基于载波相位差分定位的输电线路无人机自主巡检研究及应用

程亮亮

摘要：目前，输电线路无人机巡检以人工操作为主，自动化程度不高，难以实现标准化、规范化，使得无人机巡线时间偏长，甚至会发生坠机、炸机等问题。载波相位差分定位技术（RTK）可为无人机提供航向信息，使无人机获得高精度的二维信息，有助于实现无人机自主巡检。鉴于此，提出了一种基于RTK差分定位的输电线路无人机自主巡检方法。首先由人工操控无人机进行线路巡检，再根据记录的巡检航迹提取航拍轨迹点精确的经纬度、海拔高度和每一航拍点的摄像头俯仰角度等信息，进行无人机航线规划，最终据此设定的轨迹控制点按预设角度进行航拍，实现无人机巡检的流程化和标准化作业。现场试验结果表明，该方法可以在强电磁场环境下快速准确地完成定点巡航任务。

关键词：载波相位差分定位;输电线路;无人机;自主巡检

0    引言

近几年，作为新兴的巡检工具，无人机已凭借其机动灵活、成本低、环境要求低、便于携带和运输、可带电作业、不受地形限制等诸多优势，在输电线路的日常巡检与精细化巡检作业中得到了广泛应用。国网公司于2015年在公司范围内开始全面推广小型多旋翼无人机和固定翼无人机巡检;南方电网公司于2015年成立机巡中心，重点发展电力无人机应用能力，发布标准体系，开展核心技术攻关工作[1]。我国输电线路巡检由此逐漸形成了“机巡为主、人巡为辅”的运维管理新模式，也推动了输电线路无人机作业安全管控、缺陷智能识别等关键技术的研究和应用。

但随着这些技术的应用，人工操控要求高、空间定位精度不高、智能化程度低等问题逐渐显现了出来，再加上输电线路所在地域、地貌及各种自然因素的影响，对运维人员的飞行操控技能要求也越来越高，无人机巡检开始面临运维人员不敢飞、不愿飞等问题。基于此，以载波相位差分定位技术（RTK）为支撑，首先由人工操控无人机开展线路飞巡，然后利用无人机记录的航线轨迹将航拍轨迹点精确的经纬度、海拔高度和摄像头俯仰角度等信息提取出来，进行无人机航线规划，即可据此进行无人机自主巡检，实现无人机巡检的规范化和标准化作业。

1    无人机自主巡检原理

传统的无人机巡检，由人工操控无人机对杆塔及线路各部件进行近距离高清拍摄。但因地面无人机操控人员的视角不同，无法进行精确定位，工作效率较低，且会因定位精度影响无人机巡检图像和线路设备检测的有效性[2-3]。

输电线路无人机自主巡检，首先需要规划出相应的飞行航线。无人机航线由一系列航点构成，航线规划的实质就是航点设计及巡检点坐标设计。无人机飞巡时，无人机控制系统会记录GPS、驱动系统和飞控信息。利用飞控信息可重新构建无人机巡检的航线轨迹，且能利用航拍时记录的时间和控制系统相关记录，确定各航拍点的高精度位置信息及摄像头的参数设置。然后，将无人机航迹和航拍点设置为控制点，同时根据无人机平台的编程接口（API）函数，对各控制点按顺序进行设置，并在航拍点对摄像头进行参数调整和设置，最终就能进行无人机高精度飞巡和航拍[4]，实现无人机自主精细化巡检。

无人机自主巡检的流程如图1所示[5]。

2    基于差分定位的无人机自主巡检

基于复现人工操控的无人机自主巡检关键技术在于精确的空间定位。传统的无人机巡检主要基于GPS导航定位，但因需要计算三维位置及偏差，在使用过程中至少需要4颗卫星。其优势是：观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天候工作、功能多、成本低。但该技术也存在弊端，它可能因为各种原因产生定位误差。例如，卫星星载时钟和接收机上的时钟并不能始终保持同步，这就会造成时间上的偏差信号;如果在传播过程中受到大气层和各种障碍物的反射，信号传播路径就可能变长，造成测距误差等。这类定位误差较大，精度一般在米级，甚至有时会超过10 m，因此难以进行高精度定位的无人机自主巡检。

差分GPS技术利用地面设置的GPS基准站，对比分析接收机解算的基准站位置和基准位置，可得到当地GPS接收机定位误差，将该定位误差发送至流动的GPS接收站，无人机即可利用该误差对自身位置进行实时修正，以获得高精度定位。获取定位误差的方法包括位置差分法、载波相位测量法和伪距测量法[6]。

RTK是Real-time kinematic的缩写，即实时动态，又称载波相位差分技术，这是一种新的常用的GPS测量方法，它能够将GPS系统的定位误差缩减到厘米级。

2.1    RTK差分定位技术

RTK差分定位技术的原理和伪距差分技术的原理相同。用户站通过基准站的数据链同步实时获取载波观测量和站坐标信息，根据其接收的GPS卫星载波相位和基准站载波相位可获得相位差分观测值，然后进行实时处理，就能得到实时的厘米级高精度定位结果。载波相位差分GPS方法一般分为两种：差分法及修正法。修正法与伪距差分原理相同，用户站通过基准站获得载波相位修正量，修正自身载波相位，并进行坐标求解。差分法则是将基准站获得的载波相位发送给用户站进行求差，获得解算坐标。修正法可称为准RTK技术，差分法才是真正的RTK技术。

但当无人机飞行至变电站、铁矿等干扰性较强的区域时，即使是采用RTK定位，强磁场干扰仍会导致无人机电子罗盘无法准确判断航向，使无人机悬停位置偏移。针对该情况，则可将无人机RTK定位技术与双天线测向技术相结合。原有的无人机RTK定位采用一根天线，智能获取基准站和流动站的位置关系，不能准确提供流动站的航向信息。双天线测向技术则是在原来的基础上再增添一根天线，流动站分别接收解算两路信号，并将其中一路天线的数据作为基准，向另一路天线发送解算修正信息，实现天线2与天线1的相对精准定位，获取两根天线的相对矢量。经过数据处理后，基于该矢量，无人机可获取高精度的位置和航向信息。目前，大疆（DJI）创新提出的D-RTK高精度导航定位技术就是采用的该技术[7]。