fā)生事故或自然災(zāi)害時(shí)，無人機(jī)可以快速到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行初步勘察。融合定位技術(shù)使得無人機(jī)能夠在復(fù)雜環(huán)境中精確導(dǎo)航，如隧道內(nèi)、高架橋下或信號(hào)受干擾區(qū)域。這種快速勘察能夠?yàn)榫仍藛T提供寶貴的第一手信息，幫助制定更有效的救援策略。無人機(jī)可以實(shí)時(shí)傳輸高清圖像和視頻，讓指揮中心掌握現(xiàn)場情況，做出準(zhǔn)確判斷。

通信中繼是無人機(jī)在應(yīng)急情況下的另一個(gè)重要功能。在某些災(zāi)害情況下，地面通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到破壞或中斷。無人機(jī)可以充當(dāng)移動(dòng)的通信中繼站，在救援人員、受困人員和指揮中心之間建立臨時(shí)通信鏈路。融合定位技術(shù)確保無人機(jī)能夠準(zhǔn)確定位并保持穩(wěn)定飛行，即使在復(fù)雜的城市環(huán)境或隧道內(nèi)也能提供可靠的通信服務(wù)。這對(duì)于協(xié)調(diào)救援行動(dòng)和保持與受困人員的聯(lián)系至關(guān)重要。

物資投送是無人機(jī)在應(yīng)急響應(yīng)中的第三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。在一些難以直接到達(dá)的區(qū)域，如被洪水淹沒的軌道或發(fā)生塌方的隧道，無人機(jī)可以快速投送急需的物資，如食品、飲水、藥品或通信設(shè)備。精確的定位和導(dǎo)航能力使得無人機(jī)能夠?qū)⑽镔Y準(zhǔn)確投放到指定位置，即使在能見度低或空間受限的情況下也能完成任務(wù)。這不僅加快了救援速度，還減少了救援人員面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 站點(diǎn)和周邊環(huán)境監(jiān)測

無人機(jī)在軌道交通站點(diǎn)和周邊環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用日益廣泛。融合定位技術(shù)的引入進(jìn)一步提高了這些應(yīng)用的精度和可靠性。無人機(jī)可以定期對(duì)車站建筑、站臺(tái)、自動(dòng)扶梯等關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行巡檢，快速發(fā)現(xiàn)異常情況。它們還可以監(jiān)測站點(diǎn)周邊環(huán)境，如臨近建筑的施工情況、植被生長狀況等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，無人機(jī)還可以用于客流量分析，從空中俯視站點(diǎn)入口和周邊區(qū)域，實(shí)時(shí)分析客流密度和移動(dòng)模式。

3" "優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

3.1 優(yōu)勢

融合定位技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用有著顯著優(yōu)勢。首先，它能在GPS信號(hào)受限環(huán)境中提供可靠定位，適應(yīng)復(fù)雜的軌道交通環(huán)境。其次，這項(xiàng)技術(shù)大大提高了檢測和維護(hù)工作的效率和安全性，減少了人工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，融合定位技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性，適用于多種應(yīng)用場景，從基礎(chǔ)設(shè)施檢測到應(yīng)急響應(yīng)、環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，使得投資于該技術(shù)能夠?yàn)檐壍澜煌ㄏ到y(tǒng)帶來長期和廣泛的收益。

3.2 挑戰(zhàn)

盡管融合定位技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。首要挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的初始部署成本較高，建立覆蓋全面的地面信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)需要大量投資。其次，技術(shù)的復(fù)雜性要求操作和維護(hù)人員具備較高的技術(shù)素養(yǎng)。數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)也是一個(gè)重要問題，需要在信息采集和隱私保護(hù)之間取得平衡。此外，目前許多地區(qū)對(duì)無人機(jī)在公共交通領(lǐng)域的應(yīng)用還缺乏完善的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，這可能會(huì)在技術(shù)推廣中出現(xiàn)障礙。

4" "未來展望

融合定位技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。未來可能的發(fā)展方向包括以下幾個(gè)方面：一是技術(shù)本身將不斷優(yōu)化，提高定位精度和可靠性。二是系統(tǒng)的部署和維護(hù)成本有望降低，使技術(shù)更容易推廣。三是人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的融入將進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)自動(dòng)化。四是，隨著法規(guī)的完善和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，無人機(jī)在軌道交通中的應(yīng)用將更加規(guī)范和廣泛。

5" "結(jié)束語

結(jié)合地面信標(biāo)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)定位技術(shù)為軌道交通領(lǐng)域帶來了新的可能性。通過提供可靠的定位服務(wù)，這項(xiàng)技術(shù)有望顯著提升軌道交通的檢測、維護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)能力，為行業(yè)的智能化和現(xiàn)代化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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作者簡介：楊逸夫（1990-），男，漢族，安徽銅陵人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄍㄐ拧卜馈⑹姓こ套詣?dòng)化、弱電相關(guān)。

葉曉芬（1989-），女，漢族，福建尤溪人，工程師，本科，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄍㄐ拧⒆詣?dòng)化、自動(dòng)售檢票專業(yè)。