CN110068849A - 基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，基准站加电测量或者增加测量频率，利用已知的基准站坐标实时更新自身经纬度信息，实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标以RTCM格式或自定义格式通过4G网络传送给后台服务器；监测站以RTCM格式或自定义格式通过4G网络上传采集到的现场状态数据和处理客户端的命令至后台服务器；后台服务器接收基准站和监测站发送的信息，根据需要进行单系统或多系统联合解算；后台服务器根据基准站所在的三维位置换算为经纬度和海拔高度，得到监测站相对于基准站的位置信息完成实时监测。对复杂地质上输电线路铁塔的多维姿态实时监控，保证输电线路安全运行。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，具体涉及一种基于北斗卫星差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统。
背景技术
近年来，各种地质灾害对我国危害程度日益加重，地质灾害造成的损失逐年增加，据不完全统计(国土资源部政策法规司等，2000)，近年来由于崩塌、滑坡、泥石流灾害每年造成的损失上百亿元，水土流失、土地沙漠化、盐碱化、潜育化造成的损失每年达200亿元，岩溶塌陷和地下采空造成的损失超过5亿元，抽水引起的地面沉降已在全国平原区的46个城市发生，造成巨大的经济损失。
输电线路地质灾害发生的一个重要原因是自然条件的影响，具体原因可能有：一是输电线路通过地段地质环境比较复杂，地质结构不稳，比如说山体岩层结构破碎，泥石流和大面积的山体滑坡常发生；二是输电线路通过的地区可能年降水量比较多且集中，对山体进行频繁的冲刷，难免会导致山体滑坡等灾害的发生。
虽然自2008年大规模冰冻灾害发生以来，各供电部门在不断加强线路设计及防护工作，且在维护中增加巡线小组，加强巡检力度，但因覆冰，山火、地质灾害等引起的线路故障仍然在不断发生。而且由于气候条件恶劣，巡检人员在巡检过程中会面临各种各样的困难，甚至连自身的生命安全都将受到威胁，所以行走速度十分缓慢，使得巡线工作需要花费大量的时间。另外比如，即使工作人员在对某段地质复杂的线路进行抢救工作，但这也许不是地质灾害情况最危急的，因为巡检人员并没有掌握整条线路的地质灾害情况，最终仍将导致地质灾害严重线路缺乏及时抢救而发生断线、杆塔倾斜倒塌的电力事故。
随着自然条件多变，地质灾害频发，人为影响因素越来越多，我国电力公司需要对大面积的电力铁塔实行更全面、及时和有效的监控。输电线路也需要更多新技术力量的不断保驾护航。
电力输电线路安全是国家发展命脉的重中之重，电力输电线路在全国各地广泛分布，跨时区、跨疆域，大部分在荒郊野外、崇山峻岭之间。电力铁塔也在不同的地质层上建设，受到山体滑坡，地质凹陷等地质灾害影响非常大，现阶段传统的监测手段，如杆塔倾斜监测等，还不能完全监控地质灾害对输电线路的影响。尤其是在采矿地区，由于采矿行为所形成的矿道，矿道在地层内纵横交错非常复杂，破坏地质结构，导致容易发生山体滑坡，威胁输电线路正常运行安全。所以地质灾害的监测，对输电线路势在必行，形势刻不容缓。
随着我国北斗系统的不断完善、升级，越来越多的行业也在开始受到北斗系统的影响而发展。在传统GPS和GLONASS差分定位的基础上，北斗系统的加入则正式开启了GNSS多星定位的新时代；星座的分布和数量更趋完善，差分作用距离愈发扩展，定位终端的空间可用性不断增强，而终端运算、通信性能的提升则为更多行业更广泛的应用精准定位提供了条件。
电力铁塔的姿态是电力铁塔监控中一种重要的监测项目。现阶段，我国电网公司普遍采用的二维倾角传感器，只能解决塔身自身形变的问题，由地质问题引起的铁塔倾斜，倾角传感器不能有效区分，如铁塔向上/下整体地质移动，倾角传感器毫无办法，所以铁塔地基自身地质移动所造成电力铁塔倾斜监测是急需解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，对复杂地质上输电线路铁塔的多维姿态实时监控，保证输电线路安全运行。
本发明采用以下技术方案：
一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法，包括以下步骤：
S1、基准站加电测量或者增加测量频率，利用已知的基准站坐标实时更新自身经纬度信息，实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标以RTCM格式或自定义格式通过4G网络传送给后台服务器；
S2、监测站采集现场收集并处理，同时接收客户端的命令，以RTCM格式或自定义格式通过4G网络上传采集到的现场状态数据和处理客户端的命令至后台服务器；
S3、后台服务器接收基准站和监测站发送的信息，根据需要进行单系统或多系统联合解算；
S4、后台服务器根据基准站所在的三维位置换算为经纬度和海拔高度，得到监测站相对于基准站的位置信息完成实时监测。
具体的，步骤S1中，基准站内设置的第一北斗差分定位模块经过第一GNSS天线得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号，在三系统星座的综合计算下得出基准站的准确定位经纬度信息，再发送至第一主控单元，第一主控单元过滤掉干扰数据并接收第一北斗差分定位模块传来的数据，按照协议以及后台服务器给第一主控单元的上传频率，由第一无线通信模块上传给后台服务器。
具体的，步骤S2中，监测站内设置的第二北斗差分定位模块经过第二GNSS天线得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号，在三系统星座的综合计算下得出基准站的准确定位经纬度信息，再发送至第二主控单元，第二主控单元接收第二北斗差分定位模块发送的数据，按照协议和后台服务器给第二主控单元的上传频率，由第二无线通信模块将信息上传给后台服务器。
具体的，步骤S3中，联合结算的具体步骤如下：
S301、构建载波相位观测方程，载波相位观测量是接收机测量得到的卫星信号的载波相位与同一测量时刻接收机产生的载波相位的差值，建立双差观测模型；
S302、扩展卡尔曼滤波方程，采用EKF将其进行线性化并求解，将每个观测历元的基准站和移动站的数据带入EKF中，解算出RTK定位的浮点解；
S303、在每个测量历元使用EKF更新未知矢量x后，解出移动站的位置、速度、单差浮点载波相位偏差和历元时间；通过求出载波相位固定解来提升定位精度和收敛时间；这是一个ILS问题，模型采用LAMBDA算法；最后通过比率检验验证解算结果的正确性。
进一步的，步骤S301中，Li频率的载波相位和伪距的双差方程如下：
其中，为载波相位校正项，上下的编号分别为卫星编号(j、k)和测站编号(r、b)，下同；为Li载波相位测量值，为Li伪距观测值；为卫星到接收机额额几何距离；λi为Li载波波长；εP为接收机伪距观测值误差；为Li载波相位偏差右上角是卫星标识；εΦ为：为接收机载波相位观测值误差；
载波相位校正项如下：
其中，t0为初始时间，φr,i(t)为Li频率接收机本地相位，为Li频率导航信号的相位，为Li载波相位整数模糊度，fi为Li载波频率，为Li接收机本振的初始相位，为Li在t0时刻发射的导航信号Li初始相位，c为光速，λi为Li载波波长。
进一步的，步骤S302中，采用EKF将其进行线性化并求解，未知矢量x(包含带求解目标的速度矢量和位置矢量)和其协方差矩阵P可由第tk历元的观测矢量yk估计出。
其中，为Li单差载波相位偏差，λi为Li载波波长；h(x)：测量模型向量；为卫星到接收机额额几何距离；E测量误差的协方差矩阵；RΦ,i为相位范围测量误差误差矩阵，为标准的Li相位范围测量误差；RP,i为伪距测量范围测量误差矩阵；为标准的Li伪距测量范围测量误差；
单差矩阵计算如下：
使用的为RTK静态定位，定义EKF方程中为：
其中，分别为tktotk+1中系统噪声随时间变化的过渡矩阵和协方差矩阵。
具体的，步骤S303中，如果解算结果通过检验，则得到整周模糊度的固定解，如果检验失败则仍未整周模糊度的浮点解；取得固定解后经过坐标差得到ENU偏移量。
进一步的，求解整周模糊度为一个整数二乘问题：
其中，为初始相位；QN为协方差；N为最合适的整周模糊度；
通过LAMBDA算法解算出整周模糊度后再采用比率检验，检验解的合法性，具体如下：
其中，Rthres为验证阀值，R为计算所得阀值。
具体的，步骤S4中，后台服务器还接收二维倾角传感器、裂缝监测仪，应力传感器、气象传感器、雷达防外破传感器及所属的视频拍照模块和喇叭的信息，从地质运动层面，铁塔自身姿态层面，周围气象影响层面，防外破保护设备安全层面，全面监测电力铁塔的各项指标，以曲线图、表格方式、视频/图片向后台人员展示并预警。
本发明的另一个技术方案是，一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测系统，包括基准站、监测站和后台服务器，基准站设在地质层上，能够实时进行卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测功能；监测站设在电力铁塔塔基上，能够实时进行卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测功能；
基准站包括电源系统、第一主控单元、第一北斗差分定位模块、第一GNSS天线、第一无线通信模块、第一天线、第一视频拍照模块和第一雷达防外破传感器，以基准墩为基准站的主体，基准墩建在监测站附近，天顶附近空域开阔，各个位置高度角10°以上无障碍物；且基准站选址在远离边坡变形区域、位置稳定、信号测试指标合格的地方；
第一无线通信模块负责和客户端通过天线进行通讯，通讯方式采用GPRS/3G通讯方式。
第一主控单元负责现场采集数据的收集和处理，同时接收客户端的命令，上送采集到的现场状态数据和处理客户端的命令、后台服务器远程查询和修改主控单元参数、配置、网络参数、第一北斗差分定位模块的采集频率；
第一北斗差分定位模块通过第一GNSS天线接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，通过第一主控单元发给后台服务器；
第一视频拍照模块采用高清球机，运用数字视频压缩技术采集现场高清视频/图片；
第一雷达防外破传感器用于基准站区域内监测是否有外物侵入；
电源系统包括第一太阳能电池板和第一蓄电池组，用于为基准站提供DC12V供电；
监测站包括电源模块、第二主控单元、第二北斗差分定位模块、第二GNSS天线、第二无线通信模块、第二天线、二维倾角传感器、第二雷达防外破传感、裂缝检测仪、第二视频拍照模块、喇叭、应力传感器、第二太阳能电池板和第二蓄电池组；监测站的主体为监测墩，周围电力铁塔区域上空开阔，区域内各个位置高度角10°以上无障碍物，信号测试指标合格的地方。
第二无线通信模块负责和客户端通过第二天线进行通讯，通讯方式为GPRS/3G通讯方式；
第二主控单元负责现场采集数据的收集和处理，同时接收客户端的命令，上送采集到的现场状态数据和处理客户端的命令，后台服务器远程查询和修改主控单元参数、配置、网络参数、各传感器采集频率；修改、查询定时拍照/视频的巡检时间、预置位角度配置参数；
第二北斗差分定位模块通过第二GNSS天线接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，通过第二主控单元发给后台服务器；
二维倾角传感器安装在铁塔上，采集顺线方向和横向方向上的倾斜度，用于监测铁塔水平面上是否有倾斜的情况发生；
第二雷达防外破传感器用于监测站区域内监测是否有外物侵入；
裂缝监测仪为位移计；
第二视频拍照模块采用高清球机，运用数字视频压缩技术采集现场高清视频/图片；
喇叭在发生外物入侵的情况下播放高分贝的固定喊话进行告警驱离该区域；
应力传感器安装在塔身上用于监测铁塔自身形变情况；
电源系统包括第二太阳能电池板和第二蓄电池组，用于为监测站提供DC12V供电。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法，采用整体功能设，基准站和监测站采用一体机结构设计，高度集成，简化机体结构，安装方便。基准站和监测站可分别按需求加装相应传感器，扩大采集数据类型，基准站和监测站所有数据发送到后台服务器整合，这样在后台服务器方便统一优化和升级模型，众所周知，因为后台服务器的强大计算能力和资源优势要比前端设备高，所以信号的后端软件，要比前端设备处理结算精度更高，而且这样处理另一方面也处理减少要去现场优化升级弊端，从而能为输电线路安全运行发挥极其重要作用。
进一步的，基准站是整个北斗差分定位的基石，基准站的数据出错，将会影响后台服务器端的结算精度和成活率，所以基准站相比较各监测站则拥有更加严格的校准机制和出错机制。
进一步的，监测站与基站站的分工不同，各监测站一般都是安装在输电线路铁塔易收到自然灾害危害的铁塔处，除过其基本的北斗差分监测功能之外，还安装其它监测传感器，其它监测传感器对铁塔的相应数据进行检测，方便后台服务器，全面掌控铁塔现场监测状况，所以对传感器的正确率和历史的储存提出更高要求，保证实时数据在任何情况下传送到后台服务器。
进一步的，系统采用三星座(北斗、GPS、GLONASS)进行联合结算，因为所有数据是传动到后台服务器中的解算模型中解算，所以后台服务器就可以在某系统信号中断的情况下，切换到两系统或者单北斗系统解算，避免在前端解算中系统崩溃的情况出现。
进一步的，因为在卫星系统中，卫星钟差和轨道误差不可避免，所以使用双差观测模型利用在两个或多个观测站同时对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响。
进一步的，观测方程是非线性方程，所以采用EKF将其进行线性化并求解北斗差分定位结合GNSS信号测量模型和对流层和电离层模型，围绕滤波值将非线性函数展开成泰勒级数并略去二阶及以上项，得到一个近似的线性化模型，然后应用卡尔曼滤波完成状态估计,得到DGPS/DGNSS的静态、运动学和运动基线模式的最终解，使用EKF算法具有更有效的跟跟踪系统，稳定性良好。
进一步的，用一个线性变换的组合来缩小整向量搜索空间，并在转换空间中提供了一个熟练的树搜索过程。通过以下简单的“比值检验”，验证了这些程序的整数向量解。在“比值检验”中，比值因子被定义为次优解加权残差平方和与最优解加权残差平方和的比值，用于检验解的可靠性。验证阈值可以通过处理选项“修复歧义的最小比率”来设置。这种方法稳定并且可靠性高。
进一步的，后台服务器接收北斗差分定位数据，并且在卫星星图中，卫星的SNR质量采用颜色来区分，其中灰色代表没有被使用，橙色意味着等待连接，深绿色意味着已连接或正在进行，浅绿色意味着数据活跃，红色意味着错误发生通信。除此之外，还接收二维倾角传感器等其他传感器信息，全面监测地质运动层面、铁塔自身姿态层面、周围气象和防外破自身保护设备，全面监测电力铁塔的各项指标，采用BS架构方式不但以曲线图、表格方式、视频/图片向后台人员展示并预警，而且还拥有人员权限和各权限操作显示功能，安全、高效的管理系统。
本发明还公开一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测系统，通过北斗系统和4G移动网络作为数据链路，融合了拍照监控、气象监测、北斗差分定位监测技术，集成差分定位系统和其它监测数据的一体机，采用北斗和GPS载波相位差分测量技术研制，可实时监控输电线路杆塔塔基滑移的3维空间偏移数据监控。通过综合分析多种监测方法的监测数据，确定地质灾害稳定状态及发展趋势，及时做出预测，防止或减轻灾害损失。采用微气象监控杆塔的实时气象参数，如温度、湿度、气压、风速、风向和雨量数据。采用高精度二位倾角传感器和应力传感器，实时监控输电线路铁塔自身姿态。采用裂缝检测仪，实时已经出现的裂缝移动情况。采用雷达喇叭监测警示设备，实时监控设备本身是否安全，利用喇叭进行声音驱赶，并拍摄报警照片发送给后台服务器。综合利用设备长期观监测资料，分析灾害体变形破坏机制和规律，检验在防治工程设计中所采用的理论模型及岩土体性质指标值的准确性，对已有的监测预报理论及模型进行验证改进，改善、提高监测预测预报技术方法。输电线路铁塔安全监测一直以来是电力输电线一个重要的课题，该系统可以使电网运检部门可以更加全面的掌控电力铁塔的姿态，给因输电线铁塔自身或者地质灾害造成的事故，可以做到提前预防，及时维修，保证电力铁塔安全、稳定的、正常的运行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为本发明系统基准站框图；
图3为本发明系统监测站框图；
图4为本发明系统后台框图。
其中：1.第一太阳能电池板；2.第一蓄电池组；3.第一主控单元；4.第一北斗差分定位模块；5.第一GNSS天线；6.第一无线通信模块；7.第一天线；8.第一视频拍照模块；9.第一雷达防外破传感器；10.第二主控单元；11.第二北斗差分定位模块；12.第二GNSS天线；13.第二无线通信模块；14.第二天线；15.二维倾角传感器；16.第二雷达防外破传感器；17.裂缝检测仪；18.第二视频拍照模块；19.喇叭；20.应力传感器；21.第二太阳能电池板；22.第二蓄电池组。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
请参阅图1，本发明提供了一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测系统，包括前段监控设备和后台服务器，前段监控设备包括基准站和监测站；基准站设在地质层稳定的地方，具备实时进行卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测等功能；监测站设在电力铁塔塔基上，具备实时进行卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测等功能，跟塔属于同一地质层上。
请参阅图2，基准站包括电源系统、第一主控单元3、第一北斗差分定位模块4、第一GNSS天线5、第一无线通信模块6、第一天线7、第一视频拍照模块8和第一雷达防外破传感器9，以基准墩为基准站的主体，天顶附近空域开阔，各个位置高度角10°以上无障碍物；并且基准站选址在远离边坡变形区域、位置稳定、信号测试指标合格的地方。
第一无线通信模块6：负责和用户系统通过天线7进行通讯，通讯方式可以根据用户需要进行选择，可以选择GPRS/3G通讯方式。
第一主控单元3：负责现场采集数据的收集和处理，同时接收客户端的命令，上送采集到的现场状态数据和处理客户端的命令、后台可以远程查询和修改主控单元参数、配置、网络参数、第一北斗差分定位模块4采集频率。
第一北斗差分定位模块4：通过第一GNSS天线5，接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，通过第一主控单元3发给后台服务器。
第一视频拍照模块8：采用高清球机，运用先进的数字视频压缩技术采集现场高清视频/图片。
第一雷达防外破传感器9：通过雷达原理在一定的距离内、在一定合理的角度区域内监测是否有外物侵入。
电源系统：由第一太阳能电池板1和第一蓄电池组2组成系统供电单元；第一蓄电池组2可采用高性能的铅酸电池、磷酸铁锂、镁基电池、硅能电池和纤维式镍镉电池。
工作流程如下：
第一北斗差分定位模块4经过第一GNSS天线5得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号，在三系统星座的综合计算下，得出基准站的准确定位经纬度信息，再传到第一主控单元3上，第一主控单元3负责过滤干扰数据，第一主控单元3收到第一北斗差分定位模块4传来的数据，按照协议以及后台给第一主控单元3的上传频率，由第一无线通信模块6上传给后台，第一太阳能电池板1和第一蓄电池组2分别给第一主控单元3、第一北斗差分定位模块4、第一GNSS天线5、第一无线通信模块6和第一天线7供电，供电电压为DC 12V。
请参阅图3，监测站包括电源模块、第二主控单元10、第二北斗差分定位模块11、第二GNSS天线12、第二无线通信模块13、第二天线14、二维倾角传感器15、第二雷达防外破传感16、裂缝检测仪17、第二视频拍照模块18、喇叭19、应力传感器20、第二太阳能电池板21和第二蓄电池组22；监测站的主体为监测墩，周围电力铁塔区域上空开阔，区域内各个位置高度角10°以上无障碍物，信号测试指标合格的地方。
第二无线通信模块13：负责和用户系统通过第二天线14进行通讯，通讯方式可以根据用户需要进行选择，可以选择GPRS/3G/4G通讯方式。
第二主控单元10：负责现场采集数据的收集和处理，同时接收客户端的命令，上送采集到的现场状态数据和处理客户端的命令，后台可以远程查询和修改主控单元参数、配置、网络参数、各传感器采集频率；修改、查询定时拍照/视频的巡检时间、预置位角度配置参数。
第二北斗差分定位模块11：通过第二GNSS天线12，接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，通过第二主控单元10发给后台服务器。
二维倾角传感器15：在铁塔上安装，采集顺线方向和横向方向上的倾斜度，监测铁塔水平面上是否有倾斜的情况发生，高精度低功耗。
第二雷达防外破传感器16：通过雷达原理在一定的距离内、在一定合理的角度区域内监测是否有外物侵入。
裂缝监测仪17：采用主要设备为位移计，它主要采用可伸缩测杆。安装简单，使用方便，选择待机机的状态下不消耗电能，需要监测时，通过系统软件控制开启即可，不需要人工进行干预。
第二视频拍照模块18：采用高清球机，运用先进的数字视频压缩技术采集现场高清视频/图片。
喇叭19：在发生外物入侵的情况下，播放高分贝的固定喊话进行告警驱离该区域。
应力传感器20：安装在塔身易受损地方，监测铁塔自身形变情况。
电源系统：由第二太阳能电池板21和第二蓄电池组22组成系统供电单元，第二蓄电池组22可采用高性能的铅酸电池、磷酸铁锂、镁基电池、硅能电池和纤维式镍镉电池。
工作流程如下：
第二北斗差分定位模块11经过第二GNSS天线12得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号，在三系统星座的综合计算下，得出基准站的准确定位经纬度信息，再传到第二主控单元10上，第二主控单元10收到第二北斗差分定位模块11传来的数据，按照协议和后台给第二主控单元10的上传频率由第二无线通信模块13上传给后台，第二太阳能电池板21和第二蓄电池组22分别给第二主控单元10、第二北斗差分定位模块11、第二GNSS天线12、第二无线通信模块13、第二天线14、二维倾角传感器15、第二雷达防外破传感器16、裂缝检测17、第二视频拍照模块18、喇叭19和应力传感器20供电，供电电压为DC 12V。
第二主控单元10在收到其他传感器的数据后，第二主控单元10上负责过滤告干扰数据，极端平均值、极值和极大值的处理，其中存储单元在第二无线通信模块13出现通讯故障的时候，对传感器传来的、经过处理后的有效数据进行循环存储，以便在第二无线通信模块13恢复通信之后，给后台传回历史数据，还可以对第二北斗差分定位模块11、第二GNSS天线12、二维倾角传感器15、第二雷达防外破传感器16、裂缝检测仪17、第二视频拍照模块18和应力传感器20的采集频率：对第二视频拍照模块18的巡检时间、预置位角度和拍照参数设置查询；如果第二雷达防外破传感器16监测到有外物闯入报警的情况发生，系统会自动通过喇叭19播放高分贝固定喊话进行声音警告与驱离，同时第二视频拍照模块18采集现场的视频/图片，按照之前约定的协议分包传给后台服务器。
北斗系统是由5颗静止轨道卫星、30颗非静止轨道卫星组成的定位系统星座。辅助GPS和GLONASS差分定位星座。在天上为本系统前端的基准站和监测站提供定位数据支持。
本发明一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法，包括以下步骤：
S1、基准站手动加电测量或者按照测量频率自动加电采集，利用已知的基准站坐标实时更新自身经纬度信息，实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等传送给后台服务器，防止自身经纬度不准，从而影响监控中心后台解算精度；
第一北斗差分定位模块4经第一GNSS天线5得到北斗/GPS/GLONASS三种系统星座数据，对比数据，得到基准站自身一个高精度的位置信息，再传到第一主控单元3上，第一主控单元3上负责过滤干扰数据，第一主控单元3收到第一北斗差分定位模块4传来的数据，按照协议以及后台给第一主控单元3的上传频率，由第一无线通信模块6上传给后台，后台把所受到的该站数据存储到存储服务器中。
S2、监测站开始工作，将数据发送给后台服务器；
第二北斗差分定位模块11经过第二GNSS天线12得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号数据，再传到第二主控单元10上，第二主控单元10收到第二北斗差分定位模块11传来的数据，按照协议和后台给第二主控单元10的上传频率由第二无线通信模块13上传给后台服务器；
第二主控单元10收到第二GNSS天线12、第二无线通信模块13、二维倾角传感器15、第二雷达防外破传感器16、裂缝检测仪17、第二视频拍照模块18、喇叭19和应力传感器20的数据，第二主控单元10负责过滤干扰数据，极端平均值、极值和极大值的处理，其中存储单元在第二无线通信模块13出现通讯故障的时候，对所有传感器传来的、经过处理后的有效数据进行循环存储，以便在第二无线通信模块13恢复通信之后，向后台服务器传回历史数据，还对第二北斗差分定位模块11、第二GNSS天线12、二维倾角传感器15、第二雷达防外破传感器16、裂缝检测仪17、第二视频拍照模块18和应力传感器20的采集频率；对第二视频拍照模块18的巡检时间、预置位角度和拍照参数进行设置和查询；如果第二雷达防外破传感器16监测到有外物闯入报警的情况出现，系统会自动通过喇叭19播放高分贝固定喊话进行声音警告，驱离外物离开本设备所在的区域，同时第二视频拍照模块18采集现场指定预置位的视频/图片，按照之前约定的协议分包传给后台服务器，后台服务器把收到的数据存储到存储服务器中。
S3、基准站和监测站把自身电文以RTCM格式或自定义格式通过通信网络传给后台服务器，然后在后台服务器解算；后台服务器根据需要进行单系统(如只北斗)或多系统(二、三系统)联合结算；
S301、双差观测模型的建立
构建载波相位观测方程，载波相位观测量是接收机测量得到的卫星信号的载波相位与同一测量时刻接收机产生的载波相位的差值。
双差观测方程是使用双差测量模型，卫星和接收机的钟差，电离层和对流层影响和一些其他改正项消除如下：
其中，t0为初始时间；φr,i(t)为Li频率接收机本地相位；为Li频率导航信号的相位，为Li载波相位整数模糊度，fi为Li载波频率，为Li接收机本振的初始相位，为Li在t0时刻发射的导航信号Li初始相位，c为光速，λi为Li载波波长；Li频率的载波相位和伪距的双差方程如下：
其中，为载波相位校正项，短基线情况下可忽略，上下的编号分别为卫星编号(j、k)和测站编号(r、b)，下同；为Li载波相位测量值，为Li伪距观测值；为卫星到接收机额额几何距离；λi为Li载波波长；εP为接收机伪距观测值误差；为Li载波相位偏差右上角是卫星标识；εΦ为接收机载波相位观测值误差。
S302、扩展卡尔曼滤波方程
由于观测方程并不是线性方程，所以采用EKF将其进行线性化并求解，未知矢量x(包含带求解目标的速度矢量和位置矢量)和其协方差矩阵P可由第tk历元的观测矢量yk估计出。
其中，为Li单差载波相位偏差，λi为Li载波波长；h(x)为测量模型向量；为卫星到接收机额额几何距离；E为测量误差的协方差矩阵；RΦ,i为相位范围测量误差误差矩阵；为标准的Li相位范围测量误差；RP,i为伪距测量范围测量误差矩阵；为标准的Li伪距测量范围测量误差；
单差矩阵计算如下：
使用的为RTK静态定位，定义EKF方程中为：
其中，分别为tktotk+1中系统噪声随时间变化的过渡矩阵和协方差矩阵。
将每个观测历元的基准站和移动站的数据带入EKF中，即可解算出RTK定位的浮点解。
S303、整周模糊度解算
在每个测量历元使用EKF更新了未知矢量x后，即解出移动站的位置、速度、单差浮点载波相位偏差和历元时间；通过求出载波相位固定解来提升定位精度和收敛时间；这是一个ILS(integer least square)问题，模型采用LAMBDA算法；最后通过比率检验验证解算结果的正确性。
求解整周模糊度为一个整数二乘问题：
其中，为初始相位；QN为协方差；N为最合适的整周模糊度；
采用LAMBDA算法通过树搜索的方式缩减了索空间，提升效率。通过LAMBDA算法解算出整周模糊度后再采用比率检验，检验解的合法性，具体如下：
其中，Rthres为验证阀值；R为计算所得阀值；
如果解算结果通过检验，则得到整周模糊度的固定解，如果检验失败则仍未整周模糊度的浮点解。
取得固定解(即FIX值)，这时的解还是基于WGS-84坐标系，需要再经过坐标差得到ENU偏移量。
S4、后台服务器及处理软件处理，得到基准站所在的三维位置，根据此三维位置换算为经纬度和海拔高度，得到监测站的厘米级精度空间移位。
基准站和监测站是两套独立的实时北斗载波差分接收处理站，它们分别独立地将北斗卫星的有关信息数据，通过无线专网传输到数据处理中心，经由防火墙传入内网服务器，后台服务器布设基站管理系统和差分解算系统，数据处理中心对基准站和监测站的数据进行解算。若空中有足够的卫星，用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，可以将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，得到监测站的厘米级精度空间移位。
除此之外，二维倾角传感器15、裂缝监测仪17，应力传感器20、气象传感器、雷达防外破传感器及所属的视频拍照模块和喇叭，从地质运动层面，铁塔自身姿态层面，周围气象影响层面，防外破保护设备安全层面，全面监测电力铁塔的各项指标，在后台以曲线图、表格方式、视频/图片向后台人员展示并预警，以数据库的方式安全存储数据，运用更好的人机交互界面，全面的指标显示，合理科学的预警机制，保证电力铁塔正常安全运行。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本系统采用北斗卫星差分定位系统、多维形变实时监测和配套的传感器组成。北斗卫星差分定位系统完成基准站和监测站地理定位的要求，监控电力铁塔地质层面的变化；多维形变实时监测对电力铁塔本身形变和倾斜、附件山体裂缝的变化情况、监测站周边24小时天气情况的监测；其他配套传感器在主要的监控之外，防御监测站在有意或无意，人为或者非人为情况下遭到破快，如有外物闯入的情况发生，系统采取高分贝声音告警驱逐，并以视频/图片的方式保留现场证据资料。通过多种传感器、多种监测手段保证监测站安全有效的运行。
1)北斗卫星差分定位系统
北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统。正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置，原理如下：
因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。
北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。为提高定位精度，还可使用差分技术。在地面上建立基准站，将其已知的精确坐标与通过导航系统给出的坐标相比较，可以得出修正数，对外发布，用户终端依靠此修正数，可以将自己的导航系统计算结果进行再次的修正，从而提高精度，这理论也就是下面要提到的RTK技术。
RTK(Real time Kinematic)技术即实时载波相位差分技术，是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法，它分为基准站和监测站。
基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等传送给后台服务器，监测站通过与基准站相同原理将数据发送给后台服务器数据库，后台服务器分析软件通过将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和测量站每个点的WGS-84坐标，通过坐标转换参数转换投影得出测量站相对于基准站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H。
在测量过程中，无论基准站和测量站之间距离大小，系统都有一个固定误差L固；与此同时，还存在一个ppm(百万分之一)的误差Lppm，这个误差和两站之间的距离成正比，最终的总误差计算如下：
L总误差＝L固+Lppm (1-1)
2)多维形变实时监测
为了保证系统的可靠性、全面监测电力铁塔塔身及地基的位移情况和减少系统判断的误差。需要多种传感器监测联合监测。除过北斗卫星差分定位之外，还需要以下传感器：
高精度二维倾角传感器；裂缝监测仪；气象传感器(温度、湿度、气压、风速、风向、雨量)；应力传感器。
高精度二维倾角传感器是现阶段电网公司最常用的监测手段，一般放在塔顶或者2/3杆塔高度处，系统内置高精度差分转换器，配备强大的数字处理系统，配合“误差补偿”与“动态补偿”技术，保证了测试的精确性与稳定性。通常在铁塔上安装，一个轴放在水平面上同输电线路行进的方向，即顺线倾斜度，另一个轴在水平面上垂直于输电线的方向，即横向倾斜度，最终测量电力铁塔在二维平面上的综合倾斜度。如果这个二维方向任何一个轴线有所倾斜，则代表塔的姿态有倾斜险情出现，所以采用高精度二维倾角传感器是为了防止杆塔倾斜以及由于导线不均匀覆冰、脱冰等引起的塔头倾斜，及时给出抢修时间，有效的防止倒塔、折塔等重大事故的发生。
裂缝监测仪通常是在已经发生地裂的裂缝上安装，按时监控缝隙的变化情况。当被测结构物发生变形时将会引起位移计的位移，经万向连轴节传递给二级机械负放大机构，经负放大后的位移传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的位移量。裂缝监测仪在现场距离监测站主机距离不定，为了减少裂缝监测仪的复杂程度，采取有线的方式连接主机，既避免多加电源设备，而且能保证数据稳定性。
气象传感器是全天候监测监测站周边气象情况，监测是否有雨雪、大风、暴雨恶劣天气，及时可靠的了解到天气数据，通过长期积累大量的气象数据，为后台综合分析现场情况提供依据。
应力传感器是安装在塔身易受损地方，监测铁塔自身形变情况。
3)其他配套传感器
与此同时，还需要防外破传感器协助，如：雷达防外破传感器、喇叭、高清摄像机。
雷达防外破传感器的作用是在一定的距离内，在合适的安装角度上，防止外力无关人员或者非人为行为破坏设备，以免造成损失。
喇叭的功能在微波防入侵传感器监测到有入侵行为时，采取播放高分贝固定录音实施现场及时警告驱逐。
高清摄像机在雷达防外破传感器告警时或者巡检时间节点，在后台可以及时通过视频或者照片的方式查看现场的实时情况，有外力入侵可以保留现场证据；在普通时间节点自动捕捉现场特定位置的视频或者照片；也可在后台通过手动的方式随时查看实时视频/照片。
基准站和监测站分别接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，发送到后台数据库，再由后台结算软件分析得出监测站相对于基准站的位置信息。精度可以达到厘米级。
a)系统特点
提供北斗/GPS/GLONASS三系统联合定位，支持移动基准站的RTK功能；
可集成杆塔倾、气象监测(温度、湿度、风速、风向、雨量)、高清拍照及高清视频和地面监测设备的雷达防盗监测功能；
装置功耗低、体积小，方便部署；
位移及形变监测精度高，可到厘米级；
软件系统具备位移及形变趋势分析、展示功能，从而能够发现潜在的缓慢的灾害的发生；
通讯方式多样，可采用GPRS/3G/4G、光纤、北斗短报文等进行通信；
采用军工级部件，可在强电磁干扰、高海拔、高温湿环境使用。
b)技术参数
表1输电线路多维形变实时监测装置技术参数
3)后台服务器及处理软件
基准站和监测站是两套独立的实时北斗载波差分接收处理站，它们分别独立地将北斗卫星的有关信息数据，通过无线专网传输到数据处理中心，经由防火墙传入内网服务器，后台服务器布设基站管理系统和差分解算系统，数据处理中心对基准站和监测站的数据进行解算，参照三球交汇定位的原理，根据3颗卫星到用户终端的距离信息，根据三维的距离公式，依靠列出3个方程得到用户终端的位置信息，即理论上使用3颗卫星就可达成无源定位，但由于卫星时钟和用户终端使用的时钟间有误差，而电磁波以光速传播，微小的时间误差将会使得距离信息出现巨大失真，实际上应当认为时钟差距不是0而是一个未知数t，如此方程中就有4个未知数，即客户端的三位坐标(X，Y，Z)，以及时钟差距t，故需要4颗卫星来列出4个关于距离的方程式，最后才能求得答案，即基准站所在的三维位置，根据此三维位置可以进一步换算为经纬度和海拔高度。若空中有足够的卫星，用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，可以将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，得到监测站的厘米级精度空间移位。
本系统还在北斗卫星定位的基础上，再加入GPS和GLONASS的定位结果，综合三系统坐标结算后，把解算结果经由传入内网服务器，数据内网中数据是数据以sql数据流形式在内网中传输，禁止一切应用程序进程，确保数据流通于指定数据库中，保证数据安全，后台结构框图如图4所示。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基准站加电测量或者增加测量频率，利用已知的基准站坐标实时更新自身经纬度信息，实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标以RTCM格式或自定义格式通过4G网络传送给后台服务器；
S2、监测站采集现场收集并处理，同时接收客户端的命令，以RTCM格式或自定义格式通过4G网络上传采集到的现场状态数据和处理客户端的命令至后台服务器；
S3、后台服务器接收基准站和监测站发送的信息，根据需要进行单系统或多系统联合解算；
S4、后台服务器根据基准站所在的三维位置换算为经纬度和海拔高度，得到监测站相对于基准站的位置信息完成实时监测。
2.根据权利要求1所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S1中，基准站内设置的第一北斗差分定位模块经过第一GNSS天线得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号，在三系统星座的综合计算下得出基准站的准确定位经纬度信息，再发送至第一主控单元，第一主控单元过滤掉干扰数据并接收第一北斗差分定位模块传来的数据，按照协议以及后台服务器给第一主控单元的上传频率，由第一无线通信模块上传给后台服务器。
3.根据权利要求1所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S2中，监测站内设置的第二北斗差分定位模块经过第二GNSS天线得到北斗/GPS/GLONASS的卫星信号，在三系统星座的综合计算下得出基准站的准确定位经纬度信息，再发送至第二主控单元，第二主控单元接收第二北斗差分定位模块发送的数据，按照协议和后台服务器给第二主控单元的上传频率，由第二无线通信模块将信息上传给后台服务器。
4.根据权利要求1所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S3中，联合结算的具体步骤如下：
S301、构建载波相位观测方程，载波相位观测量是接收机测量得到的卫星信号的载波相位与同一测量时刻接收机产生的载波相位的差值，建立双差观测模型；
S302、扩展卡尔曼滤波方程，采用EKF将其进行线性化并求解，将每个观测历元的基准站和移动站的数据带入EKF中，解算出RTK定位的浮点解；
S303、在每个测量历元使用EKF更新未知矢量x后，解出移动站的位置、速度、单差浮点载波相位偏差和历元时间；通过求出载波相位固定解来提升定位精度和收敛时间；这是一个ILS问题，模型采用LAMBDA算法；最后通过比率检验验证解算结果的正确性。
5.根据权利要求4所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S301中，Li频率的载波相位和伪距的双差方程如下：
其中，为载波相位校正项，上下的编号分别为卫星编号(j、k)和测站编号(r、b)，下同；为Li载波相位测量值，为Li伪距观测值；为卫星到接收机额额几何距离；λi为Li载波波长；εP为接收机伪距观测值误差；为Li载波相位偏差右上角是卫星标识；εΦ为：为接收机载波相位观测值误差；
载波相位校正项如下：
其中，t0为初始时间，φr,i(t)为Li频率接收机本地相位，为Li频率导航信号的相位，为Li载波相位整数模糊度，fi为Li载波频率，为Li接收机本振的初始相位，为Li在t0时刻发射的导航信号Li初始相位，c为光速，λi为Li载波波长。
6.根据权利要求4所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S302中，采用EKF将其进行线性化并求解，未知矢量x(包含带求解目标的速度矢量和位置矢量)和其协方差矩阵P可由第tk历元的观测矢量yk估计出，
其中，为Li单差载波相位偏差，λi为Li载波波长；h(x)：测量模型向量；为卫星到接收机额额几何距离；E测量误差的协方差矩阵；RΦ,i为相位范围测量误差误差矩阵，为标准的Li相位范围测量误差；RP,i为伪距测量范围测量误差矩阵；为标准的Li伪距测量范围测量误差；
单差矩阵计算如下：
使用的为RTK静态定位，定义EKF方程中为：
其中，分别为tkto tk+1中系统噪声随时间变化的过渡矩阵和协方差矩阵。
7.根据权利要求1所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S303中，如果解算结果通过检验，则得到整周模糊度的固定解，如果检验失败则仍未整周模糊度的浮点解；取得固定解后经过坐标差得到ENU偏移量。
8.根据权利要求7所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，求解整周模糊度为一个整数二乘问题：
其中，为初始相位；QN为协方差；N为最合适的整周模糊度；
通过LAMBDA算法解算出整周模糊度后再采用比率检验，检验解的合法性，具体如下：
其中，Rthres为验证阀值，R为计算所得阀值。
9.根据权利要求1所述的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统，其特征在于，步骤S4中，后台服务器还接收二维倾角传感器、裂缝监测仪，应力传感器、气象传感器、雷达防外破传感器及所属的视频拍照模块和喇叭的信息，从地质运动层面，铁塔自身姿态层面，周围气象影响层面，防外破保护设备安全层面，全面监测电力铁塔的各项指标，以曲线图、表格方式、视频/图片向后台人员展示并预警。
10.一种利用权利要求1所述监测方法的基于差分定位的输电线路多维形变实时监测系统，其特征在于，包括基准站、监测站和后台服务器，基准站设在地质层上，能够实时进行卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测功能；监测站设在电力铁塔塔基上，能够实时进行卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测功能；
基准站包括电源系统、第一主控单元(3)、第一北斗差分定位模块(4)、第一GNSS天线(5)、第一无线通信模块(6)、第一天线(7)、第一视频拍照模块(8)和第一雷达防外破传感器(9)，以基准墩为基准站的主体，基准墩建在监测站附近，天顶附近空域开阔，各个位置高度角10°以上无障碍物；且基准站选址在远离边坡变形区域、位置稳定、信号测试指标合格的地方；
第一无线通信模块(6)负责和客户端通过天线(7)进行通讯，通讯方式采用GPRS/3G通讯方式；
第一主控单元(3)负责现场采集数据的收集和处理，同时接收客户端的命令，上送采集到的现场状态数据和处理客户端的命令、后台服务器远程查询和修改主控单元参数、配置、网络参数、第一北斗差分定位模块(4)的采集频率；
第一北斗差分定位模块(4)通过第一GNSS天线(5)接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，通过第一主控单元(3)发给后台服务器；
第一视频拍照模块(8)采用高清球机，运用数字视频压缩技术采集现场高清视频/图片；
第一雷达防外破传感器(9)用于基准站区域内监测是否有外物侵入；
电源系统包括第一太阳能电池板(1)和第一蓄电池组(2)，用于为基准站提供DC12V供电；
监测站包括电源模块、第二主控单元(10)、第二北斗差分定位模块(11)、第二GNSS天线(12)、第二无线通信模块(13)、第二天线(14)、二维倾角传感器(15)、第二雷达防外破传感(16)、裂缝检测仪(17)、第二视频拍照模块(18)、喇叭(19)、应力传感器(20)、第二太阳能电池板(21)和第二蓄电池组(22)；监测站的主体为监测墩，周围电力铁塔区域上空开阔，区域内各个位置高度角10°以上无障碍物，信号测试指标合格的地方；
第二无线通信模块(13)负责和客户端通过第二天线(14)进行通讯，通讯方式为GPRS/3G通讯方式；
第二主控单元(10)负责现场采集数据的收集和处理，同时接收客户端的命令，上送采集到的现场状态数据和处理客户端的命令，后台服务器远程查询和修改主控单元参数、配置、网络参数、各传感器采集频率；修改、查询定时拍照/视频的巡检时间、预置位角度配置参数；
第二北斗差分定位模块(11)通过第二GNSS天线(12)接收北斗/GPS/GLONASS星座卫星的定位数据，通过第二主控单元(10)发给后台服务器；
二维倾角传感器(15)安装在铁塔上，采集顺线方向和横向方向上的倾斜度，用于监测铁塔水平面上是否有倾斜的情况发生；
第二雷达防外破传感器(16)用于监测站区域内监测是否有外物侵入；
裂缝监测仪(17)为位移计；
第二视频拍照模块(18)采用高清球机，运用数字视频压缩技术采集现场高清视频/图片；
喇叭(19)在发生外物入侵的情况下播放高分贝的固定喊话进行告警驱离该区域；
应力传感器(20)安装在塔身上用于监测铁塔自身形变情况；
电源系统包括第二太阳能电池板(21)和第二蓄电池组(22)，用于为监测站提供DC12V供电。
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