浅谈D-RTK技术在输电线路无人机巡视工作中的应用

浅谈D-RTK技术在输电线路无人机巡视工作中的应用

王成鑫石利荣李鹏祥刘艳娇苗俊高峰

（云南电网有限公司曲靖供电局输电管理所云南曲靖655000）

摘要：磁干扰一直是威胁无人机飞行的重大隐患，目前无人机电子元件还缺乏有效的防范手段和防范措施，没有应对相应的保护措施。利用D-RTK技术对无人机飞行进行辅助，是有效减少磁干扰对无人机安全飞行威胁的一个重要手段，其是基于机载GPS外另外一个重要的创新技术，本文介绍了D-RTK技术在当前输电线路中的应用，不仅能提高无人机定位精确度，还可以实现高磁干扰下的稳定飞行，有效解决无人机在强磁场环境中难以操控问题，还可以实现对无人机飞行保护，有效解决高电压等级的输电线路对无人机的磁干扰，为无人机提供精确的距离、方向、智能分析和辅助判断支持。

关键词：输电线路；无人机巡视；D-RTK；厘米级定位；抗磁干扰

1.引言

高压输电线路大多建在高海拔地区，地形复杂、气候多变，长期暴露在恶劣的自然环境中，对输电线路的危害和影响极大，当高压输电线路发生故障时，若不能及时检查出，消除隐患，就有可能会引发各种故障。为了确保输配电线路的安全运行，及时发现线路本体、金具附件等电力设备以及周围环境意想不到的缺陷或隐患，并为线路的维修、维护等提供依据，需要对高压输电线路定期的实施巡查，确保电网安全稳定运行。

近年来多旋翼无人机技术的迅猛发展，多旋翼无人机在输电线路巡视中的应用得到了电力系统的认可。云南电网地处高海拔地区，多数输电线路地处高山峻岭之间，天气情况复杂多变，地质灾害频发，多旋翼无人机的应用对降低人工劳动强度、危险性有着显著作用。目前的无人机均搭载了GPS定位系统，但GPS定位系统受卫星数目、卫星信号强度的影响，会出现工作不稳定，甚至丢失信号的状态，且输电线路环境会对GPS定位系统的工作造成很大影响，输电线路自身产生的感应磁场，会干扰无人机GPS定位系统，造成无人机在空中出现不受飞控控制的状态，普通GPS定位系统依靠无人机端与卫星直接通信，计算出无人机与卫星之间的距离，从而获知无人机的位置，但是这种算法实际上存在较大的误差，针对无人机精细巡视输电线路来说，这种精度远远不够。

2.D-RTK实时动态差分定位技术

2.1工作原理

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

2.2系统组成

D-RTK系统由定位装置、天线装置、专用集成盒、信号处理器、计算模块等部分组成，如图1所示：

RTK实时动态差分定位技术原理就是通过复杂计算来消除GPS值的误差，关键就在于数据处理技术和数据传输技术，它能使GPS定位系统获取到的信号与实际该点的GPS值几乎接近，误差控制在厘米内。无人机在工作时，收到GPS信号都是带有误差的，差分定位技术，会利用距离无人机较近的一个已知基站（通过专业测绘的坐标点）的精确GPS值，来比对相应的误差值，通过计算后会将无人机收到的GPS信号减去误差值，予以修正，但是这种算法，若无人机在距离已知基站较远的地方，由于跨度大，GPS误差的空间相关性随基站和无人机之间的距离增加而逐渐失去线性，单个基站给出的修正值无法完全消除无人机GPS的误差，通过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差，而对于RTK动态差分定位技术，则是改善了这种问题，他不靠某一个已知基站单独工作，而是通过多个基站的观测数据来确定观测点（无人机）之间的相对位置，使无人机在一个多点形成的网络上运动，然后要求各个基站实时的把观测数据及自身的已知数据（精确GPS值）传输给无人机，然后通过计算比较后，对无人机的GPS信号值进行修正。RTK实时动态差分定位技术只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，就能获取到厘米级定位结果。

图1D-RTK系统组成部分

D-RTK技术，则是专门针对电力巡检设计的，其载普通RTK技术上，加强了抗磁干扰的能力，能使无人机在强磁场条件下，仍然稳定的提供出精确的定位、高度、航向。以前，飞机航向主要是通过指南针进行测定。用过指南针的朋友都知道，指南针定位非常容易受到含磁金属、磁场等磁干扰，在某些环境下误差较大，并不可靠，在高压线、大型钢架结构附近甚至可能无法使用。

D-RTK为了解决这个问题，使用了机载双天线的设计替代指南针，在强磁干扰环境下也能精准定向，更安全可靠。这种环境下的精准定向，是地磁定向做不到的。同时，在D-RTK配合大疆A3飞控系统时，D-RTK的航向信息会与地磁航向进行融合，从而优势互补，进一步提升系统的可用性、安全性。

磁干扰指的是磁性干扰，比如说铁性材料被磁化，地磁波动等，不同于电子设备中所说的磁干扰，对于电力行业而言，设备巡检是极其重要的工作，而输电线路附近是强干扰环境。D-RTK，可独立完成定向，减小飞控对指南针定向的依赖，从而可以靠近电力设施而不受磁干扰的影响；同时可使用远摄变焦云台相机拍摄清晰的故障图像并回传，辅助缺陷准确定级，提高巡线及处理效率。

2.3优缺点

（1）抗磁干扰：能为无人机提供距离输电线路1-5m的超近飞行，不会出现被干扰、冗余等情况，能让无人机定位系统保持正常工作，减少无人机的定位误差，特别适用于强磁干扰场所及周围地形十分复杂的线路环境飞行；

（2）适用性强：该技术成型的装置小巧灵活，装置面积很小，能适应目前市场上绝大部分的无人机机型；

（3）设备安装方便，操作简单，稳定可靠；

（4）兼容匹配：该产品软件方面具有很高的兼容性，能配置多种数据连接端口，可与多种型号的无人机搭配使用，实现数据的对接达到系统联动。

3.D-RTK系统在输电线路无人机巡视工作中的应用

3.1现有平台下的无人机巡视

目前的无人机，抗磁干扰能力较好的属于一体成型的，例如大疆精灵系列，其能达到距离导线4m左右距离，不出现指南针异常的情况，；对于组装型的6轴-8轴无人机，抗磁干扰能力都较差，在距离导线6m时就会出现指南针异常，无人机完全处于姿态模式，贴近导线飞行危险性很大；

（1）无人机远距离快速巡视

目前所有无人机都能实现，设定好航线后，无人机可以快速执行飞行，主要拍摄线路通道环境，线路走向，飞行高度一般在线路环境最高海拔点之上，最高可达100-200m。

（2）无人机精细巡视

精细巡视对象主要是杆塔金具、绝缘子、导线、地线等。要求拍摄的图片能看清销钉级物体，目前所有无人机还无法做到航线规划执行，需要无人机驾驶员操控并且在视距内飞行，否则会因为气象、干扰等问题，出现无人机坠机。因为无人机即使在GPS增稳模式下，也是会出现飘浮，并且无人机驾驶员在手动控制无人机时，驾驶员需要十分集中注意力，操控难度很大，飞行效率并不高。

3.2具备D-RTK技术的无人机巡视

（1）无人机精细化巡视

无人机采用手动控制时，无人机也能十分稳定的悬停，方便云台手观察拍摄需要的金具部位，获取到最直观最清楚的图片，提升无人机巡视的效率及质量。

（2）无人机近距离航线飞行及巡视

搭载D-RTK技术的无人机，因其能具备厘米级定位能力，无人机可以详细规划飞行航线，在近距离条件下，稳定的进行飞行，不用担心因为干扰误差等一系列问题造成无人机与障碍物发生碰撞导致坠机，加之配备高倍光学变焦云台后，就能进一步实现半自动精细化无人机巡视。

（3）无人机故障定位

由于D-RTK技术在强磁场环境下仍然能提供厘米级的航向、高度、位置，其可以十分准确的回传出输电线路故障位置，完成十分精确的故障定位，为线路运维方面提供出可靠的参考值，对于线路故障录波修正十分有帮助。

（4）线路通道保护区测量

对于地势较差，无法通过人工测量得出结果的输电线路，可以使用有D-RTK技术的无人机进行保护区测量，大大方便了工作，提高保护区实际面积、宽度的数据准确性。

3.3性能特点

（1）传统的GPS受磁干扰影响大，传统的GPS即使在远离输电线路条件下，若在地形较为复杂的环境中飞行，飞机的定位系统也会出现不稳定情况，甚至就连无人机都会出现遥控信号丢失，而D-RTK技术能很好的减少甚至避免此类情况的发生，即使出现了无人机信号丢失，无人机的后备保护系统也能依靠D-RTK的精确定位完成自动返航，不会出现普通GPS的返航问题。

图2无人机精细巡视输电线路

（2）作为辅助无人机飞行手段的一个技术难题就是如何将无人机实际飞行距离误差控制在厘米内，目前在磁干扰条件下，无人机仅能通过无人机驾驶员手动不断操控，使其较为稳定的进行悬停和飞行，D-RTK技术能实现无人机在磁干扰条件下，依然自行完成悬停和正常飞行，不需要人为过多的干预，

（3）利用D-RTK技术后，无人机依赖手控程度降低，减小了无人机驾驶员的飞行难度，减轻了无人机驾驶员的精神强度，在无人机驾驶员相同的耐受力下，可以完成更多的输电线路巡视，提高了飞行效率和减少了无人机发生事故的概率

（4）使无人机巡视质量大大提升，以往无人机飞行为了确保无人机的安全，对于一些金具的拍摄，往往会牺牲质量，而现在使用D-RTK技术后，对于输电线路巡视上，拍摄的图片能极大弥补人工巡视的不足，提升线路运维的质量。

4.结语

通过D-RTK实时动态差分定位技术的新型无人机系统在输电线路巡检中的应用研究，不仅定位精准，抗磁干扰能力强，避免机身与设备发生碰撞，保障设备安全，保障了飞行工作的连续性；针对线路导地线缺陷，能获取到极为清晰的缺陷图片，为抢修方案的制定提供了必不可少的资料；尤其是500kV输电线路导线间隔棒的缺陷，D-RTK技术的应用可以极大减少人工走线作业，通过定期拍摄照片来关注四分裂导线间隔棒的情况，极大减少了线路工作量；在关键时期发挥出来无人机的优势，该套设备适用用于输电线路的巡视、故障查找、线路通道保护区测量等工作。

参考文献：

[1]汤明文，戴礼豪，林朝辉等.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力，2013，46（3）：

[2]闫野，李东亮.基于RTK的厘米级定位无人机的开发与应用[J].工程建设与设计，2017，（21）：

[3]王振华，黄宵宁，梁焜等.基于四旋翼无人机的输电线路巡检系统研究[J].中国电力，2012，45（10）：

作者简介：

王成鑫（1991年），男，云南曲靖人，助理工程师，本科学历，研究方向：输电线路。

石利荣（1969年），男，云南玉溪人，云岭首席技师，高级技师，三级技能专家，本科学历，研究方向：输电线路运检及带电作业。

李鹏祥（1970年），男，云南曲靖人，高级工，大专学历，研究方向：输电线路。

刘艳娇（1989年），女，云南宣威人，助理工程师，本科学历，研究方向：输电线路。

苗俊（1971年），男，云南曲靖人，工程师，本科学历，研究方向：输电线路。

高峰（1991年），男，吉林人，助理工程师，本科学历，研究方向：输电线路。