一种基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法及系统 (Method and system for improving landing positioning accuracy of unmanned aerial vehicle based on power inspection ) 是由 金昭 夏国华 姚斌 高志勇 蔡得志 韩振 王澜 甘林 李伟 李凡 郭建军 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于无人机定位技术领域,公开了一种基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法及系统,使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复,得到连续可用的载波相位测量值；然后结合站间星间双差观测方程,忽略整周模糊度的整数约束,用最小二乘法求得基线向量R<Sub>n</Sub>和模糊度浮点解<Image he="78" wi="69" file="DDA0002262681780000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>并由得到的浮点解<Image he="71" wi="46" file="DDA0002262681780000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>使用逐级模糊度确定法固定整周模糊度；由整周模糊度的最优解,得到基线向量的最优解,在基准站已知位置的条件下,得到移动基站的精确位置。本发明对无人机北斗导航系统采用RTK技术进行高精度定位提出了改进方法,能够满足无人机巡检的工程需求,能为北斗导航定位系统优化性能提供参考。(The invention belongs to the technical field of unmanned aerial vehicle positioning, and discloses a method and a system for improving landing positioning accuracy of an unmanned aerial vehicle based on power inspection.A carrier cycle slip is detected and repaired by using a non-geometric distance combination method to obtain a continuously available carrier phase measurement value; then combining the interstation intersatellite double-difference observation equation, neglecting integral constraint of whole-cycle ambiguity, and obtaining a baseline vector R by using a least square method n Sum ambiguity float solution And from the resulting floating point solution Fixing whole-cycle ambiguities using step-by-step ambiguity determinationDegree; and obtaining the optimal solution of the baseline vector by the optimal solution of the integer ambiguity, and obtaining the accurate position of the mobile base station under the condition that the position of the reference station is known. The invention provides an improved method for carrying out high-precision positioning on the unmanned aerial vehicle Beidou navigation system by adopting an RTK technology, can meet the engineering requirements of unmanned aerial vehicle routing inspection, and can provide reference for optimizing the performance of the unmanned aerial vehicle Beidou navigation positioning system.)
技术领域
本发明属于无人机定位技术领域，尤其涉及一种基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法及系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
2012年12月27日，北斗导航正式对亚太地区提供定位、导航等服务，2017年11月5日，中国北斗三号发射升空，标志着中国开始建造全球导航定位系统，到2010年左右，中国将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统，为全球用户提供开放，免费的高质量服务。随着北斗导航的逐步发展与完善，在许多领域都有广泛应用。无人机作为电力系统高压输电线巡检的高效手段，对高压输电线路的维护起着非常重要的作用。在无人机巡检航拍、高压塔着陆充电等过程中，都要求自身搭载的北斗导航系统能实现高精度，定位。尤其当无人机在高压输电线电塔平台采用无线充电方式时，导航的定位精度还将对无人机的无线充电效率产生影响。
随着无人机在电力系统高压输电线巡检中的广泛应用，对无人机的定位精度要求也越高。
由于北斗导航系统在民用领域的精度限制，传统的单点定位精度在米级或者十米级以上，伪距差分的定位精度为分米级，显然无法达到无人机巡检高压输电线的精度要求。为满足无人机在巡检过程中的高精度定位降落需求，必须使用能达到厘米级定位精度的RTK技术。但在实际应用中，对无人机无线充电时考虑到充电接触面积对充电效率的影响，需要对RTK技术进行改进，优化定位精度。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有定位精度无法满足无人机充电时对于精度的要求，同时不精确的定位还会影响无人机的无线充电效率。
现有的民用北斗导航定位系统定位精度在米级或十米级以上，而无人机无线充电时，与感应线圈的接触面积将影响无线充电效率。
解决上述技术问题的难度：
现有民用北斗导航定位精度在米级甚至十米级，而无人机要实现高效无线充电，必须将降落定位精度控制在厘米甚至毫米级。在现有民用北斗导航定位精度下，显然无法实现。
解决上述技术问题的意义：
加入RTK技术，能将无人机降落定位精度提升至厘米甚至毫米级，提高无线充电效率，进而提高无人机电力巡检的效率，节约巡检系统的人力、时间、经费等成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法及系统。
本发明是这样实现的，一种基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法，所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法包括：
使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，得到连续可用的载波相位测量值；然后结合站间星间双差观测方程，忽略整周模糊度的整数约束，用最小二乘法求得基线向量Rn和模糊度浮点解
进一步，所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法包括以下步骤：
步骤一，将移动站u和基准站z分别对卫星i和j作单差处理得到单差载波相位测量值，并由单差测量值构造双差载波相位测量值。
步骤二，使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，得到连续可用的载波相位测量值。
在实际定位过程中，存在卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断的情况，所以正确地探测并恢复载波周跳，是载波相位测量中非常重要且必须解决的问题之一。无几何距离法具有简单高效的优点，所以使用这种方法来检测修复周跳。
步骤三，利用最小二乘法求得基线向量Rn和模糊度浮点解是对步骤二里求得的连续可用载波相位值使用最小二乘法，求得基线向量和模糊度浮点解。
步骤四，基于得到的浮点解
步骤五，计算得到整周模糊度最优整数解，并基于得到的最优整数解得到基线向量的最优解；并进行整周模糊度的确认，同时判断模糊度是否固定；若固定在转向步骤六；若不固定则转向步骤三；通过对连续可用载波相位值做平差计算得到整周模糊度，而整周模糊度往往不是整数而是一个实数，在对该实数解进行四舍五入得到最优整数解。
步骤六，利用基准站的已知未知确定移动基站精确位置。
进一步，步骤一中，所述单差载波相位测量值计算方法具体包括：
将移动站u和基准站z分别对卫星i和j作单差处理，公式如下：
式中：
进一步，步骤一中，所述双差载波相位测量值构造方法包括：
由单差测量值构造双差载波相位测量值，双差观测量公式如下：
式中：
进一步，所述整周模糊度确认方法具体包括：
利用逐级模糊度确定法根据不同波长的组合测量值，逐级从最宽巷到最窄巷解得整周模糊度。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法的基于电力巡检提高无人机降落定位精度系统，所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度系统包括：
双差载波相位测量值构建模块，用于将移动站和基准站分别对卫星作单差处理得到单差载波相位测量值，并由单差测量值构造双差载波相位测量值。
连续可用的载波相位测量值获取模块，用于使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，得到连续可用的载波相位测量值。
基线向量和模糊度浮点解获取模块，用于利用最小二乘法求得基线向量和模糊度浮点解。
整周模糊度获取模块，用于基于得到的浮点解
整周模糊度确认模块，用于计算得到整周模糊度最优整数解，并基于得到的最优整数解得到基线向量的最优解；并进行整周模糊度的确认，同时判断模糊度是否固定。
移动基站精确位置确定模块，利用基准站的已知未知确定移动基站精确位置。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法的无人机无线充电装置。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法的巡检无人机。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明对无人机北斗导航系统采用RTK技术进行高精度定位提出了改进方法，能够满足无人机巡检的工程需求，能为北斗导航定位系统优化性能提供参考。通过大量无人机飞行定位实验，将改进RTK算法与其他传统定位算法的定位精度进行比较，实验结果表明，本发明改进RTK算法优化了北斗导航系统的定位精度。能实现无人机的快速精准定位。
本发明通过单差测量值
本发明利用逐级模糊度确定法根据不同波长的组合测量值，逐级从最宽巷到最窄巷解得整周模糊度，与用户接收机运动状态无关，也不易受到电离层延迟及对流层延迟的影响，算法复杂度相比几何相关算法大大简化，解算效率显著提升，甚至能将RTK定位精度从厘米级提升到毫米级，优化了无人机的定位降落性能。
与现有技术相比，本发明具有的优点进一步包括：
与单点定位、伪距差分定位精度的对比见本发明表2
表2定位精度试验数据对比
由表2可知，单点定位模式下，水平方向定位误差约4.5m，垂直方向定位误差约5.3m；伪距差分定位模式下，水平方向定位误差约0.6m，垂直方向定位误差约1.8m；而RTK模式下，水平方向定位误差为0.0087m，垂直方向定位误差为0.0189m。载波相位差分模式相对于传统的两种定位方式在定位精度上有很大的提升，达到厘米级甚至毫米级。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法原理图。
图3是本发明实施例提供的差分技术原理图。
图4是本发明实施例提供的基于电力巡检提高无人机降落定位精度系统示意图。
图中：1、双差载波相位测量值构建模块；2、连续可用的载波相位测量值获取模块；3、基线向量和模糊度浮点解获取模块；4、整周模糊度获取模块；5、整周模糊度确认模块；6、移动基站精确位置确定模块。
图5是本发明实施例提供的为水平方向上RTK技术的定位误差实验结果图。
图6是本发明实施例提供的为垂直方向上RTK技术定位误差实验结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。
本发明实施例提供的基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法包括：
使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，得到连续可用的载波相位测量值；然后结合站间星间双差观测方程，忽略整周模糊度的整数约束，用最小二乘法求得基线向量Rn和模糊度浮点解
如图1-图2所示，本发明实施例提供的基于电力巡检提高无人机降落定位精度的方法包括以下步骤：
S101，将移动站u和基准站z分别对卫星i和j作单差处理得到单差载波相位测量值，并由单差测量值构造双差载波相位测量值。
S102，使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，得到连续可用的载波相位测量值。
S103，利用最小二乘法求得基线向量Rn和模糊度浮点解
S104，基于得到的浮点解使用逐级模糊度确定法固定整周模糊度。
S105，计算得到整周模糊度最优整数解，并基于得到的最优整数解得到基线向量的最优解；并进行整周模糊度的确认，同时判断模糊度是否固定；若固定在转向步骤S106；若不固定则转向步骤S103。
S106，利用基准站的已知未知确定移动基站精确位置。
步骤S101中，本发明实施例提供的单差载波相位测量值计算方法具体包括：
将移动站u和基准站z分别对卫星i和j作单差处理，公式如下：
式中：
步骤S101中，本发明实施例提供的双差载波相位测量值构造方法包括：
由单差测量值构造双差载波相位测量值，双差观测量公式如下：
式中：
本发明实施例提供的整周模糊度确认方法具体包括：
利用逐级模糊度确定法根据不同波长的组合测量值，逐级从最宽巷到最窄巷解得整周模糊度。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
1、巡检无人机无线充电平台
在无人机进行电力系统输电线巡检过程中，由于无人机续航里程的限制，在无人机巡检一定距离后，无人机需要进行充电。本发明将采用一种置于高压输电塔上的充电平台，给降落在平台上的无人机进行无线充电。
1.1无人机无线充电装置
无人机无线充电平台被置于高压输电塔上，通过输电线连接高压电塔与充电平台，给无人机进行充电。充电平台装置端主要包括北斗定位模块、重力感应模块、发射线圈、中央控制器和蓄电池等；无人机端主要包括接收线圈、电池组和北斗定位模块等。北斗定位模块对无人机降落平台实现精准定位，平台内置的发射线圈与无人机上装载的接收线圈进行能量传递。
1.2定位精度对充电效率的影响
由于无人机进行无线充电的过程中，无人机端搭载的接收线圈与平台的发射线圈间的接触面积越大，无线充电效率将越高，因此无人机降落时的定位精度将直接影响无线充电效率。关键在于提高北斗定位系统的精度。
2北斗系统定位误差
2.1传播路径误差
传播路径误差主要有对流层延迟误差、电离层延迟误差和多路径效应。对于对流层延迟误差，应该引入对流层模型进行补偿，减弱误差；对于电离层误差，应采用差分技术处理，以削弱电离层延迟误差。多路径效应被视为引起定位偏差的重要因素，由于观测站周围环境复杂度，反射源的反射系数这两个时变因素，因此很难建立减弱多路径效应误差的模型。多路径效应在静态快速定位和实时动态定位中的影响尤为显著。
2.2空间误差及用户部分误差
空间误差主要分为卫星时钟误差和卫星星历误差。对用户部分而言，主要是因为接收机噪声和长基线未建模产生定位偏差。在进行高精度相对定位的过程中，长基线要求建立更完善的观测模型，否则产生的误差容易被位置参数吸收，进一步扩大定位偏差，并且基线越长，偏差越大。
表1各种误差源对测量值的影响
3 RTK技术原理
3.1差分工作原理
由于卫星导航定位信号中各种误差的存在，单点定位精度显然无法满足无人机巡检作业的高精度定位需求。因此，通常需采用差分技术以提高定位精度，其技术原理如图3所示。
基准站与移动站同时观测卫星定位信号，在一定基线距离条件下，两站观测同一颗卫星，接收信号中包含的误差基本相同。此时进行差分计算，能够有效抵消基准站与移动站间的共同误差部分，包括电离层延迟、对流层延迟、星钟误差和星历误差，接收机的定位精度得以提高。
3.2载波相位差分(RTK)技术
差分技术可分为三种：位置差分，伪距差分和载波相位差分。
伪距差分是目前应用最广泛的差分技术，伪距差分方式定位精度能达到分米级，但随着基准站与移动站之间的距离增大，定位精度将降低。显然伪距差分不能达到无人机巡检高精度定位的要求。
RTK技术是将基准站接接收到的载波相位测量值发给移动站接收机，与移动站接收机自身的载波相位测量值进行差分运算，最后求解得到基线向量与初始整周模糊度，完成高精度定位。载波相位观测方程式如下：
ф＝λ-1[r+c(δtu-δts)-I+T]+N+εф (1)
其中：ф是载波相位测量值，λ为载波波长，r为接收机与卫星的几何距离，c为真空光速，δtu为为接收机钟差，δts为卫星钟差，I是电离层延迟，T是对流层延迟，N为整周模糊度，εф为载波相位测量噪声，主要包括接收机噪声和多路径效应误差。
4载波相位差分流程
4.1载波相位差分模型
RTK处理过程包括载波周跳检测与修复、整周模糊度浮点解求解、整周模糊度确定、整周模糊度正确度检验等四个处理过程。对于移动接收站来说，关键在于能准确并且快速求解出整周模糊度以完成精准定位。为了消除对流层延迟和电离层延迟的影响，在短基线条件下，可以将移动站u和基准站z分别对卫星i和j作单差处理，方程式如下：
式中：
由单差测量值
式中：
先使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，保证载波相位测量值是连续可用的。然后结合站间星间双差观测方程，忽略整周模糊度的整数约束，用最小二乘法求得基线向量R_n和模糊度浮点解N^。由得到的浮点解N^使用逐级模糊度确定法实现整周模糊度的固定。由整周模糊度的最优解，可得到基线向量的最优解。在基准站已知位置的条件下，可以得到移动基站的精确位置。
4.2优化实时定位精度的改进方法
逐级模糊度确定法基于宽巷测量值的整周模糊度相比窄巷更易求解，可以根据不同波长的组合测量值，逐级从最宽巷到最窄巷解得整周模糊度。因为该方法是几何无关算法，所以很适用于RTK技术。该算法与用户接收机运动状态无关，也不易受到电离层延迟及对流层延迟的影响，算法复杂度相比几何相关算法大大简化，解算效率显著提升，甚至能将RTK定位精度从厘米级提升到毫米级，优化了无人机的定位降落性能。
5下面结合无人机实验分析对本发明作进一步描述。
5.1实验平台
为验证北斗系统优化后的RTK定位精度,搭建了无人机实验平台。进行无人机飞行试验，在单点、伪距差分和RTK三种模式下分析定位精度。在飞行试验时，应选择开阔、无障碍的实验场地。在基准站接收机天线被固定在已知精确坐标定点的情况下，将无人机上安装移动站接收机天线。
搭载移动站接收机的无人机按计划规定轨迹飞行，平均速度约50km/h,分别用单点定位、伪距差分定位、RTK定位三种模式给无人机进行定位，并记录下约半小时的定位数据。
5.2实验结果分析
在三种模式下的水平及垂直定位精度(2σ)误差如下表所示：
表2定位精度试验数据对比
组别
单点
伪距差分
RTK
水平(m)
4.487
0.593
0.0087
垂直(m)
5.256
1.8310
0.0189
由表2可知，单点定位模式下，水平方向定位误差约4.5m，垂直方向定位误差约5.3m；伪距差分定位模式下，水平方向定位误差约0.6m,垂直方向定位误差约1.8m；而RTK模式下，水平方向定位误差为0.0087m，垂直方向定位误差为0.0189m。载波相位差分模式相对于传统的两种定位方式在定位精度上有很大的提升，达到厘米级甚至毫米级。
下面结合基于电力巡检提高无人机降落定位精度系统对本发明作进一步描述。
如图4所示，本发明基于电力巡检提高无人机降落定位精度系统包括：
双差载波相位测量值构建模块1，用于将移动站和基准站分别对卫星作单差处理得到单差载波相位测量值，并由单差测量值构造双差载波相位测量值；
连续可用的载波相位测量值获取模块2，用于使用无几何距离组合法对载波周跳进行检测和修复，得到连续可用的载波相位测量值。
基线向量和模糊度浮点解获取模块3，用于利用最小二乘法求得基线向量和模糊度浮点解。
整周模糊度获取模块4，用于基于得到的浮点解
整周模糊度确认模块5，用于计算得到整周模糊度最优整数解，并基于得到的最优整数解得到基线向量的最优解；并进行整周模糊度的确认，同时判断模糊度是否固定。
移动基站精确位置确定模块6，利用基准站的已知未知确定移动基站精确位置。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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