CN113984003A - 一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，包括如下步骤：S1、采用多频差分观测方法获得基础沉降测量数据；S2、减小电离层改正模型的误差；S3、降低对监测站的三维定位误差；S4、得到最终的高精度观测数据；基于北斗导航静态定位方法的杆塔形变监测原理，通过无电离层延迟影响组合的多频差分算法，实现形变分米级定位监测；研究形变监测精度改进策略，通过基于卡尔曼滤波的长时间静态观测三维定位误差控制等算法，将输电杆塔沉降监测误差提升至毫米级，满足替代全站仪、实现系统应用的精度需求。

Description

一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法

技术领域

本发明涉及电力监测领域，尤其涉及一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法。

背景技术

随着经济社会的不断发展，电网规模日趋庞大，输电线路跨越复杂地形，检测业务量愈发变大，传统依托人力资源的检测模式难以适应精益化发展需求现有的电力杆塔沉降观测多利用精密水准仪、水准尺、全站仪和位移传感器等仪器进行测量，作业周期长和人工测量耗时、费力、自动化程度低。由于现场作业人员知识水平、细致程度乘次不齐，而基础沉降通常以毫米、厘米级发生，大量先验知识和现场突发情况影响下，检测精度难以保障。输电线路跨越复杂地形，在自然环境较为恶劣的山区，现场人员常态化检测难度极大，无法确保应检尽检。专业人员远程查阅现场异常情况时，珍贵的原始信息流失，不利于援例推送与协助分析。

对于北斗单点定位技术，其定位受到各种误差源的影响，精度仅能达到5～10m，无法满足高精度沉降监测要求，而北斗观测方程中的误差可由导航卫星、接收机以及空间传播等多种原因引起。其中，电离层延迟误差、多径效应误差以及对流层延迟误差属于空间传播误差，卫星钟差属于导航卫星本身引起的误差，接收机钟差及接收机噪声误差属于接收机端引入的误差，例如，一种在中国专利文献上公开的“基于北斗差分定位的输电杆塔沉降监测装置及监测方法”，其公告号：CN112082526A，公开了使用差分定位无线监测方法，没有考虑到多种误差源的影响，准确性较差。

发明内容

为此，本发明提供一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，使用多频差分、长时间静态观测修正、综合滤波观测等方法进行误差控制，将输电杆塔沉降监测误差提升至毫米级，满足替代全站仪、实现系统应用的精度需求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用多频差分观测方法获得基础沉降测量数据；

S2、减小电离层改正模型的误差；

S3、降低对监测站的三维定位误差；

S4、得到最终的高精度观测数据。

作为优选的，所述S1包括：

北斗差分定位系统，用于高精度沉降监测，包括一个精确位置已知的基准站和数个待定位的监测站；

基准站距离精确值，为基准站接收机到卫星之间的几何距离，利用卫星星历精确计算获得；

距离测量误差，由实时测量结果和基准站距离精确值计算获得，其式如下：

式中：

为第i颗卫星的距离测量误差改正量，可得：

作为优选的，对于位置未知的监测站，当其与基准站接收机之间的距离较短时，可认为卫星i播发的导航信号传播至这两个接收机路径上受到的大气延迟误差(包括对流层误差和电力层误差)是相同的。因此，当监测站应用由基准站提供的距离测量误差改正量后，其测量值可表示为：

式中：δt_r作为接收机时钟差，可利用三角定位原理进行求解。可显著提高监测站的测量精度。

作为优选的，所述S2包括：

无电离层影响组合观测值，对相同接收机在同一时刻对两个频点导航信号的距离观测值做差分，由两个频点观测值做差分后获得的新观测值和该两频点导航信号的整周模糊度计算获得；其式如下：

式中：

表示第a个频点和第b个频点观测值做差分后获得的新观测值；

和

分别表示第a个频点和第b个频点导航信号的整周模糊度。消除了电离层延迟误差项I，精度更高。

作为优选的，所述S2还包括使用IF组合观测法，使用IF组合观测法后的热噪声标准差为：

式中，σ为各频点观测值热噪声的标准差，λ_k为第k个频点对应的信号波长；使用IF组合观测法后新的模糊度为：

式中，

和

分别表示第a个频点和第b个频点导航信号的整周模糊度，λ_k为第k个频点对应的信号波长。实现形变分米级定位监测。

作为优选的，使用IF组合观测后，先分别求出各频点模糊度以消除IF观测值的模糊度，或使用三差观测方差以消除模糊度；

对于与基准站距离较近的杆塔，其电离层改正模型的误差并不严重，因此不需要IF组合观测，仍然使用宽巷组合观测方法，即对相同接收机在同一时刻对两个频点导航信号的距离观测值做差分。

作为优选的，所述S3包括：

采用Kalman滤波方法实现静态观测，选取状态向量：

X＝{x,y,z,v_x,v_y,v_z}；

式中，自变量分别表示监测站在CGCS-2000大地坐标系下的三维位置坐标和速度分量，建立Kalman滤波器状态转移方程：

X(k)＝ΦX(k-1)+W(k)；

式中：k表示观测历元，本系统中相邻两个历元的间隔时间为T＝1s；Φ为状态转移矩阵；W(k)为当前历元的系统噪声，其中：

观测量为监测站的多频双差观测量，观测方差可表示为如下形式：

Y(k)＝B(X(k))+V(k)；

式中：Y(k)为第k个历元的距离观测向量；B(·)为系统状态向量到观测向量的映射矩阵。由于从监测站位置坐标到距离观测值的映射关系为非线性的，上式中仅保留泰勒级数的一阶线性系数矩阵：

Z(k)＝H(k)δX(k)+V(k)；

式中：Z(k)为泰勒级数展开后的观测残差；δX(k)为系统状态变化量；H(k)为线性化观测矩阵，有：

在每一次历元更新时，利用新的观测量对系统状态估计值进行修正，有：

式中：

为根据系统状态方程预测获得的当前历元先验估计值，有：

式中K(k)为当前历元的Kalman滤波增益，其计算方式为：

式中：R(k)为当前历元观测值的误差协方差矩阵；P(k)为当前历元的系统状态先验估计值误差协方差矩阵，采用递推方式获得，有：

P(k)＝ΦP(k-1)Φ^T+Q(k)；

式中Q(k)为当前历元的系统状态噪声协方差矩阵。将输电杆塔沉降监测误差提升至毫米级，满足替代全站仪、实现系统应用的精度需求

本发明的实施方式具有如下优点：

(1)通过无电离层延迟影响组合的多频差分算法，实现形变分米级定位监测；(2)研究形变监测精度改进策略，通过基于卡尔曼滤波的长时间静态观测三维定位误差控制等算法，将输电杆塔沉降监测误差提升至毫米级，满足替代全站仪、实现系统应用的精度需求；(3)经Kalman滤波器进行数据处理后，对监测站北斗数据的长时间静态观测可获得平面精度优于3mm，高程精度优于5mm的形变监测数据；(4)通过的双频或三频高精度接收机的伪距观测量及载波相位观测量进行组合，可以得到新的组合观测量，不同的组合方式可以去除或者减弱各类误差对定位精度的影响，有利于北斗高精度的快速解算和稳定定位；(5)通过构造差分观测量的方式消除观测方程中的一些误差项，可以大大减弱某些空间相关误差，同时还能够消去部分未知参数，最终简化并加快高精度定位的解算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达到的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1是本发明的卫星定位差分示意图。

图2是本发明的流程框图。

图中：

1-卫星1；2-卫星2；3-卫星3；4-卫星4；5-接收机1；6-接收机2。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的认识可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。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。

如图1-2所示，在一个较佳的实施例中，本发明公开了一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，通过无电离层延迟影响组合的多频差分算法，实现形变分米级定位监测；研究形变监测精度改进策略，通过基于卡尔曼滤波的长时间静态观测三维定位误差控制等算法，将输电杆塔沉降监测误差提升至毫米级，满足替代全站仪、实现系统应用的精度需求。包括如下步骤：

S1、采用多频差分观测方法获得基础沉降测量数据，北斗差分定位系统由一个精确位置已知的基准站和数个待定位的监测站组成。对于基准站，由于其位置已知，因此基准站接收机到卫星之间的几何距离可利用卫星星历精确计算获得。对比基准站接收机的实时测量结果和距离精确值，可获得基准站对该颗卫星的距离测量误差，即：

式中：

为第i颗卫星的距离测量误差改正量，可得：

对于位置未知的监测站，当其与基准站接收机之间的距离较短时，可认为卫星i播发的导航信号传播至这两个接收机路径上受到的大气延迟误差(包括对流层误差和电力层误差)是相同的。因此，当监测站应用由基准站提供的距离测量误差改正量后，其测量值可表示为：

式中：δt_r作为接收机时钟差，可利用三角定位原理进行求解。因此采用差分定位法可显著提高监测站的测量精度。

S2、由于杆塔相隔距离较大，基准站与部分监测站的距离较大，其电离层误差的改正精度并不能完全满足形变监测的要求。经实测表明，若采用电离层改正模型，各监测站的双差距离观测残差峰值可达到20cm，且最长持续10min，这种监测数据已无法用于沉降自动预警。为解决上述问题，本系统采用无电离层延迟影响组合的多频双差算法。

设在t时刻，接收机i对第j颗卫星的多频载波相位观测值为

其中下标f_k表示第k个频点，对应的信号波长记为λ_k。对于电离层延迟，根据无线电信号传播规律，对于同一个卫星导航系统，其不同频点的导航信号电离层延迟误差存在如下关系：

若对相同接收机在同一时刻对两个频点导航信号的距离观测值做差分，可获得新的多频组合观测值：

式中：

表示第a个频点和第b个频点观测值做差分后获得的新观测值；

和

分别表示第a个频点和第b个频点导航信号的整周模糊度。上式消除了电离层延迟误差项I，因此又被称为无电离层影响组合观测值(Ionospheric-Free，IF)。

当使用IF组合观测值后，热噪声将被放大，设各频点观测值热噪声的标准差相同，记为σ，IF组合观测值的热噪声标准差如下式所示：

并且，使用IF组合观测值后，新的模糊度为：

不再具备整数特性，因此无法直接求得固定解，需要通过先分别求出各频点模糊度以消除IF观测值的模糊度，或使用三差观测方差以消除模糊度。

在本系统中，针对不同的杆塔，根据其与基准站的距离关系，采用不同的组合观测方法。对于与基准站距离较近的杆塔，其电离层改正模型的误差并不严重，因此不需要IF组合观测，仍然使用宽巷组合观测方法。

S3、由于杆塔处于静止状态，其三维坐标在相当长的时间内仅会出现极小的变化，因此采用长时间静态观测方法进一步降低对监测站的三维定位误差，达到形变监测所需的精度。本系统中采用Kalman滤波方法实现静态观测，选取状态向量：

X＝{x,y,z,v_x,v_y,v_z}

分别表示监测站在CGCS-2000大地坐标系下的三维位置坐标和速度分量，建立Kalman滤波器状态转移方程：

X(k)＝ΦX(k-1)+W(k)

式中：k表示观测历元，本系统中相邻两个历元的间隔时间为T＝1s；Φ为状态转移矩阵；W(k)为当前历元的系统噪声，其中：

观测量为监测站的多频双差观测量，观测方差可表示为如下形式：

Y(k)＝B(X(k))+V(k)

式中：Y(k)为第k个历元的距离观测向量；B(·)为系统状态向量到观测向量的映射矩阵。由于从监测站位置坐标到距离观测值的映射关系为非线性的，上式中仅保留泰勒级数的一阶线性系数矩阵：

Z(k)＝H(k)δX(k)+V(k)

式中：Z(k)为泰勒级数展开后的观测残差；δX(k)为系统状态变化量；H(k)为线性化观测矩阵，有：

在每一次历元更新时，利用新的观测量对系统状态估计值进行修正，有：

式中：

为根据系统状态方程预测获得的当前历元先验估计值，有：

式中K(k)为当前历元的Kalman滤波增益，其计算方式为：

式中：R(k)为当前历元观测值的误差协方差矩阵；P(k)为当前历元的系统状态先验估计值误差协方差矩阵，采用递推方式获得，有：

P(k)＝ΦP(k-1)Φ^T+Q(k)

式中Q(k)为当前历元的系统状态噪声协方差矩阵。

经Kalman滤波器进行数据处理后，对监测站北斗数据的长时间静态观测可获得平面精度优于3mm，高程精度优于5mm的形变监测数据。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用多频差分观测方法获得基础沉降测量数据；

S2、减小电离层改正模型的误差；

S3、降低对监测站的三维定位误差；

S4、得到最终的高精度观测数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，所述S1包括：

北斗差分定位系统，用于高精度沉降监测，包括一个精确位置已知的基准站和数个待定位的监测站；

基准站距离精确值，为基准站接收机到卫星之间的几何距离，利用卫星星历精确计算获得；

距离测量误差，由实时测量结果和基准站距离精确值计算获得，其式如下：

式中：

为第i颗卫星的距离测量误差改正量，可得：

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，对于位置未知的监测站，当其与基准站接收机之间的距离较短时，可认为卫星i播发的导航信号传播至这两个接收机路径上受到的大气延迟误差(包括对流层误差和电力层误差)是相同的。因此，当监测站应用由基准站提供的距离测量误差改正量后，其测量值可表示为：

式中：δt_r作为接收机时钟差，可利用三角定位原理进行求解。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，所述S2包括：

无电离层影响组合观测值，对相同接收机在同一时刻对两个频点导航信号的距离观测值做差分，由两个频点观测值做差分后获得的新观测值和该两频点导航信号的整周模糊度计算获得；其式如下：

式中：

表示第a个频点和第b个频点观测值做差分后获得的新观测值；

和

分别表示第a个频点和第b个频点导航信号的整周模糊度。

5.根据权利要求4所述的一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，所述S2还包括使用IF组合观测法，使用IF组合观测法后的热噪声标准差为：

式中，σ为各频点观测值热噪声的标准差，λ_k为第k个频点对应的信号波长；

使用IF组合观测法后新的模糊度为：

式中，

和

分别表示第a个频点和第b个频点导航信号的整周模糊度，λ_k为第k个频点对应的信号波长。

6.根据权利要求5所述的一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，使用IF组合观测后，先分别求出各频点模糊度以消除IF观测值的模糊度，或使用三差观测方差以消除模糊度；

对于与基准站距离较近的杆塔，其电离层改正模型的误差并不严重，因此不需要IF组合观测，仍然使用宽巷组合观测方法，即对相同接收机在同一时刻对两个频点导航信号的距离观测值做差分。

7.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位的杆塔沉降监测方法，其特征在于，所述S3包括：

采用Kalman滤波方法实现静态观测，选取状态向量：

X＝{x,y,z,v_x,v_y,v_z}；

式中，自变量分别表示监测站在CGCS-2000大地坐标系下的三维位置坐标和速度分量，建立Kalman滤波器状态转移方程：

X(k)＝ΦX(k-1)+W(k)；

式中：k表示观测历元，本系统中相邻两个历元的间隔时间为T＝1s；Φ为状态转移矩阵；W(k)为当前历元的系统噪声，其中：

观测量为监测站的多频双差观测量，观测方差可表示为如下形式：

Y(k)＝B(X(k))+V(k)；

式中：Y(k)为第k个历元的距离观测向量；B(·)为系统状态向量到观测向量的映射矩阵。由于从监测站位置坐标到距离观测值的映射关系为非线性的，上式中仅保留泰勒级数的一阶线性系数矩阵：

Z(k)＝H(k)δX(k)+V(k)；

式中：Z(k)为泰勒级数展开后的观测残差；δX(k)为系统状态变化量；H(k)为线性化观测矩阵，有：

在每一次历元更新时，利用新的观测量对系统状态估计值进行修正，有：

式中：

为根据系统状态方程预测获得的当前历元先验估计值，有：

式中K(k)为当前历元的Kalman滤波增益，其计算方式为：

式中：R(k)为当前历元观测值的误差协方差矩阵；P(k)为当前历元的系统状态先验估计值误差协方差矩阵，采用递推方式获得，有：

P(k)＝ΦP(k-1)Φ^T+Q(k)；

式中Q(k)为当前历元的系统状态噪声协方差矩阵。

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