变电站高精度RTK差分定位技术研究

兰志成

摘 要：针对变电站三维虚拟可视化安全作业管控方法中基于传统定位技术造成作业人员定位精度低及有效范围窄问题，研究了高精度差分定位技术，完成基于RTK差分定位技术的变电站作业人员高精度位置信息的获取，实现了作业人员在变电站虚拟三维场景中的实时位置监控。

关键词：差分定位;虚拟三维场景;变电站安全作业管控

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0185-02

0 引言

在变电站安全作业管控领域中存在着多种管控方法，近年来出现了变电站虚拟三维可视化的安全管控方法，这种方法通过对变电站进行三维建模及可视化，获取站内作业人员实时位置信息，实现了对现场作业人员位置的实时掌握，并根据位置信息做出及时的安全预警。该方案采用了传统室内无线定位技术对变电站现场作业人员进行定位，其定位精度较低到达不了厘米级精度，且其有效覆盖范围较窄，因此在实际的应用中的效果并不好。

同时，传统的GPS定位通常采取GPS接收机直接捕获卫星信号并获取本地经纬度信息的手段，由于受到星历误差和卫星钟误差的影响，造成实际定位精度较低，定位误差大。GPS差分定位技术可以消除各种影响因素，并且凭借其精度高、抗干扰性强等诸多优点被越来越多地应用于生产工作中。

为了进一步提高变电站虚拟三维可视化的安全管控系统的准确度及实用性，本文将差分定位技术运用于变电站安全作业管控中，利用差分定位技术的优势，实现了变电站作业人员高精度厘米级的位置信息获取。

1 基本原理

1.1 差分定位技术原理

差分GPS（Differential Global Positioning System）技术的原理是利用固定基站向移动接收站传递GPS坐标校正数并在移动站实时校正求解自身高精度坐标（图1），其中固定基站和移动站同时对相同的GPS卫星进行连续观测，固定基站根据自己的坐标计算出坐标校正数，同时通过一定形式的数据传输链路（无线电波或者无线数字网络）到移动站，移动站接收坐标改正数并利用相关校正算法对自身已知坐标进行校正计算，最终获得自身较高精度的绝对坐标信息。

DGPS差分定位技术根据移动站收到的校正数数量的不同，可分为单站差分、局域差分以及广域差分。其中，单站差分从一个固定基站接收差分校正数，其缺点在于移动站与固定参考基站之间的距离越大，造成差分校正数的精度越来越低。局域差分的原理是利用了多个固定参考基站发出的差分定位信息，并对这些校正数进行平差计算。通常这种差分方式要求固定参考基站具备相当的数量以及分布均匀度，如果要获取较高精度的差分校正数，一般要求移动站与固定参考基站的间隔在150km之内。广域差分的原理是统计各种GPS观测量的误差源，通过计算所有不同误差源校正数的方式降低移动站和固定参考基站间距离依赖性，从而进一步来提升差分定位精度。

根据数据处理方式的不同。将DGPS差分定位技术分为实时处理差分定位技术和测后处理差分定位技术。其中，实时处理技术要求移动站和固定参考基站之间建立一条实时数据传输链路，实现移动站和固定参考基站间差分校正数信息的实时传输和位置校正计算。而测后处理差分定位技术不需要一个实时的数据传输链路，它是在观测之后对数据及进行较为详细的统一处理，可大大减小系统误差，但是不具备实时性。

高精度DGPS差分定位技术根据传输的差分校正数类型的不同，可分为位置差分定位技术、伪距差分定位技术、相位平滑伪距差分定位技术以及载波相位差分定位技術。这几种差分定位技术本质上的技术原理是相同的，都是移动站利用接收到的固定参考基站发来的差分校正数进行自身坐标的校正计算来实现其高精度位置坐标信息的获取。同时，几种差分定位技术的差异也很明显，即其发送接收的校正数在内容格式上的不同，以及由此差异造成的不同数据处理方式、不同的定位精确度以及适用的工作场景的不同。

位置差分定位技术的原理（图2）为：保证在至少4颗可视卫星的情况下，固定参考基站的GPS卫星接收机接收GPS信号并进行解调工作算出自身的测量位置坐标。同时，由于GPS卫星信号收到卫星钟、卫星星历以及传输过程中受大气对流层的影响造成一定的误差，固定基站的测量位置坐标与其真实绝对的位置坐标之间存在一定的差值（即差分校正数）。进而固定基站将求解出来的差分校正数发送到移动站，移动站根据此差分校正数对自身测量坐标进行校正计算，获得自身真实的位置坐标。

伪距差分定位技术是比较成熟的一种差分定位技术，其原理为：固定参考基站接收自身位置坐标信息并计算出其与所有可视卫星的距离，同时计算自身真实坐标与各可视卫星间的距离，通过比较两种距离并利用滤波器计算真实距离与测量距离的偏差（伪距校正数）。进而固定参考基站将计算的伪距校正数下发到移动站，移动站利用接收到的伪距校正数校正计算其自身测量坐标信息，可以获得较高精度的定位效果（图3）。

伪距差分定位技术的本质是通过对移动站和固定参考基站的观测伪距进行差值操作，降低两个伪距的系统共同误差来有效避免随机误差的影响。为此，相位平滑伪距差分技术在伪距差分的基础上，进一步实现两历元的差值，通过历元相位差观测值进一步对伪距值修正来消除整周未知数，大大提升了定位的精度（图4）。

载波相位差分定位技术，利用固定参考基站上的GPS卫星接收机连续观测卫星，移动站一方面接收来自固定参考基站发送的基站载波观测值和基站坐标，另一方面接收自身的卫星载波，通过载波相位校正计算算法实时求解自身精确坐标。载波相位差分定位技术由两种实现途径，即校正法和求差法。其中，校正法利用载波相位校正数的校正计算来实现，与伪距差分法较为相似。而求差法移动站和固定参考基站间的载波相位观测值求差来实现，改方法通常又可分为单差法、双差法以及三差法求解（图5）。

1.2 高精度RTK定位技术

高精度RTK（Real-time kinematic）定位技术是一种实时动态定位技术，本质上基于载波相位观测值，能够实时地计算出移动站的精确真实坐标值并可达到厘米级的定位精度。在RTK实时差分定位工作时，固定参考基站将自身坐标和观测载波相位校正数发送到移动站上，移动站接收固定基站发送的差分定位信息，并获取自身观测坐标信息，从而形成差分观测值，在不足一秒的时间内进行载波相位实时校正求解，获得厘米级精度的定位结果。其工作流程如图6所示。

RTK定位方法的定位精度极易受到载波相位整周模糊度固定算法的影响，在模糊度固定失败的情况下，RTK定位将出现大幅偏差。在载波相位整周模糊度算法中方常用的方法有FAST（Fast Ambiguity Search Filter）模糊度搜索滤波器法，y有基于矩阵LDLT和UDUT分解的模糊度固定法以及LAMBDA（Least Square Ambiguity Decor-relation Adjustment）最小二乘模糊度降相關平方差。在所有的载波相位整周模糊度算法中，LAMBDA算法是目前最有效的方法，本文研究了基于LAMBDA的Kalman滤波修正算法可消除复杂环境的噪声干扰，增加载波相位整周模糊度固定成功率，进一步减小偏差度。

Kalman滤波修正算法原理是，在由于方程求解过程中忽略了GPS卫星接收机输出的多普勒观测量，导致在使用RTK定位时求解的坐标有时会出现较大偏差的情况。利用多普勒观测量与速度之间的关系，可利用标准最小二乘技术实现多普勒观测量到运动载体速度的转换，在将多普勒观测量转换为载体速度后，利用Kalman滤波器对载体位置进行实时校正，同时将多普勒观测量估计的差分站速度带入到Jerk模型中，实现了基于扩展Jerk模型的Kalman滤波器实时校正的RTK高精度定位。

2 取得成果

本文研究了RTK差分定位工作机制，研究载波相位整周模糊度固定算法，开发了变电站移动作业定位终端设备（图7终端设备工作流程），并实际应用于云南电网临沧供电局500kV博尚变电站。完成了站内RTK基站的建设（图8）以及站内作业人员高精度厘米级位置信息获取。

3 结语

本文研究了载波相位整周模糊度固定算法，成功将高精度RTK差分定位技术应用于变电站作业人员高精度位置信息获取中，满足变电站定位精度高和覆盖范围广的需求。本文在变电站实际使用中还存在部分特殊环境下的定位精度问题，将在以后的研究中综合考虑特定影响因素，并进一步改善系统的性能。