基于坐标标定的北斗RTK 和UWB 变电站联合定位方法

王宝乐，林朋

（国网陕西省电力公司咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000）

0 引言

变电站是电力系统重要的组成部分，含有多种类型的电气设备。在变电站内各项工作中，常常需要定位人员的位置，以避免进入危险区域，保障人员安全。当前的定位方法中，有基于GPS和北斗卫星的室外定位[1-2]，也有基于WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带（Ultra WideBand，UWB）等无线信号的室内定位[3-7]。室外定位给出的是绝对位置，室内定位给出的是相对位置。

变电站既有室外区域也有室内区域，因此需要有一种能兼顾全域的定位方法。由于卫星信号无法穿越到建筑物内部，而室外往往没有相关无线信号覆盖，因此通常的做法是融合两种定位系统来进行室内外的联合定位。文献[8]将UWB基站作为伪卫星实现一种GPS和UWB融合的定位方法，但是由于待测点到UWB 基站的距离与到GPS 的距离相差太远，导致融合效果不好；文献[9]将GPS信号的UWB信号放在一起，通过k 邻近算法实现定位，但是室内外环境下经常无法同时收到两种信号，因此这种方法的实用性不高。文献[10]提出研究了过渡区域不同信号的特性，提出一种直线外引法的联合切换方法，来提升北斗三号的定位精度。这些融合方法的定位精度常常不能达到满意效果。

实际上，当前建成的北斗三号卫星系统在信号结构和调制方式上相比北斗二号已做了全面升级，使得信号捕获灵敏度更高、定位精度也更高。在采用载波相位差分技术时，定位精度可达亚厘米级。采用北斗定位技术，也符合我国当前快速推进北斗系统应用升级、推动电网企业军民融合深度发展的战略需求。因此，结合UWB 室内定位的优势，本文提出一种联合北斗RTK 和UWB 的变电站室内外定位方法，发挥两种系统各自的优势分别定位室内外区域，并通过坐标统一和越区切换实现整个系统的无缝切换。

1 北斗RTK 高精度定位

北斗三号设计了多种恒包络复用技术，在3 个频点播发5 个公开载波信号，包括2 个北斗二号现有信号B1I/B3I 和3 个新增信号B1C/B2a/B2b。B1C位于L1 频段中央，中心频率为1.575 GHz，允许更大的信号带宽。采用QMBOC 调制，使得接收机可以获得更高的测距精度和抗多径性能[11]。B2a 信号采用QPSK(10)调制方式，相较B2I 带宽扩展5倍，性能显著提升。B2b 为混合业务信号，在3 颗IGSO 和24 颗MEO 卫星播发，其信息速率较高，不仅可作为导航信号独立定位，也可作为全球短报文通信和国际搜救服务。

北斗卫星定位过程需要至少4 颗可见卫星。传统的定位方法是地面接收机捕获到卫星广播的电文后，解析载波上调制的C/A 码和NH 码获得卫星星历以及信号发送时刻等信息，再结合信号接收时刻得到信号传播时间，乘以光速得到接收机到卫星的距离。有了接收机到3 颗不同卫星之间的距离，通过三球交会原理解算出接收机的空间三维坐标。4 星定位方法消除了卫星高精密原子钟和地面接收机时钟之间精度不一致造成的钟差，但并未消除电离层、对流层延迟误差和星历误差，并且因为C/A 码频率较低，一个码长对应实际300 m，因此即使做到1%的误差精度也会导致定位精度只能维持在米级[12]。

北斗RTK 技术改进了测距方法，不再使用频率较低的测距码，而是直接使用载波相位进行测距，如式(1)所示：

其中，λ是载波波长，φS是载波发送相位，φR是载波接收相位，这里的相位包含了整周期部分和小数部分。由于载波的频率超过1.5 GHz，一个波长对应只有约不到20 cm，因此，若误差精度控制在1%时，测距精度将达到2 mm，因此可以大大提升定位精度。

载波相位测距过程中的需要消除接收机和卫星的钟差、电离层误差、对流层误差以及载波相位的整数模糊度[13]。下面给出了差分、双差、三差公式：

在式（2）中，第一行公式表示一个接收机同时对卫星1 和卫星2 进行载波相位测量的差分，可以消除接收机钟差；第二行公式表示对两个不同的接收机从第一行公式得到的差分再次进行差分，可以消除卫星钟差；第三行公式表示对不同时刻从第二行公式得到的差分结果再进行一次差分，可以消除载波相位的整数模糊度，电离层、对流层误差和星历误差。

因此，在变电站内配置一个固定的RTK 基准站，提前标定好精确的实际坐标。RTK 基准站在定位过程中，将会得到观测位置与实际坐标的偏差，将这个偏差广播给变电站内其他正在定位的北斗RTK 接收机。通过与北斗RTK 基准站实时联合解算，接收机可以获得自身的精确定位，系统结构如图1 所示。经过偏差校正之后，接收机定位精度可达到厘米级甚至毫米级。RTK 定位接收机的输出结果是符合CGCS2000 中国大地标准坐标系的三维坐标（X,Y,H）。

2 UWB 基站标准坐标标定

2.1 UWB 超宽带定位

UWB 是一种非正弦窄脉冲信号，脉冲宽度极小，持续时间为亚纳秒级，频率覆盖范围为3～10 GHz，功率谱密度极低，信道带宽超过500 MHz，这些特性使得UWB具有非常精确的定位精度。在变电站室内定位的应用中，UWB 的定位精度可以达到10 cm 级别。

UWB 定位需要在室内布置3 个以上的基站，待定位的节点称为标签。标签收到基站之间的脉冲信号后，根据信号飞行时间和双边测距法测出自己与各个基站之间的距离，然后再同样利用三球交会原理计算出自身位置。由于在定位过程中是没有绝对坐标参考的，因此定位方法是相对定位，需要用户自定义位置坐标系。

2.2 基于参考点转换的坐标标定

为了实现北斗RTK 定位和UWB 定位实现联合定位，提出一种UWB 坐标转换到北斗坐标的方法，将两者的坐标系统统一起来。设UWB 基站共有n个，标记为{Ui:(xi,yi,zi)|i=1…n }，xi、yi、zi为基站在自定义坐标系中的坐标值。由于基站一般位于室内，无法通过北斗RTK 定位直接获得绝对坐标值，因此可通过参考点标定的方法来求得基站坐标，如图2 所示。

首先，在变电站室外区域选取m 个固定位置{Sj|j=1… m,m ≥2 }作为第一参考点，通过北斗RTK 高精度定位得到每个Sj的定位坐标Sj(Xj,Yj,Z j)。

其次，在Sj和UWB 基站Ui之间选定一组第二参考点{Bk|k≥2 }。Bk位于室外区域和室内区域的交界处，点位的选取要求该点能与两个以上的Sj精确测距，同时也能与室内UWB 基站Ui之间精确测距。在没有遮挡的条件下，使用UWB 测距或者激光测距即可完成。由于所处的位置可能受到遮挡，因此不能通过北斗RTK 来精确定位，但可以利用Sj来求解Bk的绝对坐标。

其中，(ak,bk,ck) 是Bk的坐标。在实际中，Bk与Sj的相对高差是容易获得的，因此，通过任一个Sj的Hj可得到ck的值，然后求解方程（1），得到ak和bk。类似地，求得所有其他第二参考点的绝对坐标。

最后求所有UWB 基站的绝对坐标。同样的，每个UWB 基站与两个第二参考点之间可精确测距，因此，再次应用上面的方法即可求出所有UWB 基站的绝对坐标，求出的坐标符合中国大地坐标系CGCS2000 标准。

3 室内外高精度联合定位

为了实现变电站室内外高精度联合定位，在UWB基站坐标标定点基础上，提出室外北斗RTK+室内UWB的联合定位系统。由于两者各自的定位精度都已经很高，并且两者的信号很少有相互重叠的区域，因此不需要采用两者的融合定位方法，只需要分别负责各自的定位区域即可。要在同一个定位系统中兼容两种定位，还需要解决如下两个问题：

（1）统一坐标系。由上一节，已经获得了所有UWB基站的绝对坐标。通常在室内定位阶段，标签P 定位后得到相对坐标(px,py,pz) 。在提出的系统中，UWB 定位过程中直接输入UWB 基站的绝对坐标，代替自定义坐标，可以直接输出标签P 的符合中国大地坐标系CGCS2000 标准的坐标，省去了坐标系转换的过程，降低了联合定位的复杂度。

（2）越区切换。在室内外交界处，存在定位系统的越区切换。为了实现平滑的越区切换，采用基于门限阈值的相对信号强度准则[14]来完成。从室外过渡到室内时，当信号强度大于定位门限值的可用北斗卫星数量少于4 颗、同时信号强度大于定位门限值的UWB 基站达到4台时，进行系统切换，否则不切换；当从室内过渡到室外时，当信号强度大于定位门限值的UWB 基站少于4 台、同时信号强度大于定位门限值的可用北斗卫星数量达到4 颗时，进行系统切换，否则不切换。采用这种越区切换准则，避免了不必要的频繁切换带来的定位漂移甚至定位失锁问题。

室内外高精度联合定位的系统框图如图3 所示。基于高精度定位，系统容易设计出路径规划、越界报警、电子围栏等多种功能模块，并结合电子地图给出人员的实时位置。

4 实验结果

在某变电站进行了定位实验，室外定位选用中海达V30 北斗工程型GNSS 接收机RTK 测量系统，室内定位是基于UWB RTLS1000 无线测距室内定位开发模组和STM32F101R6 单片机自行研制的定位系统。在室外区域用RTK 系统标定了6 个第一参考点，在室内外过渡区域选择了3 个第二参考点，室内UWB 基站数量为4 个。测试过程选取了30 个待测点，其中位于开放的室外区域、过渡区域、封闭的室内区域各10 个点，并在不同时段进行了多次定位测试，每个点位统计出平均测量偏差，实验结果如图4 所示。可以看出，室外定位精度优于室内，平均水平精度为2 cm，高程精度为5 cm，室内的定位精度水平和高程均在18 cm，而在过渡区域，有的点位可以使用北斗RTK 定位，有些点位只能使用UWB 定位，因此，定位数据表现出一定的跳跃性。总体来看，定位效果是十分优良的。

5 结论

本文提出了一种变电站室内外联合定位方法，考虑到室内外定位信号的不同，分别采用北斗RTK高精度定位和UWB 定位两种系统，为了实现联合定位，提出坐标标定方法将UWB 定位坐标统一到绝对坐标系下，在室内外过渡区域通过越区切换方法实现平滑过渡和无缝链接。所提出的方法在变电站实地进行了多次测试，实验效果良好，满足变电站日常工作的定位要求，并且由于所提方法将UWB 局部定位坐标统一到与北斗RTK 定位相一致的中国大地坐标系，因此可在更大区域内不同变电站之间方便地建立统一的联合定位系统。