CN104931978A - 一种基于gps rtk技术的电力巡线无人机导航系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于GPS RTK技术的用于电力巡线无人机导航系统，包括一个或者多个无人机移动站、多个基准站子系统以及地面站监控子系统，该多个基准站子系统分别布置在电力线路塔架上；其中，该多个基准站子系统用于将GPS差分数据通过无线数传系统发送给无人机移动站；其中，该无人机移动站用于通过GPS RTK差分技术获得厘米级精度的导航信息；并且通过无线数传系统实现地面站监控子系统对无人机移动站以及各个基准站子系统的实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备和无人机导航技术，更具体地，涉及一种基于GPSRTK技术的电力巡线无人机导航系统。
背景技术
对于穿越原始森林边缘地区、高海拔、冰雪覆盖区的电力线路，有些沿线存在频繁滑坡、泥石流等地质灾害，大部分地区山高坡陡，在交通和通讯极不发达时，使得电力线路的日常检测成为一个艰难的任务。
传统的电力线路、管道巡线流程是工作人员亲自到现场巡视线路，巡视对象主要是电力设施，包括杆塔、导线、变压器、绝缘子、横担和刀闸等设备，并以纸介质方式记录巡视情况，然后再人工录入到计算机中。
因此，巡检受到过多人为因素的影响，在危险地段会危及到巡线工人的生命安危。并且，人工录入数据量大、数据手工录入过程中容易出错。同时，对于工作人员是否巡视到位无法进行有效的管理，巡视质量不能得到保障，线路的安全状况也同样得不到保证，给整个线路的安全留下了隐患。
电力巡线无人机具备低空、远距离、自主导航作业的能力，可以穿越高山、河流等各种险恶自然环境，用来对输电线路的铁塔、支架、导线、绝缘子、防震锤、耐张线夹和悬垂线夹等设备进行近距离的拍摄和故障监测，可以大大提高输电线路维护和检修的速度和效率，使许多巡线工作能够在完全带电的环境下迅速完成。因此，无人机电力巡线方式无疑是一种安全、快速、高效、前途广阔的巡线方式。
但是，为了获得电力线路的高清图像信息，当前电力巡线无人机作业时需 要保持与待检目标10m的距离，进行定高定点拍摄或者定高定距平行飞行拍摄，所以电力巡线无人机的导航系统对GPS（Global Positioning System）的定位精度要求很高，而实际上，这样的距离不能够较准确地获取线路信息。
注意到，无人机巡航输电线路最重要的方面是安全问题，也就是巡线设备的安全、电器设备的安全以及无人机自身的安全。线路巡检要求无人机尽可能靠近被巡检设备，并且能够多方位、多角度进行巡视，以使获取准确和清晰的图像数据，但是线路电磁影响和线路本身的物理环境限制又不允许无人机过于靠近被巡检设备，这就使得巡检的数据准确性存在极大的问题。
全球卫星定位系统（GPS）通过空中的卫星能够为无人机的导航系统提供实时、连续、全天候和高精度的监测目标的三维位置、三维速度和时间信息。GPS的定位精度受卫星钟差、卫星轨道误差、电离层、对流层、多路径效应、天线相位中心偏差、接收机钟差等误差源的影响有可能出现误差，目前GPS单机定位精度为10m左右，这样实际上仍然不能满足电力巡线无人机导航系统对GPS精度的要求。
发明内容
为克服现有的缺陷，本发明提出一种基于GPS RTK技术的电力巡线无人机导航系统。
根据本发明的一个方面，提出了一种基于GPS RTK技术的用于电力巡线无人机导航系统，包括一个或者多个无人机移动站、多个基准站子系统以及地面站监控子系统，该多个基准站子系统分别布置在电力线路塔架上；其中，该多个基准站子系统用于将GPS差分数据通过无线数传系统发送给无人机移动站；其中，该无人机移动站用于通过GPS RTK差分技术获得厘米级精度的导航信息；并且通过无线数传系统实现地面站对无人机移动站以及各个基准站子系统的实时监控。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于电力巡线的无线通讯网络结构，包括一台移动站、多个基准站和一个地面站系统；其中，移动站和基准站之间通过由若干台跳频电台组成的一点对多点网络来传输数据；其中，地面站系统分别通过一点对多点的网络与移动站和基准站的GPS设备传输数据；其中，在一点对多点网络中，每台电台的发射与接收时机由地面站系统控制，控制机制采用时分多址，地面站为每一台通讯设备以及其本身分配发射时隙。
本发明采用基于GPS差分技术的导航系统来提高GPS定位的精度，GPS RTK（Real Time Kinematic）技术又称载波相位动态实时差分技术，该技术通过采用多台接收机（基准站）同时观测卫星，由于多台接收机（基准站）的误差来源具有很强的一致性，所以可以通过同时观测的卫星数据进行差分减弱一部分误差（如卫星的误差、电离层对流层传播的误差等），从而提高GPS定位的精度，能够达到厘米级的精度。
本发明的GPS RTK导航系统为电力巡线无人机提供高精度的导航信息，精度达厘米级别。地面站在电力巡线作业起始时通过无线数传系统启动各个基准站的工作，并在电力巡线作业过程中通过无线数传系统实时监控移动站（无人机）以及各个基准站的工作状态。各个基准站通过无线数传系统实时发送GPS差分数据。移动站（无人机）通过无线数传系统实时接收各个基准站发送的GPS差分数据，并通过GPS RTK差分技术实时解算处理获得高精度的导航信息；同时，无人机的飞控系统通过无线数传系统向地面站传输自身的位置和速度信息以及各个基准站的工作状态信息。
附图说明
图1为根据本发明的GPS RTK导航系统的组成结构图；
图2为根据本发明的移动站子系统的结构图；
图3为根据本发明的基准站子系统的结构图；
图4为根据本发明的地面站监控系统的结构图；
图5为根据本发明的无线通讯组网的结构图。
为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于GPS RTK技术的电力巡线无人机导航系统进行详细描述。
在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。而目前使用最为广泛的高精度定位技术就是实时动态定位技术(Real-TimeKinematic，RTK)，RTK技术的关键在于使用了GPS的载波相位观测量，并利用了基准站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度的定位。
RTK技术在应用中遇到的最大问题就是基准站校正数据的有效作用距离。GPS误差的空间相关性随基准站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此在较长距离下(单频>10km，双频>30km)，经过差分处理后的移动站数据仍然含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整周模糊，而对 于电力巡线，这个影响是致命的。所以，为了保证得到满意的定位精度，传统的单机RTK的作业距离都非常有限。
为了克服传统RTK技术的缺陷，提出了网络RTK技术。在网络RTK技术中，线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代，即用多个基准站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的移动站提供校正数据。而移动站收到的也不是某个实际基准站的观测数据，而是一个虚拟基准站的数据，和距离自己位置较近的某个基准网格的校正数据，因此网络RTK技术又被称为虚拟基准站技术(Virtual Reference)。
在本发明的第一实施例中，提供一种基于GPS RTK技术的用于电力巡线无人机导航系统，该GPS RTK导航系统融合了差分GPS、无线通讯、计算机显示与控制等技术，为电力巡线无人机提供高精度导航和位置显示，为地面站提供监视和控制信息。该GPS RTK导航系统通过多个架设在输电线路的基准站将GPS差分数据通过无线数据链发送给移动站（无人机），无人机的导航系统通过GPS RTK差分技术获得厘米级别精度的导航信息，同时无人机的飞控系统通过无线通讯技术实现地面站对移动站（无人机）以及各个基准站的实时监控。
具体地，在本实施例中，如图1所示，该GPS RTK导航系统包括一个或者多个移动站（无人机）、多个基准站子系统和一个地面站监控子系统，该多个基准站子系统分别布置在电力线路塔架上。其中，该无人机的导航系统通过GPSRTK差分技术实现无人机高精度的定位导航，为电力巡线无人机按精确飞行轨迹进行巡线作业提供可靠的保证。
其中，地面站监控子系统用于在电力巡线作业起始时通过无线数传系统启动各个基准站的工作，并在电力巡线作业过程中通过无线数传系统实时监控移动站（无人机）以及各个基准站的工作状态。其中，各个基准站子系统用于通过无线数传系统实时发送GPS差分数据，可以是一秒一次。其中，移动站（无人机）用于通过无线数传系统实时接收各个基准站发送的GPS差分数据，并通 过GPS RTK差分技术实时解算处理获得高精度的导航信息，同时无人机的飞控系统通过无线数传系统向地面站传输自身的位置和速度信息以及各个基准站的工作状态信息。
其中，基准站子系统用于连续接收所有可视GPS卫星信号，将测站点坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给移动站。其中，该GPS RTK导航系统可以容纳30多个基准站，并且具有可扩展性。其中，该系统的速度精度优于5厘米/秒，系统时间同步精度优于50纳秒，系统冷启动时间优于60秒，热启动时间优于15秒。
其中，该系统采用902-928MHz超短波跳频数传电台通讯，在通视情况下通讯距离大于50公里。其中，无人机导航位置输出更新率最高5Hz，GPS差分数据输出更新率1Hz，飞机位置回传更新率1HZ。其中，对于数据传输速率，GPS串口传输速率最高达2304000bps，空中数据链传输速率最高达38400bps，完全满足GPS差分和飞机位置输出、回传的速率。
进一步，如图2所示，移动站子系统包括无人机GPS导航系统、无线数传系统和控制设备。其中，无线数传系统包括电台和电台天线。其中，该控制设备用于通过GPS RTK差分技术为无人机自动驾驶系统提供厘米级高精度的导航信息。具体地，控制设备连接GPS移动站和电台，通过GPS移动传输系统实时接收各个基准站发送的GPS差分数据，并通过GPS RTK差分技术实时解算处理获得高精度的导航信息。同时，控制设备通过电台的无线数传系统向地面站传输自身的位置和速度信息以及各个基准站的工作状态信息。电源转换装置可以外接机载电池设备。
其中，移动站（无人机）在接收来自基准站的数据时，同步观测采集GPS卫星载波相位数据，通过GPS RTK系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站和移动站（无人机）的空间相关性，在系统内组成差分观测值进行实时解算处理，得出移动站（无人机）厘米级精确的平面坐标x,y和高程h。
其中，在本实施例中，GPS RTK差分技术使用的时间系统为GPS时，坐标系统为WGS-84坐标系（World Geodetic System一1984Coordinate System）。该处理方法包括：消除电离层误差，计算卫星位置。其中，消除电离层误差是通过电离层网格延迟算法来获得实际的电离层延迟值，以消除电离层误差。具体包括：解算星历，得出卫星位置；求电离层穿透点位置，求对应网格点，求网格4个顶点的电离层延迟改正数；内插获得穿透点垂直延迟改正数，求穿透点的实际延迟值。
其中，计算卫星位置包括解算出星历数据后，加入星历修正和差分信息，便可计算出卫星位置。进一步，从GPS OEM板接收到的是二进制编码的星历数据流，必须按照标准的数据结构解算星历数据，再依据IEEE-754标准将其转换为十进制编码的数据。在这里，需要解算的参数有：轨道长半轴的平方根（sqrta）、平近点角改正（dn）、星历表基准时间（toe）、toe时的平近点角（m0）、偏心率（e）、近地点角距（w）、卫星轨道摄动修正参数（cus CUC cis cic crs crc）、轨道倾角（i0）、升交点赤经（omg0）、升交点赤经变化率（odot）。
其中，该GPS RTK导航系统的定位精度RTK工作模式下，平面精度优于2CM+1PPM（CEP，距离增加1公里误差增加1毫米），高程优于5CM（CEP）。
其中，如图3所示，基准站子系统包括GPS差分基准站主机、无线数传系统和基准站控制设备。其中，该基准站还包括备份基准站主机，用于备份GPS数据。其中，无线数传系统包括高功率跳频电台和电台天线。其中，基准站主机和控制设备都架设在输电线路走廊的杆塔上，由若干套基准站组成基准站子系统，为移动站子系统（无人机）提供GPS差分数据。
其中，GPS主机和电台采用分离式设计，基准站由太阳能蓄电池供电，控制设备的电源由2个模块组成：信号接收模块的电源处于常开状态；而信号发射模块的电源开关采用遥控方式。在不进行电力巡线作业时，基准站发射模块处于休眠状态，只有接收模块处于正常工作状态。在电力巡线作业起始时作业 员操作地面站系统并通过无线数传系统启动各个基准站的工作以及实时监控移动站（无人机）和各个基准站的工作状态；在电力巡线作业完成时作业员操作地面站系统并通过无线数传系统关闭各个基准站的信号发射模块的电源。
其中，如图4所示，地面站监控系统包括无线数传系统和监控主机，该无线数传系统包括电台和电台天线。其中，地面站监控主机用于在电力巡线作业起始时通过无线数传系统启动各个基准站的工作，并在电力巡线作业过程中通过无线数传系统实时监控移动站（无人机）的工作状态以及各个基准站的工作状态。
其中，如图5所示，对于本申请的无线数传系统，通过无线通讯来组网，本申请的无线通信网络结构是采用跳频电台组网的无线通讯，以使电台的时基统一，这直接关系到无人机在电力巡线作业过程中是否存在碰撞的问题。本系统选用GPS输出的1PPS信号作为时基统一的基准，它具有精度高、可靠性强的特点，完全满足大容量数据传输和组网的需求。
其中，无线通讯组网包括若干台无线通讯设备，包括一台移动站（无人机）、多个基准站和一个地面站系统电台。其中，移动站和基准站之间传输数据，由若干台跳频电台组成的一点对多点（P2M）的网络。其中，地面站监控系统需要与移动站和基准站的GPS设备传输数据，组成一点对多点（P2M）的网络。在P2M网中，每台电台的发射与接收时机由地面站系统控制，控制机制采用TDMA，地面站为每一台通讯设备以及其本身分配发射时隙。任一台电台仅在自己的发射时隙发射，其余时间均自动进入接收状态。为了实现TDMA，网络中的电台首先自动实现时钟同步，并保持始终，可以通过GPS输出的1PPS保持时钟的同步，其同步精度可达50NS。
当进入某站点通讯设备的发射时隙时，该站点的通讯设备即开始发射，其余站点的通讯设备保持静默，地面站系统接收该站点通讯设备发射的数据。如果在一个时隙中数据发射不完，该站点会在下次进入本机的时隙后继续发射。 通过选择合适的端口速率，每台电台都能完成数据的发射和接收，不会造成数据溢出。电台本身按照TDMA模式组网，地面站系统为网内的每个站点电台分配接收时隙和发射时隙。当配置网络时，需要向电台输入网内电台的数量和端口速率，地面站系统根据这些参数会自动形成时隙的分配策略。时隙策略执行的最终结果就是保证地面站系统和各站点按照设定的端口速率工作，并进而保证全部电台能够实现每个电台需要的数据速率和总量的传输。
根据本申请的系统其主要设备MTBF（平均无故障时间）大于2000小时，无人机机载GPS导航设备采用机载供电电池，基准站设备采用太阳能蓄电池，功耗均小于8W。无人机机载GPS、电台采用一体化设计，重量不超过1Kg，尺寸不超过80mm（长）×50mm（宽）×30mm（高），可根据用户机载类型设计。基准站GPS、电台采用一体化设计，重量不超过2Kg，尺寸不超过200mm（长）×150mm（宽）×100mm（高），可根据用户需求定制。机载GPS设备的工作温度为－40℃～+55℃，存储温度为－55℃～+65℃；GPS基准站的工作温度为－30℃～+55℃，存储温度－40℃～+65℃，并且GPS设备和电台的湿度95%不冷凝。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (10)
1.一种基于GPS RTK技术的用于电力巡线无人机导航系统，包括一个或者多个无人机移动站、多个基准站子系统以及地面站监控子系统，该多个基准站子系统分别布置在电力线路塔架上；其中，该多个基准站子系统用于将GPS差分数据通过无线数传系统发送给无人机移动站；其中，该无人机移动站用于通过GPS RTK差分技术获得厘米级精度的导航信息，并且通过无线数传系统实现地面站监控子系统对无人机移动站以及各个基准站子系统的实时监控。
2.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，地面站监控子系统用于在电力巡线作业起始时通过无线数传系统启动各个基准站的工作，并在电力巡线作业过程中通过无线数传系统实时监控无人机移动站以及各个基准站的工作状态。
3.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，各个基准站子系统用于通过无线数传系统实时发送GPS差分数据，无人机移动站用于通过无线数传系统实时接收各个基准站发送的GPS差分数据，并通过GPS RTK差分技术实时解算处理获得高精度的导航信息，同时无人机通过无线数传系统向地面站传输自身的位置和速度信息以及各个基准站的工作状态信息。
4.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，基准站子系统用于连续接收所有可视GPS卫星信号，将测站点坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给无人机移动站；其中，该无人机导航系统可扩展的容纳30个以上的基准站。
5.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，无人机移动站包括无人机GPS导航系统、无线数传系统和控制设备；其中，无线数传系统包括电台和电台天线；其中，控制设备连接GPS移动站和电台，通过GPS移动传输系统实时接收各个基准站发送的GPS差分数据，并通过GPS RTK差分技术实时解算处理获得高精度导航信息；控制设备通过电台的无线数传系统向地面站传输自身的位置和速度信息以及各个基准站的工作状态信息。
6.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，无人机移动站的控制设备在接收来自基准站子系统的数据时同步观测采集GPS卫星载波相位数据，通过GPS RTK系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站子系统和无人机移动站的空间相关性，在系统内组成差分观测值进行实时解算处理，得出无人机移动站厘米级的平面坐标和高程。
7.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，基准站子系统包括GPS差分基准站主机、无线数传系统和基准站控制设备；其中，该基准站还包括备份基准站主机，用于备份GPS数据；其中，无线数传系统包括高功率跳频电台和电台天线；其中，基准站主机和控制设备架设在输电线路走廊的杆塔上，由若干套基准站组成基准站子系统。
8.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其中，地面站监控系统包括无线数传系统和监控主机，该无线数传系统包括电台和电台天线；其中，该监控主机用于在电力巡线作业起始时通过无线数传系统启动各个基准站的工作，并在电力巡线作业过程中通过无线数传系统实时监控移动站的工作状态以及各个基准站的工作状态。
9.一种用于电力巡线的无线通讯网络结构，包括一台移动站、多个基准站和一个地面站系统；其中，移动站和基准站之间通过由若干台跳频电台组成的一点对多点网络来传输数据；其中，地面站系统分别通过一点对多点的网络与移动站和基准站的GPS设备传输数据；其中，在一点对多点网络中，每台电台的发射与接收时机由地面站系统控制，控制机制采用时分多址，地面站为每一台通讯设备以及其本身分配发射时隙。
10.根据权利要求9所述的无线通讯网络结构，其中，该网络结构是采用跳频电台组网的无线通讯网络结构，采用GPS输出的1PPS信号作为时基统一的基准。
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