肖巖 李冀 唐朝云 張繪軍 劉麗珍

摘? ?要：文章分析了RTK技術(shù)與UWB結(jié)合的室內(nèi)外一體化結(jié)合的高精度定位技術(shù)特點(diǎn)并分析了其在電纜通道精確定位的應(yīng)用前景，討論了室內(nèi)外一體化定位涉及的定位方法、智能一體化終端硬件設(shè)計(jì)、位置數(shù)據(jù)的傳輸、位置在地圖上的呈現(xiàn)等方法。

關(guān)鍵詞：電纜通道;實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù);超寬帶;室內(nèi)外一體化定位;高精度定位

智能巡檢系統(tǒng)的運(yùn)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(wù)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（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(nèi)無法接收到GNSS信號(hào)，因此，無法在室內(nèi)利用GNSS完成定位任務(wù)。而超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位可應(yīng)用在室內(nèi)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(nèi)外一體化定位巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（Real-time Kinematic，RTK）技術(shù)具有較高的定位精度，可有效避免傳統(tǒng)技術(shù)中誤差較大的弊端，定位精度可達(dá)到cm級(jí)別。UWB技術(shù)具有傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、功耗低、成本低、穿透能力強(qiáng)、低截獲概率、定位精度高、與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)共享頻譜等特點(diǎn)。融合當(dāng)前先進(jìn)的UWB定位技術(shù)和高精度RTK技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化定位，為電纜通道巡檢提供高效精準(zhǔn)的室內(nèi)外位置信息，可大大推進(jìn)智能巡檢系統(tǒng)在電纜通道中的應(yīng)用?；谑覂?nèi)外一體化定位的智能巡檢系統(tǒng)，硬件主要由超寬帶定位基站和標(biāo)簽、服務(wù)器、后臺(tái)終端PC機(jī)、手持終端組成，當(dāng)巡檢前端需要進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和數(shù)據(jù)傳輸功能時(shí)，需要后臺(tái)服務(wù)器開通互聯(lián)網(wǎng)，手持終端設(shè)備打開移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

巡檢人員通過無線網(wǎng)絡(luò)把巡檢任務(wù)信息同步到手持終端上，在外出巡視時(shí)手持智能終端并佩戴定位標(biāo)簽，智能終端地圖根據(jù)接收到的定位標(biāo)簽信號(hào)和定位服務(wù)器發(fā)送的位置數(shù)據(jù)確定巡檢人員位置并導(dǎo)航，到達(dá)任務(wù)點(diǎn)附近時(shí)，智能終端語音提示，巡檢人員根據(jù)該任務(wù)點(diǎn)定義的設(shè)備巡視項(xiàng)進(jìn)行逐項(xiàng)巡視，記錄數(shù)據(jù)內(nèi)容。巡視任務(wù)完成后，將巡視結(jié)果通過巡視管理主機(jī)，提交到服務(wù)器中。巡檢智能終端采用Android設(shè)備，實(shí)現(xiàn)巡檢的移動(dòng)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。在Android終端平臺(tái)上設(shè)計(jì)室內(nèi)外定位一體化的APP來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位一體化，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、地圖顯示、導(dǎo)航等。

2? ? 室內(nèi)外一體定位設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

UWB實(shí)現(xiàn)定位有兩種模式：主動(dòng)定位和被動(dòng)定位。（1）主動(dòng)定位：由UWB定位標(biāo)簽發(fā)送超寬帶信號(hào)，超寬帶基站接收這些信息并將這些信息發(fā)送到定位引擎進(jìn)行解算，通過到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival ，TDOA）算法或飛行時(shí)間測距（Time of Flight，TOF）算法解算出標(biāo)簽位置信息，然后通過位置服務(wù)器將標(biāo)簽信息廣播出去。（2）被動(dòng)定位：是由UWB定位基站發(fā)送定位信號(hào)，定位標(biāo)簽接收到該信息后，將這些數(shù)據(jù)傳送到智能終端，利用智能終端的強(qiáng)大運(yùn)算能力進(jìn)行定位解算。

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

主動(dòng)定位方式下一體化終端工作模式，智能終端接入互聯(lián)網(wǎng)以獲取連續(xù)運(yùn)行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）站差分校正數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙發(fā)送給定位模塊，定位模塊接收差分?jǐn)?shù)據(jù)后與當(dāng)前接收的衛(wèi)星信號(hào)聯(lián)合解算以得到固定解。定位模塊以一定頻率發(fā)送超寬帶信號(hào)，當(dāng)基站接收到該信號(hào)后通過網(wǎng)線或WiFi傳輸數(shù)據(jù)到位置服務(wù)器進(jìn)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(lán)牙傳輸?shù)街悄芙K端。位置服務(wù)器也可通過WiFi傳輸給智能終端或上傳到云服務(wù)由智能終端通過互聯(lián)網(wǎng)獲取位置數(shù)據(jù)。

被動(dòng)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(hào)以接收提供室外定位信息，RTK并為UWB模塊提供時(shí)間校正，UWB接收UWB基站發(fā)送的定位信息幀。終端搭載高性能計(jì)算CPU，如Cortex A5x/7x系列，利用多個(gè)核心即可在終端完成復(fù)雜的位置計(jì)算。解算后的位置顯示在地圖上以供巡檢人員導(dǎo)航并記錄巡檢軌跡，位置數(shù)據(jù)并通過WiFi或藍(lán)牙在必要時(shí)傳到后臺(tái)管理服務(wù)器[1]。

主動(dòng)定位方式需要從服務(wù)器獲取UWB定位的位置信息，所以中間總是有延遲，而且當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)擁堵或信號(hào)弱時(shí)，巡檢人員將不能獲取定位信息從而影響導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)，所以，必須確保連接到一個(gè)可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。而被動(dòng)定位則需要智能終端具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，并且大量的計(jì)算將消耗掉電池電量，這將對(duì)智能終端的續(xù)航構(gòu)成挑戰(zhàn)。

3? ? 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與定位結(jié)果的地圖顯示

室內(nèi)定位的結(jié)果為平面直角坐標(biāo)系，而GNSS接收信號(hào)為WGS84地心固空間坐標(biāo)系，這兩種數(shù)據(jù)的融合就涉及定位坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換問題。為了方便，在智能終端上進(jìn)行地圖顯示時(shí)，可以把數(shù)據(jù)統(tǒng)一在WGS84大地坐標(biāo)系下。

在布設(shè)室內(nèi)UWB定位基站時(shí)，首先，選擇坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)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(jīng)緯度值（lon0，lat0），并達(dá)到較高精度。其次，選擇坐標(biāo)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(gè)基站相對(duì)原點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，在得到標(biāo)簽定位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)算法可以得到標(biāo)簽相對(duì)原點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y），然后通過公式（1）方便地轉(zhuǎn)換為WGS84大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。

其中，R為地球半徑。

室內(nèi)定位結(jié)果轉(zhuǎn)換為WGS84的坐標(biāo)后，為了兼容GNSS定位結(jié)果，可以NMEA 0183的格式將定位數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如$GUGGA幀和$GUGST幀，分別對(duì)應(yīng)GPS定位中的$GPGGA和$GPGST幀。智能終端接收到兩種定位信息時(shí)，進(jìn)行判別，例如只有RTK位置信息，則呈現(xiàn)RTK定位數(shù)據(jù)，只有UWB定位數(shù)據(jù)時(shí)，則呈現(xiàn)UWB定位數(shù)據(jù)。當(dāng)同時(shí)接收到兩種定位信息時(shí)，進(jìn)行比較，根據(jù)定位數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性，選擇合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。

導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)需要展現(xiàn)在地圖之上，現(xiàn)有的開放地圖提供的場景主要關(guān)注于城市道路等公共區(qū)域，對(duì)室內(nèi)場景較少涉及，所以，室內(nèi)地圖顯示沒有現(xiàn)成的地圖資源可以利用。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，需要自己構(gòu)建室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)。室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)可由圖片組成，每個(gè)地圖圖片都包含對(duì)角的兩個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)值（x0，y0），（x1，y1），構(gòu)成邊界坐標(biāo)，每個(gè)圖片賦予唯一的ID，記錄ID以及對(duì)應(yīng)的邊界坐標(biāo)，在程序中存儲(chǔ)圖片ID和相應(yīng)的邊界坐標(biāo)，實(shí)時(shí)比較當(dāng)前定位結(jié)果和邊界坐標(biāo)值，當(dāng)定位結(jié)果在邊界坐標(biāo)之內(nèi)時(shí)，載入室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)。智能終端上進(jìn)行地圖顯示時(shí)首先調(diào)用開放性地圖平臺(tái)進(jìn)行顯示，當(dāng)進(jìn)入室內(nèi)后，在開放性地圖平臺(tái)上疊加顯示測繪好的室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了便利的室內(nèi)外無縫導(dǎo)航[2]。

4? ? 結(jié)語

RTK定位結(jié)合UWB定位的室內(nèi)外一體化定位技術(shù)對(duì)電纜通道的定位具有較高的精確度，相較于傳統(tǒng)方法，電纜通道定位不僅精度更高，適用范圍也大為擴(kuò)展。利用基于智能終端的電纜通道巡視系統(tǒng)，巡檢人員可以在智能終端查看巡檢任務(wù)及地理信息，由巡視現(xiàn)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(dòng)終端室內(nèi)定位精度偏差較大等問題。室內(nèi)外精確定位實(shí)現(xiàn)電纜通道巡檢是一種行之有效的方法，可以預(yù)見，在未來一段時(shí)間，這種技術(shù)將會(huì)得到大規(guī)模應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

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

[2]劉侃曰，黃一婷.RTK技術(shù)與無人機(jī)測繪在電纜通道運(yùn)維的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（9）：143-147.