CN110579787A - 基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法 - Google Patents

基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，包括以下步骤：实时采集三个天线卫星观测数据，根据原始观测数据质量判断是否符合铁塔三维姿态角解算要求，若符合，则通过北斗高精度定位差分解算和姿态测量算法获得电力铁塔实时三维姿态角度数据；否则进行解算初始化，重新采集下一时刻的卫星观测数据；对依托于历史数据库的人工智能和专家经验方法及电力铁塔运行规程要求，构建电力铁塔高精度倾斜监测分类分级预警标准，通过对比铁塔三维姿态角初始值、当前姿态结果及历史数据，开展铁塔倾斜形变趋势预测，并及时通知线路铁塔运维管理人员。本发明可对电力铁塔进行全天候、高精度三维姿态角度监测，有力提升电力铁塔安全监测及预警水平。

Description

基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法
技术领域
本发明涉及输电线路电力铁塔监测技术领域，具体涉及一种基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法。
背景技术
输电线路电力铁塔的稳定可靠是输电线路安全运行的重要保障，因输电线路输送距离长、沿途环境条件恶劣、地质地形复杂、气候多变，同时受到线路周边各种工程施工、采矿等人为活动影响，对电力铁塔安全状况造成巨大威胁，如铁塔关键部位断裂、倾斜、倒塌、整体滑移等现象时有发生。目前，电力铁塔监测主要依靠人工巡检和传感器监测的方式，人工巡检和传统传感器监测方式存在效率低、周期长、成本高，难以发现铁塔微量趋势变化，且现有铁塔倾斜监测传感器难以对铁塔的三维姿态进行测量，无法满足铁塔全天候精准监测和事故提前预判等需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，可对电力铁塔进行全天候、高精度三维姿态角度监测，有力提升电力铁塔安全监测及预警水平。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，包括以下步骤：
(1)在电力铁塔上关键位置部署三个北斗测量天线，通过北斗定位测姿接收机实时采集三个天线的北斗原始观测数据，并检查数据质量；
(2)若数据质量正常，符合高精度三维姿态角解算要求，则先通过北斗高精度定位差分解算，获得电力铁塔主天线-副天线1和主天线-副天线2两条基线向量数据；
(3)利用两条基线向量结果和电力铁塔高精度倾斜监测模型，融合大地坐标系、载体坐标系及当地水平坐标系，通过姿态测量算法进行铁塔三维姿态角计算，输出铁塔当前姿态结果，该结果包括偏航角、俯仰角、横滚角；
(4)通过对比铁塔三维姿态角初始值、当前姿态结果及历史数据，开展铁塔倾斜形变趋势预测。
(5)判断铁塔三维姿态角度变化数据是否超过所设定阈值，若超过阈值，按照预定义报警级别多手段及时通知线路铁塔运维管理人员。
上述方案的步骤(2)中，所述通过北斗高精度定位差分解算获得电力铁塔主天线-副天线1和主天线-副天线2两条基线向量数据，具体包括以下步骤：
(21)由主天线-副天线1和主天线-副天线2组成主基线和副基线两条基线，对每条基线分别进行差分解算；
(22)利用北斗原始观测值进行载波相位单差和双差解算，建立双差载波相位观测方程；
(23)求解双差载波相位观测方程，并利用最小二乘法获得两条基线的坐标改正量和整周模糊度实数解；
(24)由双差整周模糊度的浮点解，经过LAMBDA算法，获得双差固定整周模糊度；
(25)将固定的整周模糊度回代双差载波相位观测方程，计算得到主基线和副基线的向量坐标。
上述方案的步骤(3)中，所述通过姿态测量算法进行铁塔三维姿态角计算，获得铁塔当前姿态结果，具体包括以下步骤：
(31)在权利要求1的步骤(2)中获得大地坐标；
(32)将主基线和副基线的基线向量坐标转换为当地水平坐标系下的坐标；
(33)将主基线在当地水平坐标系的向量坐标，通过姿态测量算法计算电力铁塔的偏航角和俯仰角；
(34)将副基线在当地水平坐标系的向量坐标，通过姿态测量算法计算电力铁塔的偏横滚角。
由上述技术方案可知，本发明所述的监测方法，可以对电力铁塔进行全天候、全天时、自动化监测，能够采集各种复杂环境下被监测铁塔的三维精确姿态角度数据，从而可全方位敏锐的诊断铁塔的倾斜状态,有力提升电力铁塔安全监测及预警水平,同时也推动输电线路电力铁塔巡检业务向立体化、智能化方向转变。依托于历史数据库的人工智能和专家经验方法及电力铁塔运行规程要求，构建电力铁塔高精度倾斜监测分类分级预警标准，通过对比铁塔三维姿态角初始值、当前姿态结果及历史数据，开展铁塔倾斜形变趋势预测，并及时通知线路铁塔运维管理人员，对于不同等级电力铁塔安全预警、提前防范、决策具有重要意义，可有效补充并提高当前输电线路地质灾害监测手段和效率。
附图说明
图1是本发明的电力铁塔的结构示意图；
图2是图1中铁塔A-B的截面图；
图3是本发明三个天线组成的三维姿态图；
图4是本发明的三维姿态角度模型图；
图5是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-3所示，本实施例的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，在电力铁塔上关键位置部署三个北斗高精度测量型天线，为主天线、副天线1和副天线2。图1中a表示基础，b表示塔头，c表示塔身，d表示塔腿。图2、3中，A1表示主天线，A2表示负天下1，A3表示副天线3。三个天线组成的两条基线能够全方位反映铁塔三维姿态角度情况，其中主天线和副天线1部署在所监测铁塔主轴方向上，主天线-副天线1构成的主基线能够确定铁塔偏航角和俯仰角两个姿态角数据；副天线2部署在与主轴方向垂直方向上，与主天线构成的副基线能够确定铁塔横滚角数据。
如图4所示，本发明反映电力铁塔三维姿态角，涉及地心地固坐标系、载体坐标系、当地水平坐标系之间的转换和铁塔三维姿态角的定义。
地心地固坐标系(ECEF)：原点O为地球质也，Z轴指向地球北极,X轴指向格林威治子午线与赤道的交点,Y轴与X和Z轴构成右手直角坐标系。北斗系统采用的地心地固坐标系为我国当前国家大地坐标系。
载体坐标系(BFS):原点为主天线的相位中心,Y轴与铁塔主轴重合,X轴垂直于Y轴指向载体右侧，Z轴与X、Y轴正交构成右手坐标系。
当地水平坐标系(LLS)：姿态测量中的参考坐标系，其原点位于主天线的相位中心，Y轴指向当地北子午线，X轴与Y轴垂直指向东，Z轴与X、Y轴正交，服从右手坐标系。
本发明中的铁塔三维姿态角为铁塔(具体由主、副基线表达)相对于当地水平坐标系的三个欧拉角，在图4中铁塔的偏航角、俯仰角和横滚角分别由Ψ、θ和Φ表示。偏航角Ψ为主基线矢量在当地水平面上的投影与当地水平坐标系Y轴的所构成的夹角；俯仰角θ为主基线矢量与当地水平面所构成的夹角；横滚角Φ为沿主基线旋转，载体坐标系X轴和当地水平面的交线与载体坐标系X轴的夹角。
如图5所示，通过天线馈线方式将卫星信号实时传输至北斗定位测姿接收机，并进行电力铁塔三维姿态角数据解算，实现电力铁塔全天候、高精度倾斜监测。
本实施例的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，具体包括以下步骤：
S1：北斗定位测姿接收机实时采集三个天线的北斗原始观测数据，并检查数据质量；
采集三个天线的北斗原始观测数据，检查各天线当前时刻的导航电文和观测数据，判断该监测区域数据质量是否符合实时高精度三维姿态角解算要求。
S2：若数据质量正常，符合高精度三维姿态角解算要求，则先通过北斗高精度定位差分解算，获得电力铁塔主天线-副天线1和主天线-副天线2两条基线向量数据，具体如下：
S21：主天线、副天线1和副天线2在当前历元时刻采集卫星信号并解析为卫星导航电文和伪距、载波相位等观测值数据；
S22：利用载波相位观测值进行单差和双差解算，建立简化的双差载波相位观测方程：
式(1)中，λ为载波波长，为t时刻基线的载波相位观测量双差值，为观测历元t由卫星j至天线i的码伪距，为双差整周模糊度。
S23：求解双差载波相位观测方程，并利用最小二乘法获得两条基线的坐标改正量和双差整周模糊度浮点解，按最小二乘法构造方程式：
ΔY＝-N-1U (2)
式(2)中，N＝(A B)TP(A B)，U＝(A B)TPL，
其中，A为观测量系数，B为单位矩阵，L为观测噪声矢量，P为权阵，δX为基线向量，为双差整周模糊度。
S24：由双差整周模糊度的浮点解，经过LAMBDA算法，获得双差固定整周模糊度；
S25：将固定的整周模糊度回代双差载波相位观测方程，计算得到大地坐标系下主基线向量坐标(ΔX1，ΔY1，ΔZ1)和副基线向量坐标(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)。
S3：利用两条基线向量坐标和电力铁塔高精度倾斜监测模型，融合大地坐标系、载体坐标系及当地水平坐标系，通过姿态测量算法进行铁塔三维姿态角计算，输出铁塔当前姿态结果(偏航角、俯仰角、横滚角)，具体如下：
由差分解算的两条基线向量坐标是在大地坐标系下的坐标，要将测得大地坐标转换到LLS坐标。主基线在当地水平坐标系下的向量坐标转化公示如(3)所示：
副基线在当地水平坐标系下的向量坐标转化公示如(3)所示：
其中，L0、B0为主天线相位中心的经度和纬度。
铁塔三维姿态角由公式(5)至(7)计算：
铁塔偏航角：
铁塔俯仰角：
铁塔横滚角：
S4：通过对比铁塔三维姿态角初始值、当前姿态结果及历史数据，开展铁塔倾斜形变趋势预测；
上述计算得到的铁塔三维姿态角数据实时存入数据库，通过实时对比铁塔当前和初始值三维姿态角数据，绘制基于时间序列的实时和历史铁塔倾斜状态曲线，并基于电力铁塔高精度倾斜监测模型，开展铁塔倾斜形变监测和趋势预测。
S5：判断铁塔三维姿态角度变化数据是否超过所设定阈值，若超过阈值，按照预定义报警级别多手段及时通知线路铁塔运维管理人员。
依托于历史数据库的人工智能和专家经验方法及电力铁塔运行规程要求，构建电力铁塔高精度倾斜监测分类分级预警标准，并基于铁塔三维姿态角度实时和历史变化数据是否超过所设定阈值，若超过阈值，按照预定义报警级别多手段及时通知线路铁塔运维管理人员。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在电力铁塔上关键位置部署三个北斗测量天线，采集三个天线的北斗原始观测数据，并检查数据质量；
（2）若数据质量正常，符合高精度三维姿态角解算要求，则通过北斗高精度定位差分解算，获得三个北斗测量天线两条基线向量数据；
（3）利用两条基线向量结果和电力铁塔高精度倾斜监测模型，通过姿态测量算法进行铁塔三维姿态角计算，输出铁塔当前姿态结果；
（4）通过对比铁塔三维姿态角初始值、当前姿态结果及历史数据，对铁塔倾斜形变趋势预测。
2.（5）判断铁塔三维姿态角度变化数据是否超过所设定阈值，若超过阈值，按照预定义报警级别多手段及时通知线路铁塔运维管理人员。
3.根据权利要求1所述的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，其特征在于：步骤（2）中，所述通过北斗高精度定位差分解算，获得三个北斗测量天线两条基线向量数据，具体包括以下步骤：
（21）由主天线-副天线1和主天线-副天线2组成主基线和副基线两条基线，对每条基线分别进行差分解算；
（22）利用北斗原始观测数据进行载波相位单差和双差解算，建立双差载波相位观测方程；
（23）求解双差载波相位观测方程，并利用最小二乘法获得两条基线的坐标改正量和整周模糊度实数解；
（24）由双差整周模糊度的浮点解，经过LAMBDA算法，获得双差固定整周模糊度；
（25）将固定的整周模糊度回代双差载波相位观测方程，计算得到主基线和副基线的向量坐标。
4.根据权利要求1所述的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，其特征在于：步骤（1）中，通过北斗定位测姿接收机实时采集三个天线的北斗原始观测数据。
5.根据权利要求1所述的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，其特征在于：步骤（3）中，所述输出铁塔当前姿态结果包括偏航角、俯仰角、横滚角。
6.根据权利要求1所述的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，其特征在于：步骤（3）中，所述利用两条基线向量结果和电力铁塔高精度倾斜监测模型，融合大地坐标系、载体坐标系和当地水平坐标系，通过姿态测量算法进行铁塔三维姿态角计算。
7.根据权利要求1所述的基于北斗多天线姿态测量的电力铁塔高精度倾斜监测方法，其特征在于：步骤（3）中，所述通过姿态测量算法进行铁塔三维姿态角计算，获得铁塔当前姿态结果，具体包括以下步骤：
（31）在所述步骤（2）中获得大地坐标系；
（32）将主基线和副基线的基线向量坐标转换为当地水平坐标系下的坐标；
（33）将主基线在当地水平坐标系的向量坐标，计算电力铁塔的偏航角和俯仰角；
（34）将副基线在当地水平坐标系的向量坐标，计算电力铁塔的偏横滚角。
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