CN116660936A - 一种基于星基定位的电力无人机巡检方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力巡检技术领域，特别涉及一种基于星基定位的电力无人机巡检方法及系统。本发明基于星基增强播发的PPP‑AR定位服务技术研究可以支持无网络区域，并集成新型高精度星地一体板卡到电力无人机硬件平台中，将电力无人机飞控同星基定位差分定位数据服务进行技术打通，从而帮助电力无人机实现在无通信网络覆盖区域的实时厘米级定位，并可在有网络的RTK服务与无网络的PPP‑AR服务之间进行无缝切换，实现电力无人机在全区域内均可获取RTK服务进行精细化巡检，解决了在偏远、无网络覆盖区域和网络覆盖断续区域、运营商网络覆盖良好区域等复杂场景下实现电力无人机巡检作业问题。

Description

一种基于星基定位的电力无人机巡检方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星定位导航领域，具体为一种基于星基定位的电力无人机巡检方法及系统。

背景技术

由于输电线路分布点多、面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，部分存在运营商通信基站数量不足和分布不均等问题，很难做到网络全覆盖，实际作业中部分主网架输电线路通道区域网络完全处于无服务状态的问题突出。采用传统的基于网络RTK高精度定位技术的电力无人机巡检在无网络4G信号的情况下，无法使用网络RTK技术实时对电力无人机进行纠偏，电力无人机自主精细化巡视无法正常进行。如采用电力无人机手动操作飞行，所花时间长、人力成本高、困难大、风险高，无法高速快捷且精准的效率去完成巡检；通过在电力无人机上应用PPP-AR技术进行获取地理位置信息。

专利“CN115561796A一种电网电力无人机巡检实时定位方法和系统”提出，利用PPP RTK结合惯性导航系统(INS)紧组合模型和利用PPP RTK、INS和相机传感器视觉信息(Vision)紧组合模型的方式。但是该方法定位精度难以适用精细化巡检，且视觉识别、惯导可能受环境影响，难以完全在无公网覆盖下为无人机提供全程高精度定位信息。

本发明基于星基增强播发的PPP-AR定位服务技术研究可以支持无网络区域，并集成新型高精度星地一体板卡到电力无人机硬件平台中，将电力无人机飞控同星基定位差分定位数据服务进行技术打通，从而帮助电力无人机实现在无通信网络覆盖区域的实时厘米级定位，并可在有网络的RTK服务与无网络的PPP-AR服务之间进行无缝切换，实现电力无人机在全区域内均可获取RTK服务进行精细化巡检，解决了在偏远、无网络覆盖区域和网络覆盖断续区域、运营商网络覆盖良好区域等复杂场景下实现电力无人机巡检作业问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于星基定位的电力无人机巡检方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，包括以下步骤：

步骤S1，在电子地图上选择巡检区域；

步骤S2，获取巡检区域内的杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图；

步骤S3，根据杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图生成巡检航线；

步骤S4，根据巡检航线控制电力无人机巡检；

步骤S5，在巡检的过程中，电力无人机实时判断移动通信网络的信号的连接情况；

步骤S6，在有移动通信网络的环境下，电力无人机获取当前概略/初步位置，并通过移动通信网络传输至地基网络RTK位置解算平台，通过地基网络RTK位置解算平台对初步位置信息进行解算并传回解算后的地基差分数据，根据地基差分数据计算得到电力无人机的精确定位信息，包括飞行的定位坐标、航向角信息；

步骤S7，在无移动网络的环境下，电力无人机通过内置星地一体板卡利用星基PPP-AR服务和地球同步轨道卫星单向传输链路直接获取星基解算平台得到的星基差分数据；根据星地一体板卡得到的星基差分数据计算得到电力无人机的精确定位信息，包括飞行的定位坐标、航向角信息；

步骤S8，电力无人机根据实时获取的位置信息巡检航线以及实时获取的精确定位信息对杆塔、线路进行拍照巡检。

优选的，所述步骤S7具体包括以下步骤：

步骤S71，电力无人机检测广播星历参数正确性，并检查是否与轨钟匹配；根据卫星测码偏差选择观测值频点和码型；

步骤S72，进行普通单点定位，获取粗略位置和速度信息；进行观测值周跳探测，实现周跳标记；针对伪距和多普勒信息进行粗差检验和标记；

步骤S73，进行非差非组合滤波，完成状态更新和伪距、载波的观测值更新；在精密单点定位模式下，增加大气约束，以实现快速收敛；

步骤S74，进行区域电离层精密改正建模；

步骤S75，进行区域对流层精密改正建模，确定输出解类型，并计算输出电力无人机相应定位坐标的置信度，置信度大于设定阈值时输出电力无人机的定位坐标。

优选的，所述步骤S73中具体包括：

将斜路径电离层延迟和天顶对流层延迟等大气延迟参数作为待估量保留在观测方程中，精密单点定位模式在解求其他参数的同时估计大气延迟参数，观测方程见式(1)：

式中，P表示伪距原始观测值，L表示相位原始观测值，下标i表示卫星的频率号，上标s表示卫星号，ρ表示卫地几何距离，c表示光速常数，dt_r表示接收机钟差，dt^s表示卫星钟差，C_i表示电离层延迟参数系数，当i＝1时，C_i＝1，当i＝2时，f表示频率，I表示在卫星第一频点斜路径方向上的电离层延迟，MF表示对流层从测站天顶方向到卫星斜路径方向的投影函数，T表示测站天顶方向对流层延迟，N表示相位模糊度，B_r,表示接收机端的硬件延迟，表示卫星端硬件延迟，b_r,i表示接收机端相位延迟，表示卫星端相位延迟，ε_P，ε_L分别表示伪距观测量和相位观测量的观测噪声，λ_i表示第i个频率的波长；

P_i表示第i个频率的伪距原始观测值，L_i表示第i个频率的相位原始观测值，I^s表示第s个卫星在卫星第一频点斜路径方向上的电离层延迟，MF^s表示第s个卫星对流层从测站天顶方向到卫星斜路径方向的投影函数，T^s表示第s个卫星测站天顶方向对流层延迟，表示第s个卫星在第i个频率的相位模糊度；

在非差非组合精密单点定位模式中，卫星钟差为无电离层组合获取，因此需要进行硬件延迟修正；修正后的卫星钟差记为：

同理，由于接收机硬件延迟可被接收机钟差吸收，得到的修正后的接收机钟差参数见式(3)：

式(2)和(3)中：

式(2)和(3)中：

式中，d_IF,表示消电离层组合接收机伪距偏差，表示几何无关组合接收机伪距偏差，α表示电离层组合系数1，β表示电离层组合系数2，B_r,表示卫星r的第一个星间单差模糊度，B_r,2表示卫星r的第二个星间单差模糊度，表示卫星s的第一个星间单差模糊度，表示卫星s的第二个星间单差模糊度，f₁表示相应频点1上的频率，f₂表示相应频点2上的频率；

将上述各式带入式(1)得到下式：

式中DCB_r＝B_r,1-B_r,2，

B_r,1表示第1频率的接收机端的硬件延迟，B_r,2表示第2频率的接收机端的硬件延迟；表示第1频率卫星端硬件延迟，表示第2频率卫星端硬件延迟；

由于DCB_r，DCB^s参数与电离层参数、相位模糊度参数线性相关，参数之间无法分离，因此式(7)改写为下式：

分别为等效电离层参数和等效模糊度参数，则可表示为下式：

基于式(8)，服务端的跟踪站坐标精确已知，可以对观测方程中的站坐标进行约束；当非差非组合精密单点定位的解收敛一段时间后，服务端提取的大气参数作为大气建模的原始观测值。

优选的，所述步骤S74中进行区域电离层精密改正建模具体包括：

针对区域卫星斜路径电离层延迟的特点，构建斜路径电离层延迟为参考点经纬度到卫星穿刺点经纬度差值的函数，对每颗卫星模型可表达为式：

I^s＝a₀+a₁·(lat^s-lat₀)+a₂·(lon^s-lon₀)； (10)

式中I^s为斜路经电离层延迟改正值，lat^s，lon^s为卫星穿刺点纬度、经度，lat₀，lon₀为参考点纬度、经度，a₀、a₁、a₂为各项系数；式(10)是基于每颗卫星的模型，卫星端的硬件延迟能被常数项a₀吸收；

由式(9)可知通过非差非组合精密单点定位所提取的斜路经电离层延迟中不仅含有接收机端的硬件延迟又含有卫星端的硬件延迟，因此接收机端的硬件延迟不能被模型参数吸收；为消除影响，选定一个卫星作为参考卫星，对非差非组合精密单点定位所提取的等效电离层延迟进行星间单差，表达式如下：

式中，上标ref为参考卫星；式(11)中，接收机端的硬件延迟被消除掉，式(10)的模型变成星间单差电离层延迟，见下式：

对于式(11)和(12)，由于不同测站和不同的卫星系统的DCB_r不同，故卫星s与参考卫星ref必须是同一测站同一卫星系统，即基于该模型解算时必须为每一个测站的每一个卫星系统选定一颗参考卫星，服务端建模时候选择卫星系统中高度角最高的卫星作为参考卫星。

优选的，所述步骤S75中进行区域对流层精密改正建模具体包括：

将所有卫星斜路径上的对流层延迟值投影到参考点天顶方向上进行建模，其模型函数如下式：

T_r＝A₀+A₁·(lat_r-lat₀)+A₂·(lat_r-lat₀)； (13)

式中T_r为天顶对流层延迟，A₀、A₁、A₂为各项系数，lat_r表示实际点的纬度，lat₀是参考点的纬度，服务端网络跟踪站在4个以上时，单个历元即可完成电离层和对流层改正模型参数的计算；

终端可以通过L-Band卫星或互联网方式接收服务端播发的大气延迟参数；

基于星间单差电离层模型的系数、卫星穿刺点经纬度以及参考点经纬度，用户利用式(12)拟合出卫星的等效斜路径电离层延

在终端非差非组合精密单点定位方程中引入该电离层虚拟观测值，在原有的观测方程中增加电离层参数虚拟观测方程，给予观测权值对电离层参数进行有效约束；

同样利用对流层的模型系数，卫星穿刺点经纬度以及参考点经纬度，通过投影拟合出卫星斜路经上的对流层延迟值，对对流层改正进行约束。

优选的，所述步骤S3中根据杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图生成巡检航线具体包括：

设定电力无人机与线路、杆塔的距离阈值，计算电力无人机的坐标与线路、杆塔的距离，在小于距离阈值范围内求解出符合要求的电力无人机坐标，根据求解出的电力无人机的坐标生成巡检航线。

优选的，计算电力无人机的坐标与线路、杆塔的距离具体如下：

设电力无人机d的坐标为(X_d,Y_d,Z_d)，第i个杆塔g_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，其中i＝1,2，…,N，则电力无人机d与第i个杆塔的距离D_di的计算方式如下：

设第i个杆塔相邻的第j个杆塔g_j的坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，第i个杆塔g_i和第j个杆塔g_j之间的线路为L_m，则电力无人机d到线路为L_m的距离具体计算如下：

计算杆塔g_j到杆塔g_i的向量(g_j-g_i)；

计算电力无人机d到杆塔g_i的向量(d-g_i)；

计算向量(g_j-g_i)与向量(d-g_i)的叉乘积(d-g_i)×(g_j-g_i)，以及计算叉乘积的模|(d-g_i)×(g_j-g_i)|；

计算向量(g_j-g_i)的模|g_j-g_i|；

电力无人机d到线路L_m的距离

一种基于星基定位的电力无人机巡检系统，用于实现一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，包括依次连接的巡检区域选择模块、巡检数据转换模块、航线规划模块、电力无人机；

所述巡检区域选择模块用于在电子地图上选择电力无人机执行任务的巡检区域；

所述巡检数据转换模块用于将巡检区域选择模块选择的巡检区域转换为杆塔的坐标和杆塔线路拓扑图；

所述航线规划模块用于根据杆塔的坐标和杆塔线路拓扑图生成电力无人机的巡检航线，并将生成的巡检航线传输至电力无人机；

所述电力无人机用于在有移动网络的环境下采用地基差分数据解算实时坐标、航向角信息，在无移动网络的环境下采用星基差分数据解算实时坐标、航向角信息，以及搭载云台相机对杆塔、线路进行拍照巡检。

优选的，所述电力无人机包括飞控AP模块、HUB模块、数据传输DTU模块、实时动态载波相位差分定位RTK模块、飞行数据记录FDR模块、北斗定位GPS模块、磁力计MAG模块、惯性测量IMU模块、LED模块、4G图传模块、云台相机减震板模块；

所述数据传输DTU模块、实时动态载波相位差分定位RTK模块、飞行数据记录FDR模块、北斗定位GPS模块、磁力计MAG模块、HUB模块、惯性测量IMU模块分别通过CAN1总线与飞控AP模块连接；

所述LED模块、4G图传模块、云台相机减震板模块分别通过CAN2总线与飞控AP模块连接。

优选的，所述电力无人机还包括遥控器接收机模块，所述遥控器接收机模块通过CAN1总线与飞控AP模块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于星基定位研制电力无人机巡检系统解决无网络地区电力无人机自主巡检，区别于传统的需要4G网络下利用RTK解算，可在无网络地区电力无人机通过星地一体实时动态载波相位差分定位RTK模块进行PPP-AR的解算，获取到电力无人机的动态高精度位置，实现高精度自主巡检作业；

电力无人机挂载高清云台相机，用于拍摄目标位置的高清照片；电力无人机定位采用基于星地一体化的RTK/PPP-AR模块，该模块除提供高精度位置信息外，还可以提供机头指向信息，避免高压线周围的磁场干扰影响电力无人机飞行稳定；使用RTK/PPP-AR支持高精度定位服务，在有网络地区只需通过连接移动通信网络即可获得由北斗地基增强站发出的高精度地理位置信息，在无网络或弱网络地区切换为星基差分模式，实现厘米级的定位，而不再需要架设和标定基站也摆脱了运营商网络的依赖，从而增加自建基站的成本，能较好提高机巡作业的效率和安全性，具有较好的经济效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明系统原理图；

图3为本发明系统流程图；

图4为本发明第一次星基服务定位收敛时间；

图5为本发明第二次星基服务定位收敛时间；

图6为本发明第三次星基服务定位收敛时间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示：

实施例1：

包括以下步骤：

步骤S1，在电子地图上选择巡检区域；

步骤S2，获取巡检区域内的杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图；杆塔线路拓扑图表示为E(G,L)，其中G(g₁,g₂,…,g_N)表示杆塔集，L(L₁,L₂,…,L_M)，N为杆塔的数量，M为线路的数量；

步骤S3，根据杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图生成巡检航线；

步骤S4，根据巡检航线控制电力无人机巡检；

步骤S5，在巡检的过程中，电力无人机实时判断移动通信网络的信号的连接情况；

步骤S6，在有移动通信网络的环境下，电力无人机获取当前概略位置，并通过移动通信网络传输至地基网络RTK位置解算平台，通过传回解算后的地基差分数据计算得到电力无人机飞行的定位坐标、航向角信息；

步骤S7，在无移动网络的环境下，电力无人机通过内置星地一体板卡利用星基PPP-AR服务和地球同步轨道卫星单向传输链路直接获取星基解算平台得到的星基差分数据；根据星地一体板卡得到的星基差分数据计算得到电力无人机飞行的定位坐标、航向角信息；

步骤S8，电力无人机根据实时获取的位置信息巡检航线以及实时获取的位置信息、航向角信息对杆塔、线路进行拍照巡检。

步骤S7具体包括以下步骤：

步骤S71，电力无人机检测广播星历参数正确性，并检查是否与轨钟匹配；根据卫星测码偏差选择观测值频点和码型；

步骤S72，进行普通单点定位，获取粗略位置和速度信息；进行观测值周跳探测，实现周跳标记；针对伪距和多普勒信息进行粗差检验和标记；在全球导航卫星系统技术的载波相位测量中，接收器获得的实际载波相位值包括小于一周的部分和整周的部分。而不到一周的小数值保持不变。其中整周数的跳变即为周跳，进行周跳的计算即为周跳探测。

步骤S73，进行非差非组合滤波，完成状态更新和伪距、载波的观测值更新；在精密单点定位模式下，增加大气约束，以实现快速收敛；

步骤S74，进行区域电离层精密改正建模；

步骤S75，进行区域对流层精密改正建模，确定输出解类型，并计算输出电力无人机相应定位坐标的置信度，置信度大于设定阈值时输出电力无人机的定位坐标。

步骤S73中具体包括：

将斜路径电离层延迟和天顶对流层延迟等大气延迟参数作为待估量保留在观测方程中，精密单点定位模式在解求其他参数的同时估计大气延迟参数，观测方程见式：

式中，P表示伪距原始观测值，L表示相位原始观测值，下标i表示卫星的频率号，上标s表示卫星号，比如P_i表示表示第i个频率的伪距原始观测值；ρ表示卫地几何距离，c表示光速常数，dt_r表示接收机钟差，dt^s表示卫星钟差，C_i表示电离层延迟参数系数，当i＝1时，C_i＝1，当i＝2时，f表示频率，I表示在卫星第一频点斜路径方向上的电离层延迟，MF表示对流层从测站天顶方向到卫星斜路径方向的投影函数，T表示测站天顶方向对流层延迟，N表示相位模糊度，B_r,i表示接收机端的硬件延迟，表示卫星端硬件延迟，b_r,i表示接收机端相位延迟，表示卫星端相位延迟，ε_P，ε_L分别表示伪距观测量和相位观测量的观测噪声；

在非差非组合精密单点定位模式中，卫星钟差为无电离层组合获取，因此需要进行硬件延迟修正；修正后的卫星钟差记为：

同理，由于接收机硬件延迟可被接收机钟差吸收，得到的修正后的接收机钟差参数见式(3)：

式(2)和(3)中：

式(2)和(3)中：

将上述各式带入式(1)得到下式：

式中DCB_r＝B_r,1-B_r,2，

由于DCB_r，DCB^s参数与电离层参数、相位模糊度参数线性相关，参数之间无法分离，因此式(7)改写为下式：

分别为等效电离层参数和等效模糊度参数，则可表示为下式：

基于式(8)，服务端的跟踪站坐标精确已知，可以对观测方程中的站坐标进行约束；当非差非组合精密单点定位的解收敛一段时间后，服务端提取的大气参数作为大气建模的原始观测值。

步骤S74中进行区域电离层精密改正建模具体包括：

针对区域卫星斜路径电离层延迟的特点，构建斜路径电离层延迟为参考点经纬度到卫星穿刺点经纬度差值的函数,对每颗卫星模型可表达为式：

I^s＝a₀+a₁·(lat^s-lat₀)+a₂·(lon^s-lon₀)； (10)

式中I^s为斜路经电离层延迟改正值，lat^s，lon^s为卫星穿刺点纬度、经度，lat₀，lon₀为参考点纬度、经度，a₀、a₁、a₂为各项系数；式(10)是基于每颗卫星的模型，卫星端的硬件延迟能被常数项a₀吸收；

由式(9)可知通过非差非组合精密单点定位所提取的斜路经电离层延迟中不仅含有接收机端的硬件延迟又含有卫星端的硬件延迟，因此接收机端的硬件延迟不能被模型参数吸收；为消除影响，选定一个卫星作为参考卫星，对非差非组合精密单点定位所提取的等效电离层延迟进行星间单差，表达式如下：

式中，上标ref为参考卫星；式(11)中，接收机端的硬件延迟被消除掉，式(10)的模型变成星间单差电离层延迟，见下式：

对于式(11)和(12)，由于不同测站和不同的卫星系统的DCB_r不同，故卫星s与参考卫星ref必须是同一测站同一卫星系统，即基于该模型解算时必须为每一个测站的每一个卫星系统选定一颗参考星，服务端建模时候选择卫星系统中高度角最高的卫星作为参考星。

步骤S75中进行区域对流层精密改正建模具体包括：

将所有卫星斜路径上的对流层延迟值投影到参考点天顶方向上进行建模，其模型函数如下式：

T_r＝A₀+A₁·(lat_r-lat₀)+A₂·(lat_r-lat₀)； (13)

式中T_r为天顶对流层延迟，A₀、A₁、A₂为各项系数，服务端网络跟踪站在4个以上时，单个历元即可完成电离层和对流层改正模型参数的计算；

终端可以通过L-Band卫星或互联网方式接收服务端播发的大气延迟参数；

基于星间单差电离层模型的系数、卫星穿刺点经纬度以及参考点经纬度，用户利用式(12)拟合出卫星的等效斜路径电离层延

在终端非差非组合精密单点定位方程中引入该电离层虚拟观测值，在原有的观测方程中增加电离层参数虚拟观测方程，给予观测权值对电离层参数进行有效约束；

同样利用对流层的模型系数，卫星穿刺点经纬度以及参考点经纬度，通过投影拟合出卫星斜路经上的对流层延迟值，对对流层改正进行约束。

为方便表述，在本实施例中，电离层约束时将最后一颗卫星作为参考卫星，加入电离层单差虚拟观测值以及对流层虚拟观测值后，精密单点定位(PPP)定位观测方程可改写为下式：

式中等式左边上标表示卫星号，下标表示卫星频率，表示模型拟合的电离层虚拟观测值，T表示模型拟合的天顶对流层虚拟观测值，在等式的右边中，u表示坐标参数系数矩阵，s表示伪距和载波相位观测值的钟差系数，是一个元素均为1的2n×1的矩阵，MF^s表示对流层从天顶方向到斜路经方向的投影矩阵，C表示电离层参数的系数矩阵，D表示伪距和相位的模糊度系数，0表示零矩阵，x表示坐标参数矩阵，dt表示接收机钟差参数，T表示接收机天顶对流层参数，为等效斜路经电离层参数矩阵，N表示卫星模糊度参数矩阵，ε_p，ε_L，ε_ΔI，ε_T分别表示伪距、相位、电离层虚拟观测值和天顶对流层观测值的观测噪声，Q_p，Q_L，Q_ΔI，Q_T分别表示伪距、相位、电离层单差虚拟观测值和天顶对流层虚拟观测值的方差，K表示电离层参数的约束系数矩阵，是卫星与参考卫星的单差观测方程的系数矩阵，以最后一颗卫星为参考星，若去掉全为0的行和列后为K′，则可得下式：

由式(14)可知，终端相位和伪距的观测方程与式(7)相同，终端的解算策略依然与服务端保持一致。终端参数的误差项与服务端解算的参数误差项有很高的相似性，使得终端与服务端两者具有很高的自洽性，从而使得用户端的参数可以快速分离，达到快速收敛的效果。

步骤S3中根据杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图生成巡检航线具体包括：

设定电力巡检电力无人机与线路、杆塔的距离阈值，计算电力巡检电力无人机的坐标与线路、杆塔的距离，在小于距离阈值范围内求解出符合要求的电力巡检电力无人机坐标，根据求解出的电力巡检电力无人机的坐标生成巡检航线。

计算电力无人机的坐标与线路、杆塔的距离具体如下：

设电力无人机d的坐标为(X_d,Y_d,Z_d)，第i个杆塔g_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，其中i＝1,2，…,N，则电力无人机d与第i个杆塔的距离D_di的计算方式如下：

设第i个杆塔相邻的第j个杆塔g_j的坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，第i个杆塔g_i和第j个杆塔g_j之间的线路为L_m，则电力无人机d到线路为L_m的距离具体计算如下：

1)计算杆塔g_j到杆塔g_i的向量(g_j-g_i)；

2)计算电力无人机d到杆塔g_i的向量(d-g_i)；

3)计算向量(g_j-g_i)与向量(d-g_i)的叉乘积(d-g_i)×(g_j-g_i)，以及计算叉乘积的模|(d-g_i)×(g_j-g_i)|；

4)计算向量(g_j-g_i)的模|g_j-g_i|；

5)电力无人机d到线路L_m的距离

本发明进行电力无人机在无网络地区的RTK固定收敛时间验证，过程进行了3次电力无人机的初始化和起降，星基服务定位收敛时间分别如图4-6所示，图中纵轴6代表差分获得固定解。

3次初始化后的收敛时间分别为：

分析数据结果可知：在测试地点无网络地区，星基服务收敛时间约为5分钟。星基服务使用地球同步轨道卫星进行数据播发服务，因此星基服务收敛时间在北半球主要受南向遮挡影响，在南向空旷的环境下，收敛时间一般小于5分钟。

实施例2：

一种基于星基定位的电力无人机巡检系统，包括依次连接的巡检区域选择模块、巡检数据转换模块、航线规划模块、电力无人机；

所述巡检区域选择模块用于在电子地图上选择电力无人机执行任务的巡检区域；

所述巡检数据转换模块用于将巡检区域选择模块选择的巡检区域转换为杆塔的坐标和杆塔线路拓扑图；

所述航线规划模块用于根据杆塔的坐标和杆塔线路拓扑图生成电力无人机的巡检航线，并将生成的巡检航线传输至电力无人机；

所述电力无人机用于在有移动网络的环境下采用地基差分数据解算实时坐标、航向角信息，在无移动网络的环境下采用星基差分数据解算实时坐标、航向角信息，以及搭载云台相机对杆塔、线路进行拍照巡检。

所述电力无人机包括飞控AP模块、HUB模块、数据传输DTU模块、实时动态载波相位差分定位RTK模块、飞行数据记录FDR模块、北斗定位GPS模块、磁力计MAG模块、惯性测量IMU模块、LED模块、4G图传模块、云台相机减震板模块；

所述数据传输DTU模块、实时动态载波相位差分定位RTK模块、飞行数据记录FDR模块、北斗定位GPS模块、磁力计MAG模块、HUB模块、惯性测量IMU模块分别通过CAN1总线与飞控AP模块连接；

所述LED模块、4G图传模块、云台相机减震板模块分别通过CAN2总线与飞控AP模块连接。

实时动态载波相位差分定位RTK模块的定位定向天线装在电力无人机的一号机臂和二号机臂上。云台相机安装在电池仓下侧，并采用CAN2通信，与巡检电力无人机的控制通信CAN1分开，避免干扰电力无人机正常运行。

飞控AP模块为电力无人机系统中主要模块之一，是整个电力无人机的大脑，为处理传感器数据以及运行控制算法提供了稳定可靠的硬件平台。

HUB模块是一个多端口的信号转发器，同时还具备DC-DC转换功能可将系统输入电压转换成各个模块所需的供电电压。

数据传输DTU模块主要用于下发中心站任务和上行电力无人机数据至中心站的单元，可以将方案实时下发给指定的电力无人机，并通过中心站可以在线监控电力无人机的实时状态参数，巡检的飞行路径等信息。

实时动态载波相位差分定位RTK模块是给电力无人机飞行提供高精度的位置信息(经纬度数据)、航向角信息，使其实时获得动态厘米级的精度。保证了系统执行巡检任务的精确飞行点位，极大地提高了巡检作业的工作效率。

飞行数据记录FDR模块主要用于记录电力无人机飞行过程中的基础数据，通过对飞行数据的分析可以判断飞行控制的性能，尤其在出现故障时可以通过记录的数据找出故障原因，FDR模块本身还具备蓝牙功能，可以与手机通过蓝牙通信进行飞机参数查看和设定等。

北斗定位GPS模块是巡检电力无人机的导航单元，通过北斗定位传感器可以为电力无人机飞行提供位置和速度信息。在本系统中该模块提供基础位置信息，为备用北斗定位信息,在精确位置信息RTK跳出固定解后可以依靠北斗定位数据安全返航。

磁力计MAG模块是提供电力无人机航向角的传感器，其原理主要通过测量电力无人机机体和地磁场的倾角来间接获得电力无人机飞行需要的航向角。

惯性测量IMU模块主要测量电力无人机的三轴角速度、三轴加速度、气压计数据等,通过融合算法计算出电力无人机的姿态角，并将测量及融合的数据传输至CAN 1总线上，供飞控AP模块使用。

LED模块主要通过飞控AP模块输出的CAN2信号进行实时飞机状态显示，如通过判断LED灯的闪烁颜色可以快速判断飞机当前状况，如是否正常过自检、独立模块是否存在异常、电池电压是否报警等信息。

4G图传模块是将巡检过程中采集的图片数据和视频数据通过4G网络实时的回传至云端服务器，在巡检系统中主要通过CAN2总线来接收飞控AP模块的控制信号。

云台相机减震板模块主要是用于巡检系统中的照片采集，其通过CAN2接收飞控AP模块的控制指令，减震板可以给云台相机提供稳定的工作电压，云台保证了高清摄像机的稳定抓拍，能够使的电力无人机在动态飞行状态下稳定相机进行聚焦拍摄。

电力无人机还包括遥控器接收机模块，所述遥控器接收机模块通过CAN1总线与飞控AP模块连接。主要是接收遥控器的控制数据，电力无人机进行相应的操作。

通过天线获取到星基差分数据后，通过CAN2总线输入给电力无人机飞控AP模块，飞控AP模块进行输入数据判断，判断为差分数据后，利用数据传输单元DTU模块将差分数据传输给实时动态载波相位差分定位RTK模块进行坐标实时解算，解算结果达到RTK固定解，判断坐标达到高精度定位精度，再反馈给电力无人机飞控AP模块指导飞行作业。

本发明通过全国以及全球的地面基准站网络对导航卫星信号进行连续跟踪观测，并处理形成相应的广域及区域差分改正与完好性信息，通过地球同步轨道卫星和专有服务平台进行播发，提供星地一体化下的高可用改正数据播发服务，面向各类终端和应用系统，提供广域覆盖范围的连续高可靠的厘米级精度的位置纠偏数据服务。

通过运营商专线，把RTK/PPP-AR网格数据推送到数据中心高精度定位专有平台，进行实时厘米级定位服务的播发。以广域厘米级定位，依托网格化分布的地基参考站，为电力无人机提供精度均一的高精度定位，并具备强大的抗磁干扰能力，在复杂环境下也能保证电力无人机安全飞行。

将星基芯片与电力无人机机硬件系统打通，通过星基播发技术实现电力无人机在全区域内获得近实时的精密定位、测速和授时结果，可在地基增强区域获得实时的厘米级定位、测速和授时结果，融合星基播发RTK/PPP-AR与通讯信号中继站、运营商移动互联网等手段，并可在地基增强区域和非地基增强的全区域之间进行无缝切换，解决在偏远、无网络覆盖区域和网络覆盖断续区域、运营商网络覆盖良好区域等复杂场景下实现电力无人机巡检作业问题。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM,Read-0nlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在电子地图上选择巡检区域；

步骤S2，获取巡检区域内的杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图；

步骤S3，根据杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图生成巡检航线；

步骤S4，根据巡检航线控制电力无人机巡检；

步骤S5，在巡检的过程中，电力无人机实时判断移动通信网络的信号的连接情况；

步骤S6，在有移动通信网络的环境下，电力无人机获取当前初步位置，并通过移动通信网络传输至地基网络RTK位置解算平台，通过地基网络RTK位置解算平台对初步位置信息进行解算并传回解算后的地基差分数据，根据地基差分数据计算得到电力无人机飞行的精确定位信息，包括定位坐标、航向角信息；

步骤S7，在无移动网络的环境下，电力无人机通过内置星地一体板卡利用星基PPP-AR服务和地球同步轨道卫星单向传输链路直接获取星基解算平台得到的星基差分数据；根据星地一体板卡得到的星基差分数据计算得到电力无人机飞行的精确定位信息，包括定位坐标、航向角信息；

步骤S8，电力无人机根据实时获取的位置信息巡检航线以及实时获取的精确定位信息对杆塔、线路进行拍照巡检。

2.如权利要求1所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于：所述步骤S7具体包括以下步骤：

步骤S71，电力无人机检测广播星历参数正确性，并检查是否与轨钟匹配；根据卫星测码偏差选择观测值频点和码型；

步骤S72，进行普通单点定位，获取粗略位置和速度信息；进行观测值周跳探测，实现周跳标记；针对伪距和多普勒信息进行粗差检验和标记；

步骤S73，进行非差非组合滤波，完成状态更新和伪距、载波的观测值更新；在精密单点定位模式下，增加大气约束，以实现快速收敛；

步骤S74，进行区域电离层精密改正建模；

步骤S75，进行区域对流层精密改正建模，确定输出解类型，并计算输出电力巡检电力无人机相应定位坐标的置信度，置信度大于设定阈值时输出电力巡检电力无人机的定位坐标。

3.如权利要求2所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于：所述步骤S73中具体包括：

将大气延迟参数作为待估量保留在观测方程中，精密单点定位模式在解求其他参数的同时估计大气延迟参数，观测方程见式(1)：

式中，P表示伪距原始观测值，L表示相位原始观测值，下标i表示卫星的频率号，上标s表示卫星号，ρ表示卫地几何距离，c表示光速常数，dt_r表示接收机钟差，dt^s表示卫星钟差，C_i表示电离层延迟参数系数，当i＝1时，C_i＝1，当i＝2时，f表示频率，I表示在卫星第一频点斜路径方向上的电离层延迟，MF表示对流层从测站天顶方向到卫星斜路径方向的投影函数，T表示测站天顶方向对流层延迟，N表示相位模糊度，B_r,i表示接收机端的硬件延迟，表示卫星端硬件延迟，b_r,i表示接收机端相位延迟，表示卫星端相位延迟，ε_P，ε_L分别表示伪距观测量和相位观测量的观测噪声，λ_i表示第i个频率的波长；

在非差非组合精密单点定位模式中，卫星钟差为无电离层组合获取，因此需要进行硬件延迟修正；修正后的卫星钟差记为：

同理，由于接收机硬件延迟可被接收机钟差吸收，得到的修正后的接收机钟差参数见式(3)：

式(2)和(3)中：

式(2)和(3)中：

式中，d_IF,r表示消电离层组合接收机伪距偏差，表示几何无关组合接收机伪距偏差，α表示电离层组合系数1，β表示电离层组合系数2，B_r,1表示卫星r的第一个星间单差模糊度，B_r,2表示卫星r的第二个星间单差模糊度，表示卫星s的第一个星间单差模糊度，表示卫星s的第二个星间单差模糊度，f₁表示相应频点1上的频率，f₂表示相应频点2上的频率；

将上述各式带入式(1)得到下式：

式中DCB_r＝B_r,1-B_r,2，

由于DCB_r，DCB^s参数与电离层参数、相位模糊度参数线性相关，参数之间无法分离，因此式(7)改写为下式：

分别为等效电离层参数和等效模糊度参数，则可表示为下式：

基于式(8)，服务端的跟踪站坐标精确已知，可以对观测方程中的站坐标进行约束；当非差非组合精密单点定位的解收敛一段时间后，服务端提取的大气参数作为大气建模的原始观测值。

4.如权利要求3所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于：所述步骤S74中进行区域电离层精密改正建模具体包括：

针对区域卫星斜路径电离层延迟的特点，构建斜路径电离层延迟为参考点经纬度到卫星穿刺点经纬度差值的函数，对每颗卫星模型可表达为式：

I^s＝a₀+a₁·(lat^s-lat₀)+a₂·(lon^s-lon₀)； (10)

式中I^s为斜路经电离层延迟改正值，lat^s，lon^s为卫星穿刺点纬度、经度，lat₀，lon₀为参考点纬度、经度，a₀、a₁、a₂为各项系数；式(10)是基于每颗卫星的模型，卫星端的硬件延迟能被常数项a₀吸收；

由式(9)可知通过非差非组合精密单点定位所提取的斜路经电离层延迟中不仅含有接收机端的硬件延迟又含有卫星端的硬件延迟，因此接收机端的硬件延迟不能被模型参数吸收；为消除影响，选定一个卫星作为参考卫星，对非差非组合精密单点定位所提取的等效电离层延迟进行星间单差，表达式如下：

上式中，上标ref为参考卫星，式(11)中，接收机端的硬件延迟被消除掉；式(10)的模型变成星间单差电离层延迟，见下式：

对于式(11)和(12)，由于不同测站和不同的卫星系统的DCB_r不同，故卫星s与参考卫星ref必须是同一测站同一卫星系统，即基于该模型解算时必须为每一个测站的每一个卫星系统选定一颗参考卫星，服务端建模时候选择卫星系统中高度角最高的卫星作为参考卫星。

5.如权利要求4所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于：所述步骤S75中进行区域对流层精密改正建模具体包括：

将所有卫星斜路径上的对流层延迟值投影到参考点天顶方向上进行建模，其模型函数如下式：

T_r＝A₀+A₁·(lat_r-lat₀)+A₂·(lat_r-lat₀) ； (13)

式中T_r为天顶对流层延迟，A₀、A₁、A₂为各项系数，服务端网络跟踪站在4个以上时，单个历元即可完成电离层和对流层改正模型参数的计算；

终端可以通过L-Band卫星或互联网方式接收服务端播发的大气延迟参数；

基于星间单差电离层模型的系数、卫星穿刺点经纬度以及参考点经纬度，用户利用星间单差电离层延迟公式拟合出卫星的等效斜路径电离层延

在终端非差非组合精密单点定位方程中引入该电离层虚拟观测值，在原有的观测方程中增加电离层参数虚拟观测方程，给予观测权值对电离层参数进行有效约束；

同样利用对流层的模型系数，卫星穿刺点经纬度以及参考点经纬度，通过投影拟合出卫星斜路经上的对流层延迟值，对对流层改正进行约束。

6.如权利要求1所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于：所述步骤S3中根据杆塔坐标以及杆塔线路拓扑图生成巡检航线具体包括：

设定电力无人机与线路、杆塔的距离阈值，计算电力无人机的坐标与线路、杆塔的距离，在小于距离阈值范围内求解出符合要求的电力无人机坐标，根据求解出的电力无人机的坐标生成巡检航线。

7.如权利要求6所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，其特征在于：计算电力无人机的坐标与线路、杆塔的距离具体如下：

设电力无人机d的坐标为(X_d,Y_d,Z_d)，第i个杆塔g_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，其中i＝1,2，…,N，则电力无人机d与第i个杆塔的距离D_di的计算方式如下：

设第i个杆塔相邻的第j个杆塔g_j的坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，第i个杆塔g_i和第j个杆塔g_j之间的线路为L_m，则电力无人机d到线路为L_m的距离具体计算如下：

计算杆塔g_j到杆塔g_i的向量(g_j-g_i)；

计算电力无人机d到杆塔g_i的向量(d-g_i)；

计算向量(g_j-g_i)与向量(d-g_i)的叉乘积(d-g_i)×(g_j-g_i)，以及计算叉乘积的模|(d-g_i)×(g_j-g_i)|；

计算向量(g_j-g_i)的模|g_j-g_i|；

电力无人机d到线路L_m的距离

8.一种基于星基定位的电力无人机巡检系统，其特征在于，用于实现权利要求1-7任一所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检方法，包括依次连接的巡检区域选择模块、巡检数据转换模块、航线规划模块、电力无人机；

所述巡检区域选择模块用于在电子地图上选择电力无人机执行任务的巡检区域；

所述巡检数据转换模块用于将巡检区域选择模块选择的巡检区域转换为杆塔的坐标和杆塔线路拓扑图；

所述航线规划模块用于根据杆塔的坐标和杆塔线路拓扑图生成电力无人机的巡检航线，并将生成的巡检航线传输至电力无人机；

所述电力无人机用于在有移动通信网络的环境下采用地基差分数据解算实时坐标、航向角信息，在无移动网络的环境下采用星基差分数据解算实时坐标、航向角信息，以及搭载云台相机对杆塔、线路进行拍照巡检。

9.根据权利要求8所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检系统，其特征在于，所述电力无人机包括飞控AP模块、HUB模块、数据传输DTU模块、实时动态载波相位差分定位RTK模块、飞行数据记录FDR模块、北斗定位GPS模块、磁力计MAG模块、惯性测量IMU模块、LED模块、4G图传模块、云台相机减震板模块；

所述数据传输DTU模块、实时动态载波相位差分定位RTK模块、飞行数据记录FDR模块、北斗定位GPS模块、磁力计MAG模块、HUB模块、惯性测量IMU模块分别通过CAN1总线与飞控AP模块连接；

所述LED模块、4G图传模块、云台相机减震板模块分别通过CAN2总线与飞控AP模块连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于星基定位的电力无人机巡检系统，其特征在于，所述电力无人机还包括遥控器接收机模块，所述遥控器接收机模块通过CAN1总线与飞控AP模块连接。