CN111380452A - 一种桩顶法兰平面度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩顶法兰平面度检测装置，GNSS天线有八个，八个GNSS天线均匀布置于圆盘载体的上，相邻的两个GNSS天线之间对应的圆心角为45°，所有的GNSS天线均通过GNSS接收机与终端主机相连；终端主机内部设置有CPU、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块，数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块均与CPU，本发明精度高：高差测量精度不低于2mm；可靠性高：测量过程全自动化，排除人为因素对测量结果准确性的影响；安全性高：整个过程无需人员登高作业；效率高：相对人工测量，节约时间百分之五十。

Description

一种桩顶法兰平面度检测装置

技术领域

本发明涉及桩顶法兰平面度检测设备技术领域，具体为一种桩顶法兰平面度检测装置。

背景技术

目前桩顶法兰平面度检测的检测流程为：检测人员携带相关检测设备，随检测平台一起吊至桩顶法兰，人工打点测量，再计算得出结果，一是精度差，二是安全性低，三室效率低，因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桩顶法兰平面度检测装置，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：一种桩顶法兰平面度检测装置，包括圆盘载体、GNSS天线、GNSS接收机及终端主机，所述GNSS天线有八个，八个所述GNSS天线均匀布置于圆盘载体的上，相邻的两个GNSS天线之间对应的圆心角为45°，所有的所述GNSS天线均通过GNSS接收机与终端主机相连；

所述终端主机内部设置有CPU、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块，所述数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块均与CPU。

优选的，每个所述GNSS接收机均单独分配一个OEM主板进行GNSS原始数据的采集以及解码。

优选的，所述CPU有多个，所述CPU用于GNSS数据处理工作。

优选的，所述数据处理模块的处理内容包括GNSS基线配对、GNSS基线处理、载体平面度计算。

优选的，所述数据存储模块支持对所有GNSS原始数据以RINEX格式进行存储，以及对每次解算任务基线解算、平差以及平面度等计算结果按照实际应用需求进行存储，方便事后对解算结果的查询、重新解算、验证等操作。

优选的，所述数据播发模块支持对平面度解算结果以及相关过程信息并按照实际的需求进行对外播发，所述数据播发模块内置电台模块，所述数据播发模块传输距离不小于500m。

优选的，所述GNSS天线采用扼流圈天线，所述GNSS天线固定安装并保持水平，所述GNSS天线定向线指向磁北，所述GNSS天线定向误差不得大于5°并正确量取天线高。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

步骤一：将设置有八个GNSS天线的圆盘载体安装在桩顶法兰，接通电源，打开终端主机；

步骤二：提取函数独立的基线向量及其统计信息；

步骤三：形成无约束平差的基本数学模型；

步骤四：求解包括坐标参数在内的参数估值及其精度统计量；

步骤五：观测值及其数学模型中是否存在问题，如果存在问题，进行相应处理并更新基本数据模型，如果没有问题输出最终结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)精度高：高差测量精度不低于2mm。

(2)可靠性高：测量过程全自动化，排除人为因素对测量结果准确性的影响。

(3)安全性高：整个过程无需人员登高作业。

(4)效率高：相对人工测量，节约时间百分之五十。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为终端主机结构示意图。

图3为本发明使用步骤示意图。

图4为地心空间直角坐标系公式示意图。

图中：圆盘载体1、GNSS天线2、GNSS接收机3、终端主机4。

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做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1-2，本发明提供一种技术方案：一种桩顶法兰平面度检测装置，包括圆盘载体1、GNSS天线2、GNSS接收机3及终端主机4，GNSS天线2有八个，八个GNSS天线2均匀布置于圆盘载体1的上，相邻的两个GNSS天线2之间对应的圆心角为45°，所有的GNSS天线2均通过GNSS接收机3与终端主机4相连；终端主机4内部设置有CPU、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块，数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块均与CPU。

如图3所示，一种桩顶法兰平面度检测装置，其使用方法包括以下步骤：

步骤一：将设置有八个GNSS天线2的圆盘载体1安装在桩顶法兰，接通电源，打开终端主机4；

步骤二：提取函数独立的基线向量及其统计信息；

步骤三：形成无约束平差的基本数学模型；

步骤四：求解包括坐标参数在内的参数估值及其精度统计量；

步骤五：观测值及其数学模型中是否存在问题，如果存在问题，进行相应处理并更新基本数据模型，如果没有问题输出最终结果。

本发明的主要技术指标包括如下内容:

1.设备支持离岸20至100公里范围内工作；

2.初始加电后完成数据采集、解算并输出测量结果所需时间不多于30分钟；且完成上述初始化过程后，被测设备每次小动态姿态调整后，对其水平度测量结果输出的响应时间不超过1分钟；

3.设备能提供至少工作4小时的自带电源；

4.设备能提供传输距离不小于500m的无线传输功能；

5.两对应天线的高差测量精度不低于2mm，并能支持最终被测设备平面度结果的输出；

6.设备能够提供8个天线圆心的位置信号，CEP不大于5cm；

7.设备能提供安装基线的方位信息。

8.设备具有终端显示功能，显示设备能换算显示8个天线中两对应天线的高低差，以及两对应天线与正北方向的夹角，支持查看单个天线的位置。

其中，终端主机：

终端主机的软、硬件均采用模块化、即插即用、集成安装的设计思路，终端设备集成GNSS OEM板、CPU、电源和通讯等主要硬件单元，在接收所有GNSS天线的原始观测信息后，依次进行数据解码、数据解算、数据存储和数据播发等操作。

数据采集模块：

为保证GNSS原始数据的采集质量，现暂定对于每个GNSS接收机均单独分配一OEM主板进行，GNSS原始数据的采集以及解码。同时，设备能够支持对所有GNSS天线的原始观测数据进行时间同步，并导入缓存，以支持后续基线解算等数据处理操作。

数据处理模块：

终端主机配置有多个CPU已进行GNSS数据处理工作，主要数据处理内容包括：GNSS基线配对、GNSS基线处理、载体平面度计算等三大部分；

1)GNSS基线配对：

由于8个GNSS天线理论上可以配置28条基线，设备支持按照预设原则对基线进行筛选，默认状态下所有基线均将参与解算；

2)GNSS基线处理：

GNSS基线处理主要包括基线解算和平差两大部分；

a)在基线解算部分，设备支持周跳探测与修复、粗差探测与剔除等数据预处理以及多系统模糊度固定、多系统组合定位等数据处理工作。需要说明的是，设备初始加电并顺利接收到GNSS观测数据后即可开始基线解算步骤，其将对所有参与解算GNSS基线的模糊度进行固定，且在模糊度固定后，被测设备小动态的姿态调整等将不需要重新固定模糊度，因此可保证在设备姿态进行小动态调整后快速、精确、可靠的得到定位结果，进而计算输出圆盘载体平面度结果，以满足被测设备姿态调整后水平度测量结果输出的响应时间不超过1分钟的技术指标；

b)在平差处理部分，由于所有GNSS测点之间理论上相互形成28条基线，为确定测点之间的相对位置(尤其是高差)，需对所有参与解算基线的处理结果进行平差，以确定测点之间最终的相对位置，同时精度指标上满足高差测量精度不低于2mm的技术要求；

3)载体平面度计算：

在获得平差后所有测点之间的相对位置后，由于所有天线均固连于圆盘形载体上，可通过建立载体的平面方程，结合8个GNSS天线的位置信息，利用最小二乘原理对平面方程的各参数进行求解，最终确定载体的平面度。需要特别说明的是，设备可通过设置“开始任务”和“结束任务”按钮，对每一次圆盘型载体小动态姿态调整过程中的平面度进行独立计算；即点击“开始解算”按钮后，设备开始重新对所有天线对形成的基线进行解算；在点击“结束任务”后，设备内部的处理模块将对基线解算结果进行平差，随后进行平面水平度的计算等操作，最后输出平面度计算结果。

数据存储模块：

数据存储模块支持对所有GNSS原始数据以RINEX格式进行存储，以及对每次解算任务基线解算、平差以及平面度等计算结果按照实际应用需求进行存储，方便事后对解算结果的查询、重新解算、验证等操作。

数据播发模块：

数据播发模块只要支持对平面度解算结果以及相关过程信息，按照实际的需求进行对外播发，其具体可通过设备内置的电台模块进行实现，传输距离不小于500m。

电源管理模块：

电源管理模块主要是对设备内部的供电系统进行管理。设备自身支持直接接电以及使用电池两种模式，其中使用电池模式下设备工作时间不低于4小时。

数据显示：

数据显示软件采用跨平台设计，可在多个平台(安卓、Windows、Linux)下换算显示8个天线中两对应天线的高低差，以及两对应天线与正北方向的夹角，支持查看单个天线的位置。

其中，数据处理：

原始数据采集配置：

在安装GNSS天线时应考虑海水侵蚀、信号遮挡等因素。为减弱海水多路径效应的影响，应选择扼流圈天线。另外，GNSS天线应固定安装，并保持水平，天线定向线应指向磁北，定向误差不得大于5°，并正确量取天线高。GNSS接收设备选择支持GPS和北斗(BDS)的不少于双频的观测设备，并且按1Hz进行采样，能将观测数据实时记录并传送到数据处理设备。

基线解算及平差：

GNSS数据处理基线解算指对地面两GNSS观测站的原始载波相位观测值进行测站间、卫星间求差，建立双差观测方程，然后在最小二乘的准则下求解未知参数，即两测站间的相对位置矢量。由于此次两测站距离较近，因此双差观测方程消除了卫星钟差、接收机钟差，减弱了多路径效应，基本消除了电离层延迟、对流层延迟等影响解算精度的误差因素。

基线解算完成后，应进行三维无约束平差，判别是否含有粗差基线向量，调整各基线向量观测值的权，使它们相互匹配。若任选一点作为固定点(假定其坐标精确已知)，将基线解算结果作为观测值，然后进行三维无约束平差，可获得观测站的坐标平差值和精度信息。此次，共8个测站，可组成28条基线向量，其中将7个观测站的3维坐标作为未知参数，根据最小二乘原理进行平差计算。

实际处理时，采用高精度GNSS数据处理软件，在地心空间直角坐标系(WGS84)下进行基线解算，求得观测站的相对位置矢量。然后选择一固定点，进行三维无约束平差，获得观测点的空间直角坐标平差值。然后，按图4中的公式将地心空间直角坐标系下的坐标转换到局部坐标系下，图4中的公式中，B、L分别为固定点的纬度和经度，[X,Y,Z]^T为空间直角坐标系下的测站坐标；[x,y,h]^T为局部坐标系的测站坐标。

平面度计算：

理论上，8个观测站应位于同一平面上，即在局部坐标系下满足以下数学模型：

A·x+B·y+C·h+D＝0

实际中，由于GNSS具有观测误差，平差后的观测站坐标并未完全位于同一平面上。因此，将8个测站的三维局部坐标作为观测量，同时考虑平面位置和高程的误差，利用其精度信息进行定权，根据整体最小二乘原理，估计其所在平面方程的系数。

求得平面方程后，其法向量可表示为：

因此平面度可表示为：

其中，e_h＝(0,0,1)为高程方向单位矢量。

检测时将此装置吊至桩顶法兰，其上均布的GNSS天线可以实时测得每个测量点的GPS高程，并实时反馈到终端设备上，终端设备通过设定的数学模型解析数据，最终得出测量结果。

本发明精度高：高差测量精度不低于2mm；可靠性高：测量过程全自动化，排除人为因素对测量结果准确性的影响；安全性高：整个过程无需人员登高作业；效率高：相对人工测量，节约时间百分之五十。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：包括圆盘载体、GNSS天线、GNSS接收机及终端主机，所述GNSS天线有八个，八个所述GNSS天线均匀布置于圆盘载体的上，相邻的两个GNSS天线之间对应的圆心角为45°，所有的所述GNSS天线均通过GNSS接收机与终端主机相连；

所述终端主机内部设置有CPU、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块，所述数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据播发模块及电源管理模块均与CPU。

2.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：每个所述GNSS接收机均单独分配一个OEM主板进行GNSS原始数据的采集以及解码。

3.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：所述CPU有多个，所述CPU用于GNSS数据处理工作。

4.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：所述数据处理模块的处理内容包括GNSS基线配对、GNSS基线处理、载体平面度计算。

5.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：所述数据存储模块支持对所有GNSS原始数据以RINEX格式进行存储，以及对每次解算任务基线解算、平差以及平面度等计算结果按照实际应用需求进行存储，方便事后对解算结果的查询、重新解算、验证等操作。

6.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：所述数据播发模块支持对平面度解算结果以及相关过程信息并按照实际的需求进行对外播发，所述数据播发模块内置电台模块，所述数据播发模块传输距离不小于500m。

7.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：所述GNSS天线采用扼流圈天线，所述GNSS天线固定安装并保持水平，所述GNSS天线定向线指向磁北，所述GNSS天线定向误差不得大于5°并正确量取天线高。

8.根据权利要求1所述的一种桩顶法兰平面度检测装置，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

步骤一：将设置有八个GNSS天线的圆盘载体安装在桩顶法兰，接通电源，打开终端主机；

步骤二：提取函数独立的基线向量及其统计信息；

步骤三：形成无约束平差的基本数学模型；

步骤四：求解包括坐标参数在内的参数估值及其精度统计量；

步骤五：观测值及其数学模型中是否存在问题，如果存在问题，进行相应处理并更新基本数据模型，如果没有问题输出最终结果。

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